Tiểu luận: địa hoá môi trường

TRƯỜNG ĐẠI HOC MỎ - ĐỊA CHẤT
KHOA MÔI TRƯỜNG
BỘ MÔN ĐỊA SINH THÁI VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
===============

BÀI GIẢNG

ĐỊA HOÁ MÔI TRƯỜNG

HÀ NỘI 2011


Bài giảng Địa hoá môi trường

Mục lục
MỞ ĐẦU..............................................................................................................................7
Chương 1 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG ĐỊA HÓA CỦA MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN .. 8

1.1. ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN (MTTN).............8
1.1.1. Cấu trúc của môi trường tự nhiên...................................................................8
1.1.2. Đặc điểm hóa – lý của môi trường tự nhiên................................................11
1.2. MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI MTTN................................................13
1.2.1. Các yếu tố địa lý.............................................................................................13
1.2.2. Các yếu tố địa chất......................................................................................... 14
1.2.3. Hoạt động nhân sinh...................................................................................... 14
1.3. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÓA MÔI TRƯỜNG KHÍ (KHÍ QUYỂN)........................16
1.3.1. Cấu trúc và thành phần của khí quyển.........................................................16
1.3.2. Bụi trong khí quyển........................................................................................18
1.3.3. Các ion và các gốc tự do trong khí quyển...................................................21
1.3.4. Ôxy và ozôn trong khí quyển........................................................................21
1.3.5. Các oxit nitơ và SO2 trong khí quyển..........................................................23

1.3.6. Các chất hữu cơ trong khí quyển..................................................................24
1.3.7. Vai trò địa hóa của khí quyển........................................................................25
1.4. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÓA MÔI TRƯỜNG NƯỚC (THỦY QUYỂN)...............25
1.4.1. Cấu trúc và tính chất của nước..................................................................... 26
1.4.2. Chu trình của nước.........................................................................................29
1.4.3. Thành phần, phân loại nước thiên nhiên..................................................... 30
1.4.4. Vai trò địa hóa của nước................................................................................35
1.5. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÓA VỎ PHONG HÓA........................................................36
1.5.1 Đặc điểm chung của vỏ phong hóa...............................................................36
1.5.2. Hành vi nguyên tố trong quá trình phong hóa............................................40
1.6. ĐỊA HÓA MÔI TRƯỜNG ĐẤT.........................................................................44
1.6.1 Dẫn liệu chung về đất..................................................................................... 44
1.6.2. Thành phần của đất........................................................................................ 46
1.6.3. Di chuyển các nguyên tố hóa học trong đất................................................48
1.7. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÓA MÔI TRƯỜNG TRẦM TÍCH....................................50
1.7.1. Một số đặc điểm trầm tích.............................................................................50
1.7.2. Đặc điểm địa hóa quá trình thành tạo trầm tích..........................................53
1.8. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÓA SINH QUYỂN..............................................................56
1.8.1. Thành phần hóa học sinh quyển................................................................... 56
Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 2


Bài giảng Địa hoá môi trường

1.8.2. Vai trò của sinh quyển (SQ)..........................................................................60
Chương 2 ĐẶC ĐIỂM DI CHUYỂN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC TRONG
MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN............................................................................................62
2.1. CÁC YẾU TỐ CHÍNH ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ DI CHUYỂN CỦA CÁC

NGUYÊN TỐ TRONG MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN..............................................62
2.1.1. Thế ion.............................................................................................................62
2.1.2. Thế oxy hóa khử của nguyên tố (Eo)...........................................................63
2.1.3. Độ hòa tan của hợp chất................................................................................63
2.1.4. Clac và clac tập trung.....................................................................................64
2.1.5. Dạng tồn tại các nguyên tố trong tự nhiên..................................................66
2.2. DẠNG DI CHUYỂN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC TRONG MÔI
TRƯỜNG TỰ NHIÊN................................................................................................. 66
2.2.1. Khái niệm........................................................................................................66
2.2.2. Cường độ di chuyển các nguyên tố trong môi trường tự nhiên................67
2.2.3. Các dạng di chuyển của nguyên tố trong MTTN.......................................68
2.3. ĐẶC ĐIỂM TẬP TRUNG, PHÂN TÁN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC .. 70
2.3.1. Sự tập trung của nguyên tố trong môi trường tự nhiên............................. 70
2.3.2. Phân tán các nguyên tố trong môi trường tự nhiên....................................71
2.3.3. Tính thống nhất và mâu thuẫn của tập trung và phân tán các nguyên tố
hóa học........................................................................................................................71
2.4. PHÂN LOẠI NGUYÊN TỐ THEO ĐẶC ĐIỂM DI CHUYỂN....................71
2.5. DI CHUYỂN CÁC NGUYÊN TỐ DO HOẠT ĐỘNG KỸ THUẬT CỦA
CON NGƯỜI.................................................................................................................72
2.5.1. Đặc điểm chung của sự di chuyển các nguyên tố do hoạt động của con
người...........................................................................................................................72
2.5.2. Di chuyển các nguyên tố do hoạt động công nghiệp.................................75
Chương 3 ĐỊA HÓA Ô NHIỄM......................................................................................78
3.1. Ô NHIỄM............................................................................................................... 78
3.1.1. Phông địa hóa và dị thường địa hóa môi trường........................................78
3.1.2. Ô nhiễm và phân loại.....................................................................................80
3.2. NGƯỠNG SINH THÁI VÀ KHẢ NĂNG ĐỒNG HÓA CHẤT Ô NHIỄM
CỦA MÔI TRƯỜNG................................................................................................... 83
3.2.1. Ngưỡng sinh thái............................................................................................ 83
3.2.2. Khả năng tự đồng hóa chất ô nhiễm của môi trường.................................84

3.3. ĐỊA HÓA CÁC CHẤT THẢI..............................................................................85
3.3.1. Chất thải khí....................................................................................................85
Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 3


Bài giảng Địa hoá môi trường

3.3.2. Chất thải lỏng..................................................................................................88
3.3.3. Chất thải rắn....................................................................................................94
3.3.4. Di chuyển của các chất ô nhiễm...................................................................98
3.4. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÍ........................................................................100
3.4.1. Các chất gây ô nhiễm không khí................................................................100
3.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới ô nhiễm khí.......................................................103
3.4.3. Tác động của ô nhiễm không khí............................................................... 104
3.4.4. Các phương pháp hạn chế ô nhiễm môi trường khí.................................106
3.5. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC...................................................................107
3.5.1. Các chất ô nhiễm trong môi trường nước..................................................107
3.5.2. Ô nhiễm môi trường biển............................................................................ 108
3.5.3. Tác động của ô nhiễm môi trường nước....................................................114
3.5.4. Phương pháp hạn chế ô nhiễm môi trường nước..................................... 115
3.6. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT...................................................................... 118
3.6.1. Các chất ô nhiễm trong đất..........................................................................120
3.6.2. Các biểu hiện ô nhiễm đất...........................................................................124
3.6.3. Tác động của ô nhiễm đất............................................................................127
3.6.4. Biện pháp hạn chế ô nhiễm đất...................................................................132
3.7. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG TRẦM TÍCH........................................................134
3.7.1. Ô nhiễm và các chất gây ô nhiễm môi trường trầm tích......................... 134
3.7.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới ONTT................................................................139

3.7.3. Các phương pháp đánh giá chất lượng môi trường trầm tích.................139
3.7.4. Các phương pháp hạn chế ô nhiễm trầm tích............................................146
Chương 4 SỰ DI ĐỘNG THEO NƯỚC CỦA CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC
TRONG CẢNH QUAN................................................................................................. 147
4.1. Mở đầu..................................................................................................................147
4.2. Thành phần hóa học của nước cảnh quan.........................................................147
4.3. Hệ số di động theo nước, trình tự di động........................................................148
4.4. Độ hòa tan của các hợp chất tự nhiên............................................................... 153
4.5. Các quá trình trao đổi..........................................................................................154
4.6. Các điều kiện kiềm – axit của nước tự nhiên...................................................155
4.7. Các hợp chất tổng hợp........................................................................................ 159
4.8. Các điều kiện oxi hóa khử của nước tự nhiên..................................................160
4.9. Các điều kiện hóa – lý của nước tự nhiên và trường ổn định của các khoáng
vật (biểu đồ Eh – pH)................................................................................................. 166
4.10. Quy luật kìm hãm các phản ứng hóa học....................................................... 169
Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 4


Bài giảng Địa hoá môi trường

4.11. Sự bóc mòn hóa học..........................................................................................178
4.12. Sự bóc mòn cơ học............................................................................................179
4.13. Tuần hoàn sinh vật và sự di động theo nước tại các cảnh quan tự lập và các
cảnh quan phụ thuộc...................................................................................................180
Chương 5 SỰ DI ĐỘNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ TRONG KHÍ QUYỂN.........182
5.1. Thành phần hóa học của khí quyển của cảnh quan.........................................182
5.2. Sự di chuyển muối cùng với nước mưa............................................................183
5.3. Sự di động của các phân tử lơ lửng...................................................................184

Chương 6 ĐẶC ĐIỂM DI ĐỘNG CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC
TRONG CẢNH QUAN................................................................................................. 187
6.1. Nguồn năng lượng của các quá trình địa hóa học........................................... 187
6.2. Tính thống nhất của sự di động và tính đa dạng của các loại di động..........188
6.3. Quy luật đa dạng nhất của sự di động sinh vật................................................190
6.4. Sự thay đổi của đá trong cảnh quan.................................................................. 190
6.5. Tính chu kì của sự di động................................................................................. 192
6.6. Sự phát triển của các cảnh quan địa hóa...........................................................192
Chương 7 ĐỊA HÓA HỌC CẢNH QUAN VÀ VIỆC TÌM KIẾM KHOÁNG SẢN
CÓ ÍCH.............................................................................................................................195
7.1. Công tác tìm kiếm khoáng sản có ích trong giai đoạn hiện đại.....................195
7.2. Những phương pháp địa hóa để tìm kiếm khoáng sản có ích........................196
7.3. Vai trò của địa hóa học cảnh quan trong việc tìm kiếm khoáng sản.............202
Chương 8 BẢN ĐỒ CÁC CẢNH QUAN ĐỊA HÓA................................................ 204
8.1. Phương pháp xây dựng bản đồ cảnh quan địa hóa được đặt cơ sở trên sự phân
loại các cảnh quan.......................................................................................................205
Chương 9 CÁC GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN CHỦ YẾU CỦA CÁC CẢNH QUAN
ĐỊA HÓA TRONG QUÁ TRÌNH LỊCH SỬ ĐỊA CHẤT......................................... 215
9.1. Giai đoạn phi sinh vật......................................................................................... 215
9.2. Bắt đầu của giai đoạn sinh vật (khoảng 3 tỉ năm qua)....................................217
9.3. Những cảnh quan hoang mạc – sơ khai tiền cambri (3 tỉ - 570 triệu năm về
trước).............................................................................................................................218
9.4. Các cảnh quan địa hóa nửa đầu của thực vật cổ đại – cambri, orđôvic và silua
(570 -400 triệu năm về trước)....................................................................................222
9.5. Các cảnh quan địa hóa nửa sau của thực vật cổ đại – đêvôn, cacbon và peem
hạ (400 – 250 triệu năm về trước).............................................................................224
9.6. Các cảnh quan địa hóa thực vật trung sinh – pecm thượng, triat, jura và bạch
phiến hạ (250 – 100 triệu năm qua).......................................................................... 226
Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 5


Bài giảng Địa hoá môi trường

9.7. Những cảnh quan địa hóa thực vật tân sinh – bạch phấn thượng và tân sinh hạ

(100 triệu năm qua – nguyên đại hiện tại)............................................................... 227
Chương 10 ĐỊA HÓA HỌC CỦA CÁC NGUYÊN TỐ DI ĐỘNG THEO NƯỚC
231
10.1. Nguyên tắc của các thành phần cấu tạo hoạt động........................................231
10.2. Những nguyên tố di động theo nước, hoạt động và hoạt động yếu trong môi
trường oxi hóa và trơ trong môi trường khử mạnh................................................. 251
10.3. Những nguyên tố di động theo nước, hoạt động trong điều kiện khử (glay)
và trơ trong điều kiện oxi hóa (Fe, Mn, Co)............................................................264
Tài Liệu tham khảo.................................................................................................. 273

Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 6


Bài giảng Địa hoá môi trường

MỞ ĐẦU
Năm 1889, Svante Arrhenius người đoạt giải Nobel đã chỉ ra sự tồn tại của
một "hiệu ứng nhà kính", trong đó thay đổi nhỏ nồng độ carbon dioxide trong khí
quyển có thể làm thay đổi đáng kể nhiệt độ trung bình của một hành tinh. Khoảng
một thế kỷ sau đó, con người nhận ra rằng thay đổi khí hậu có tương quan với sự gia
tăng của nồng độ carbon dioxide trong khí quyển. Điều đó cho thấy rằng các kiến

thức về cơ chế môi trường là cần thiết giúp con người đối phó với vấn đề thực tế của
ô nhiễm. Địa hóa môi trường là một trong những ngành khoa học nhanh chóng nổi
lên nhằm mục đích giúp con người hiểu biết hành vi của chất ô nhiễm trong các hệ
sinh thái và thiết kế quy trình an toàn cho hệ sinh thái. Các ô nhiễm trong quá khứ
nên được làm sạch, các ô nhiễm trong tương lai nên được dự đoán và tránh được.
Với mong muốn trang bị cho sinh viên chuyên ngành Địa sinh thái và Công
nghệ Môi trường thuộc ngành Kỹ thuật môi trường những kiến thức từ cơ bản đến
nâng cao về lĩnh vực Địa hoá môi trường nên cuốn giáo trình này được sắp xếp
thành 10 chương bao gồm từ các khái niệm về đặc trưng địa hoá của môi trường tự
nhiên đến đặc điểm di chuyển của các nguyên tố trong môi trường hay các kiến thức
về địa hoá ô nhiễm; sự di chuyển theo nước, trong không khí của các nguyên tố hoá
học. Hơn thế nữa, giáo trình còn trang bị cho sinh viên các kiến thức về địa hoá
cảnh quan, thành lập bản đồ các cảnh quan địa hoá hay các giai đoạn phát triển chủ
yếu của các cảnh quan địa hoá trong quá trình lịch sử địa chất... Như vậy bài giảng
này sẽ hữu ích cho sinh viên ngành kỹ thuật môi trường và kể cả các nhà hoạch định
chính sách môi trường, những người muốn tìm hiểu nhanh chóng kiến thức địa hoá
môi trường.
Nhân đây, người biên soạn muốn cảm ơn tất cả các tác giả, các nhà khoa học
trong và ngoài nước đã cung cấp các bản thảo chất lượng cao. Cảm ơn Bộ môn Địa
sinh thái và Công nghệ môi trường đã tạo điều kiện để tác giả có được thời gian
hoàn thành bài giảng và cuối cùng xin được gửi lời cảm ơn tới các chuyên gia đi
trước đã đóng góp các ý kiến quý báu cho bài giảng này. Để cho bài giảng được
ngày một hoàn thiện hơn, mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ : Nguyễn Chí
Nghĩa, Bộ môn Địa sinh thái và Công nghệ Môi trường, khoa Môi trường, Trường
Đại học Mỏ - Địa chất.
Xin chân trọng cảm ơn!
Người biên soạn

ThS. Nguyễn Chí Nghĩa
Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 7


Bài giảng Địa hoá môi trường

Chương 1
MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG ĐỊA HÓA CỦA MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN
1.1. ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN (MTTN)
1.1.1. Cấu trúc của môi trường tự nhiên
Nhìn tổng thể, MTTN đồng nghĩa với đới biểu sinh – nơi xảy ra các quá trình
biểu sinh và hình thành đới biểu sinh. Theo A.Fesman, có thể phân biệt các quá trình
biểu sinh như sau: quá trình biểu sinh chính thống; quá trình hình thành thổ nhưỡng;
quá trình đồng sinh (tích tụ trầm tích); quá trình tạo thành đá; quá trình thoái hóa;
quá trình sinh muối; quá trình hidrogen; các quá trình tích tụ cơ học, quá trình trượt
lở đất, di chuyển dòng bùn đá, sụt lún đất, xói lở, xói mòn…; quá trình biogen (hoạt
động sinh vật); quá trình hoạt động kỹ thuật của con người (technogen). Đới biểu
sinh trên cùng là đới trên cùng của vỏ Trái đất (VTĐ), nơi xảy ra mọi quá trình biến
đổi, thành tạo đá và khoáng vật trong điều kiện bề mặt của Trái đất có sự tham gia
của nước và sinh vật. A.Fesman cho rằng, ranh giới của đới biểu sinh trùng với ranh
giới của sinh quyển. Giới hạn trên là tầng bình lưu (ở độ cao 10-15km), giới hạn
dưới (ở độ sâu 3-6km) là nơi sinh vật còn có thể tồn tại được. theo K.I.Lukashev,
đới biểu sinh là tập hợp tất cả cảnh quan, là lớp áo ngoài cùng của vỏ Trái đất, năng
động nhất và đa dạng nhất về sự tương tác của bốn địa quyển. chính MTTN là sản
phẩm của sự tương tác đó và bao gồm các hợp phần: khí quyển, thủy quyển, phần
trên của thạch quyển và sinh quyển (hình 1.1)
Về phương diện địa hóa, MTTN là là nơi diễn ra quá trình di chuyển các
nguyên tố hóa học dưới tác động chủ yếu của nước, không khí, sinh vật và con
người, trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp đặc trưng cho bề mặt Trái đất.
MTTN có một số đặc trưng sau: là nơi có nhiệt sđọ thấp và áp suất không cao

nhưng có biên độ dao động lớn; là nơi năng động và đa dạng nhất về các quá trình
trao đổi năng lượng (W), vật chất với vũ trụ và và các đới của vỏ Trái đất là nơi có
sự tương tác mạnh mẽ nhất giữa bốn địa quyển và quyển trí tuệ; là nơi có sự kết hợp
giữa ba chu trình: chu trình biểu sinh – vũ trụ, chu trình biểu sinh chính thống và
chu trình nội sinh – biểu sinh (hình 1.2); trong mỗi chu trình đều có sự di chuyển
nguyên tố hóa học, thay đổi vật chất và tuần hoàn năng lượng. Vì thế có thể coi đới
biểu sinh là hợp phần tự nhiên hết sức đa dạng, phong phú về hình thái, cấu trúc và
thành phần. MTTN vừa là sản phẩm của các quá trình biểu sinh vừa là môi trường
hoạt động của chính các quá trình đó. Do vậy MTTN không ngừng biến đổi cả theo
không gian và thời gian.

Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 8


Bài giảng Địa hoá môi
trường

M«i tr-êng tù nhiªn

1

10
5
6

10
7

4

2

8
39

7


Hình
1.1.
Cấu
trúc
của môi
trường
tự
nhiên
1 – KQ và tầng ôzôn; 2, 3,
4 – Thủy quyển, gồm nước
mặt lục địa (2), nước biển (3),
và nước dưới đất (4); 5 - Thế
giới sinh vật; 6 – Thổ quyển và
Vỏ phong hóa; 7 – Trầm tích
sông, hồ, ao, biển; 8 – Đá trầm
tích có thể chứa vi sinh vật; 9
– Các đá macma, biến chất
(không chứa sinh vật); 10 –
Các thành tạo nhân sinh – Sinh
quyển bị chôn vùi (than bùn,

than đá, dầu mỏ, v.v…)

MTTN là nơi duy
nhất của Trái đất có sinh
vật, có vật liệu hữu cơ, sự
sống và hoạt động của con
người, là đối tượng lao động
gần gũi nhất của con người,
là nguồn dự trữ về nguyên
liệu và năng lượng cho mọi
hoạt động của con người,
đồng thời cũng là nơi đồng
hóa, chứa đựng, tàng trữ
chất thải.
Môi trường có thể
phân ra các hợp phần: KQ
(atmosphera); thủy quyển
(hydrosphera); thạch quyển
(lithosphera); sinh quyển
(biosphera); quyển trí tuệ
(noosphera).
V.I.Venatski
và
A.I.Perenman phân chia các
thành tạo biểu sinh ra: phần
trên thạch quyển (thổ
nhưỡng, VPH, trầm tích);
thủy quyển – nước thiên
nhiên (nước mặt và nước

dưới đất); sinh quyển (thế
giới sinh vật, TGSV).

Bộ môn Địa sinh thái và
CNMT
Trang 9


Bi ging a hoỏ mụi trng

c

t

u

h

rì n

hb i ểu s inh

g

th

ố

h

í

h

h

i

n

s

-ỡng

u

ể
i

hn
ì

r
t

h

u

t

ì

nh

Vận chuyển trầm tích

Trầm tích

b

i

Sinh học, hóa học,
Vụn cơ học
Quá trình do sinh vật

Thành tạo thổ nh

b

c
r

linh động
Thổ nh-ỡng

Tàn tích

ụ

ể

Diagenes, katagenes

c

t r

Nguyên tố

hoạt động nhân sinh

Sản phẩm phong hóa

n

Vũ trụ

ũ

hơiBốc

nguyên tố nguồn

gốc Vũ trụ

v

Vận chuyển, lắng đọng

u

s
i

n

h

c
h
í

n

h

t

h

u

Kết tinh

Đá biến chất

c
tr

Quá trình biến chất

Đá biến chất

h b
i

ểu

g

Quá trình biến chất
Nóng chảy

Khí núi lửa, dung dịch nhiệt,
dung dịch của dung thể macma

ìn

ố

n

Đá biến chất

Phong hóa

Thâm nhập củavậtliệud-ớivỏ

h

c

h
si n

s

nộ

i

n

h

i

Hỡnh 1.2. Cỏc chu trỡnh trong mụi trng t nhiờn
(theo K.I. Lukashev, 1974, cú sa i)

Theo B.K.Lucashev v K.I.Lucashev, MTTN gm cú cỏc hp phn: khớ
quyn; thy quyn (nc thiờn nhiờn); phn trờn ca thch quyn (th nhng, v
phong húa, tng loos, bng tớch, trm tớch sụng, h m ly v bin, m khoỏng
sn); sinh quyn b chụn vựi (du m, khớ t, than ỏ, than bựn); sinh quyn sng
(TGSV). Bờn cnh ú, da vo c im ca cỏc thnh phn nhõn sinh cú trong
MTTN ngi ta cũn cú th phõn bit mụi trng khu cụng nghip, mụi trng o
th, mụi trng nụng thụn, v.v

B mụn a sinh thỏi v CNMT

Trang 10



Bài giảng Địa hoá môi trường

1.1.2. Đặc điểm hóa – lý của môi trường tự nhiên
Đặc điểm hóa lý của MTTN thể hiện qua các thông số: to (nhiệt độ), P (áp
suất), pH, Eh (chế độ ôxy hóa – khử), đặc điểm các phản ứng hóa học, năng lượng
quá trình bề mặt, đặc điểm địa hóa của chính các nguyên tố có trong môi trường …
o

Nhiệt độ (t ) không khí gần mặt đất và nhiệt độ bề mặt td thay đổi trong
khoảng như sau:
Khu vực
Nhiệt độ không khí

Nam cực
o
-83 C

Iakursk
o
-68 C

I rắc
o
58 C

Xômali

o
56 C

Khu vực
Đất đóng băng
Abra
Arizon
Trung phi
o
o
o
Nhiệt độ thổ nhưỡng <0 C
69 C
71,5 C
85oC
o
o
Nhiệt độ dưới mặt đất thường lớn hơn 0 C và đạt cực đại khoảng 100 C ở độ
sâu 5000-6000m. Nhiệt độ đóng vai trò đặc biệt quan trọng đối với các quá trình vật
lý, hóa học và sinh học trong MTTN.
Áp suất (P) của môi trường tự nhiên dao động trong khoảng 0,n at (tầng bình
lưu) đến 5000 – 6000 at (ở phần sau đáy đại dương và phần trầm tích ở độ sâu
8km).
Độ pH của MTTN thay đổi trong khoảng 0,83 – 11,6, đặc biệt khi có pH > 13
(như nước thải các nhà máy hóa chất chưa xử lý), thông thường trong khoảng 3-9.
Độ pH phụ thuộc nhiều yếu tố: thành phần hóa học của môi trường, sự có mặt của
sinh vật và vật liệu hữu cơ, nhiệt độ, chế độ ôxy hóa khử (Eh), và đặc biệt là các
hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con người v.v…
MTTN có thể được phân chia theo độ pH: Môi trường axit (pH<3) như các
suối nước nóng, mỏ sunfua bị ô xy hóa, nước thải các nhà máy chưa xử lý; Môi

trường axit – axit yếu (pH = 3- 6,5) bao gồm nước ở đầm lầy, than bùn, nước
mưa…; Môi trường trung tính – kiềm (pH =6,5 – 8,5) như nước sông hồ, nước biển;
Môi trường kiềm mạnh (pH>8,5) như nước trong thổ nhưỡng kiềm, nước ở vùng sa
mạc, nước thải các nhà máy…
pH có vai trò lớn trong môi trường. Trước hết pH ảnh hưởng tới độ hòa tan
các nguyên tố và hợp chất. Phần lớn các nguyên tố hóa học tạo Cation (Na, K Ca,
Sr, Fe,…) có độ hòa tan lớn nhất trong môi trường axit, giảm dần trong môi trường
trung tính. Nguyên tố tạo anion (Se, Mo, V5+, As,…) hòa tan tốt trong môi trường
kiềm. Các nguyên tố lưỡng tính (Al…) hòa tan mạnh trong môi trường kiềm mạnh
(pH>9) và axit (pH<4). pH ảnh hưởng đến chiều và tốc độ các phản ứng hóa học,
đến quá trình tạo phức, tạo chất keo. Dung dịch keo bền vững các hydroxit thường
tạo thành trong môi trường có pH lớn (môi trường kiềm). Ngoài ra, pH quyết định
sự tồn tại của sinh vật: vi sinh vật chỉ có thể tồn tại và phát triển trong môi trường
có giá trị pH xác định và với biên độ dao động nhỏ.

Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 11


Bài giảng Địa hoá môi trường

Độ linh động của các nguyên tố trong MTTN phụ thuộc vào độ pH. pH quyết
định sự di chuyển của các nguyên tố vĩ lượng (có clac lớn), còn đối với sự di chuyển
của các nguyên tố vi lượng thì vai trò của pH mờ nhạt hơn. Hành vi của các nguyên
tố vi lượng trong MTTN có tính ―a dua‖ theo (bị cho phối bởi) các nguyên tố vĩ
lượng.
Độ Eh của đới biểu sinh dao động trong khoảng -0,41 ÷ 7,8 V, có khi lớn hơn
7,8 V (vùng bị tác động của sản xuất công nghiệp). Eh phụ thuộc vào nhiều yếu tố
khác nhau như độ pH, khả năng lưu thông không khí, hàm lượng các chất ô xy hóa

hoặc khử, vi sinh vật, vật liệu hữu cơ…
Dựa vào Eh, A.I.Perenman chia MTTN ra: Môi trường oxy hóa có Eh>0,150,3 (0,4) V, giàu O2 tự do và các chất gây oxy hóa khác. Môi trường khử không có
H2S với Eh<0,4 đôi khi Eh>0, thường nghèo O 2 tự do nhưng giàu tàn tích hữu cơ,
+2
+2
khí mê tan cũng như các ion hóa trị thấp như Fe , Mn . Môi trường khử có H2S
với Eh < 0 đôi khi > 0, không có O2 tự do, giàu dunfat và H2S.
Eh có vai trò rất lớn trong MTTN: quyết định tổ hợp cộng sinh các khoáng
vật, nguyên tố hóa học, tốc độ và chiều các phản ứng hóa học, phản ứng sinh hóa,
khả năng hoạt động của sinh vật v.v…
Vai trò tổng hợp của Eh và pH trong MTTN lại còn lớn hơn. Eh và pH quyết
định sự tồn tại của thế giới sinh vật. Mỗi một nhóm sinh vật chỉ tồn tại trong môi
trường có giá trị Eh và pH xác định. Thông số này quyết định chiều các phản ứng
hóa học. Mỗi phản ứng hóa học kèm theo sự trao và nhận điện tử chỉ xảy ra trong
điều kiện với Eh và pH cụ thể. Eh và pH quyết định sự tồn tại và chuyển hóa các tổ
hợp cộng sinh khoáng vật (KV) và cộng sinh nguyên tố. Mỗi tổ hợp cộng sinh KV
hay tổ hợp cộng sinh nguyên tố chỉ tồn tại trong trường Eh và pH nhất định , ra khỏi
giới hạn của trường đó các tổ hợp khoáng vật sẽ bị phá hủy và chuyển thành các tổ
hợp mới bền vững trong môi trường pH-Eh mới. Do đó Eh và pH quyết định đến
hành vi các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên. Vì vậy Eh và pH là chỉ
tiêu quan trọng để phân loại môi trường.
Như vậy, biên động dao động các nguyên tố hóa lý nêu trên của MTTN rất
khác nhau. Những thay đổi đó có hại cho sự tồn tại và phát triển của thế giới sinh
vật nói chung và con người nói riêng nên được khoa học môi trường quan tâm
nghiên cứu.
Trong MTTN với các đặc trưng nêu trên, các phản ứng hóa học có một số
đặc điểm sau:
 Do nhiệt độ và áp suất không cao nên phản ứng hóa hóa học trong MTTN có
tốc độ chậm và thường bị kìm hãm. Sự kìm hãm này là do sự thiếu hụt khối
lượng các hợp phần tham gia phản ứng.

 Nhờ dòng nhiệt liên tục của Mặt trời nên các phản ứng có tính liên tục và chu
kỳ (hoặc gần với chu kỳ)
Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 12


Bài giảng Địa hoá môi trường

 Các phản ứng xảy ra trong MTTN có thể là phản ứng thu nhiệt (quang hợp,
bay hơi…) hoặc tỏa nhiệt (hô hấp của thực vật, ngưng tụ, đóng băng…). Cả
hai phản ứng đó đều cần thiết như nhau và đảm bảo sự cân bằng năng lượng
của môi trường và hệ sinh thái.
 Các phản ứng và quá trình xảy ra trong MTTN thường không đạt cân bằng
hóa học vì MTTN là hệ mở luôn có sự trao đổi vật chất và năng lượng với
vũ trụ cũng như với phần sâu của Trái đất.
 Các phản ứng xảy ra dường như không theo đúng tỷ lượng lý thuyết, do
trong MTTN có nhiều loại vật chất(vô cơ, hữu cơ, chất sống, chất keo…), có
sự thiếu hụt khối lượng của các hợp phần và sự tác động rất phức tạp giữa
chúng. Các phản ứng xảy ra trong MTTN hầu hết là các quá trình thuận
nghịch.
1.2. MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI MTTN
Các đặc trưng của môi trường sống phụ thuộc và nhiều yếu tố khác nhau như
địa lý, địa chất, các hoạt động nhân sinh, v.v…
1.2.1. Các yếu tố địa lý
Các yếu tố địa lý có ảnh hưởng tới các đặc trưng MTTN bao gồm: Vị trí địa
lý(tọa độ địa lý, khoảng cách tới biển và đại dương); đặc điểm địa hình (độ dốc, độ
cao tương đối, độ cao tuyệt đối, chia cắt sâu, chia cắt ngang…); khí hậu; thủy văn.
Ảnh hưởng của vị trí địa lý và địa hình đến MTTN thể hiện qua hai quy luật:
quy luật phân hóa theo vĩ độ, theo khoảng cách và vị trí so với mặt trời; quy luật

phân hóa theo kinh độ, theo khoảng cách đến biển, đại dương. Vị trí địa lý và địa
hình quyết định chế độ thủy động lực, đặc trưng khí hậu, lớp phủ thực vật, v.v…
Khí hậu được đặc trưng bởi các yếu tố: bức xạ, nhiệt độ lượng mưa, lượng
2
bốc hơi, độ ẩm,… Bức xạ tổng cộng thay đổi từ 55 – 60 kcal/cm /năm (nam cực)
2
2
đến 220 kcal/cm /năm (sa mạc), trung bình là 127 kcal/cm /năm (biển) đến 138
2
kcal/cm /năm (lục địa). Bức xạ là nguồn năng lượng chủ yếu của các quá trình xảy
ra trong MTTN. Lượng mưa trên Trái đất thay đổi từ vài chục mm/năm (sa mạc)
đến 6000 mm/năm (đảo ở giữa Thái Bình Dương). Độ ẩm tương đối của Trái đất
thay đổi từ 30% đến 100%. Độ ẩm phụ thuộc vào bốc hơi bề mặt và bình lưu ẩm.
Các thông số nói trên thay đổi trên phạm vi lớn nên khí hậu Trái đất rất đa dạng.
Dựa vào nhiệt độ không khí và lượng mưa, tương tác không khí với MTTN,
o
Kiogen(1936) đã chia khí hậu ra: khí hậu nhiệt đới ẩm có nhiệt độ lạnh nhất là > 18 C
o
và lượng mưa > 756mm/năm; khí hậu khô có nhiệt độ T TB tháng nóng nhất > 10 C và
lượng mưa ≤ 2 (T+7) cm/năm (đối với vùng phân bố ẩm đều), ở đây T là nhiệt độ, và ≤
2 (T+14) cm/năm (đối với vùng có lượng mưa vào mùa hè lớn), và ≤ 2 Tcm/năm (đối
o
với vùng có lượng mưa vào mùa đông lớn); khí hậu nóng ôn đới có T TB tháng lạnh
o
o
nhất : -3 C < T < 18 C, lượng mưa ≥ 2T cm/năm (nếu mưa nhiều
Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 13

Bài giảng Địa hoá môi trường

vào mùa đông) hoặc ≥ 2(T+14) cm/năm (nếu mưa nhiều vào mùa hè); khí hậu lạnh
o
o
– ôn đới có độ ẩm vừa phải, T TB tháng nóng nhất >10 C, TTB tháng lạnh nhất < 3 C và
o

mưa như vùng khí hậu ôn đới; khí hậu lạnh băng tuyết có T TB tháng lạnh <10 C và
lượng mưa TB 100-200mm/năm. Trong các vùng có đặc trưng địa lý khác nhau thì tốc
độ phản ứng sinh hóa, hoạt động và phát triển của sinh vật, hành vi nguyên tố, tốc độ
phát tán và lan truyền chất ô nhiễm cũng có những nét khác biệt.

1.2.2. Các yếu tố địa chất
Các yếu tố ảnh hưởng tới MTTN bao gồm: chế độ kiến tạo, cấu trúc địa chất,
các quá trình địa chất và lịch sử tiến hóa địa chất, các tai biến địa môi trường; điều
kiện thành tạo, biến đổi các đá và trầm tích; thế nằm của đá ảnh hưởng tới sự thâm
nhập của các tác nhân làm biến đổi các đá; tính chất cơ lý và thành phần hóa học,
khoáng vật và thạch học của đá. Để đặc trưng cho khả năng của các đá bị phá hủy
do phong hóa có thể dùng hệ số phong hóa – Pđ (Mai Trọng Nhuận, 1984, 1987), Pđ
= SiO2/(Na2O + FeO + K2O + CaO + MgO). Pđ dao động trong khoảng 0,n – 70. Pđ
càng lớn đá càng khó phá hủy trong điều kiện bề mặt Trái đất.
Đá chứa càng nhiều chất khử hoặc chất oxy hóa và vật liệu hữu cơ càng dễ bị
phá hủy. Đặc điểm này cả đá được thể hiện qua dung lượng khử của đá là lượng O 2
cần thiết để oxy hóa các hợp phần và KV khử có trong đá.
Các yếu tố địa chất quyết định những đặc trưng cơ bản của MTTN, như cho
phối đặc điểm địa hình, địa mạo, thành phần, tính chất đất đá, trầm tích, vỏ phong
hóa (thạch quển nói chung) của nước mặt và nước ngầm (thủy quyển), tai biến và tài
nguyên địa chất. Thông qua đó các yếu tố địa chất có ảnh hưởng rất lớn tới sinh

quyển, thành phần, tính chất của khí quyển, thủy quyển, thạch quyển và hoạt động
nhân sinh.
1.2.3. Hoạt động nhân sinh
Con người là nhân tố có tác động rất mạnh tới MTTN. Quy mô, mức độ, bản
chất của sự tác động đó phụ thuộc và dân số, trình độ văn hóa, khoa học, kỹ thuật, thể
chế chính trị, tập quán… Cộng đồng loài người và trí tuệ của họ tạo ra noosphera
(quyển trí tuệ), technosphera (quyển kỹ thuật), antrosphera (quyển nhân sinh). Thuật
ngữ trí tuệ (noosphera) do nhà triết học, nhà khoa học của Pháp là E.Lepua đưa ra lần
đầu năm 1927. Sau đó, vấn đề này được V.I.Vernasky phát triển và nhiều nhà khoa học
8

khác hoàn thiện. Khối lượng của quyển trí tuệ không lớn, khoảng n.10 tấn, chỉ tương
2

đương sinh khối của rừng taiga diện tích 6000km .

Trong quyển trí tuệ, bên cạnh dạng thông tin sinh học, xuất hiện một dạng
thông tin mới – thông tin xã hội và các phương pháp mới lưu giữ, xử lý và truyền
các loại thông tin đó. Năng lượng của quyển trí tuệ và mức độ tiêu thụ năng lượng
ngày càng gia tăng: thời nguyên thủy trung bình mỗi người tiêu thụ năng lượng
3
3
5
khoảng 8.10 – 12.10 jun, còn ngày nay là 8.10 J. Nhưng điều quan trọng hơn là
tính sinh công, tính hữu ích, tính đa dạng của năng lượng được tăng lên. Năng
Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 14

Bài giảng Địa hoá môi trường

lượng mặt trời được dùng trực tiếp. Con người còn tạo ra nhiều dạng năng lượng
mới: nhiệt điện, điện nguyên tử, thủy điện, v.v… Không phải toàn bộ năng lượng do
con người tạo ra đều được dùng để sinh công hữu ích mà một phần năng lượng đó
sinh nhiệt cho môi trường bao quanh, gây hậu quả khó lường cho môi trường, cho
các hệ sinh thái.
Như vậy, quyển trí tuệ có đặc trưng là giảm entropi của mình nhưng lại làm
tăng entropi của môi trường (phân tán các nguyên tố từ các mỏ khoáng sản, đốt cháy
than, dầu mỏ, khí thiên nhiên, v.v...). Các hệ của quyển trí tuệ là những hệ có điều
khiển, trong đó mối quan hệ tương hỗ (2 chiều) từ trung tâm điều khiển đến các hệ
và ngược lại. Các mối quan hệ này đã và đang bị các yếu tố tiêu cực của biến động
toàn cầu gây nhiễu loạn. Điều này đã thúc đẩy việc sử dụng tùy tiện tài nguyên thiên
nhiên gây ngày càng nhiều hậu quả xấu cho môi trường: ô nhiễm môi trường và
biến động toàn cầu, tăng cường các tai biến…
Trong quyển trí tuệ cũng xảy ra mạnh mẽ vòng tuần hoàn các nguyên tố. Sự
di chuyển các nguyên tố trong quyển trí tuệ bị chi phối bởi các quy luật hóa lý, sinh
hóa và quy luật kinh tế xã hội phức tạp. Sự phát triển của quyển trí tuệ chủ yếu do
các quy luật kinh tế - xã hội quyết định. Hiện nay quyển trí tuệ được đặc trưng bởi
sự bùng nổ về dân số, thông tin, phát triển mạnh của khoa học kỹ thuật (KHKT) và
đang dẫn đến việc tăng cùng chiều của việc sử dụng cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên
và suy thoái môi trường. Ngoài ra, quyển trí tuệ cũng tồn tại các dạng di chuyển
khác nhau (di chuyển nước, di chuyển dạng khí, di chuyển cơ học, di chuyển hóa lý,
sinh địa hóa) nhưng quan trọng nhất là di chuyển nhân sinh.
Mật độ quyển trí tuệ và dân cư phân bố không đồng đều trong hành tinh và
trong mỗi nước. Quyển trí tuệ có mật độ tập trung cao ở thành phố, đồng bằng và
duyên hải.
Đặc trưng của quyển trí tuệ không phải chỉ ở số người mà còn xác định bằng
chỉ số khác nhau như số phát minh / tổng số người, tổng số người học vấn cao / tổng
số dân…

Văn hóa – khoa học kỹ thuật – công nghệ (VH – KH –CN) của xã hội loài
người không ngừng phát triển nhưng với tốc độ không đồng đều giữa các quốc gia
và khu vực. Khoa học và công nghệ mới có thể gây ra những biến đổi sâu sắc và
mạnh mẽ đối với môi trường và tài nguyên, tạo ra những đột biến về di chuyển
nguyên tố hóa học trong MTTN. Nếu các phát minh khoa học, công nghệ được dùng
đúng đắn sẽ tăng tính hợp lý của việc sử dụng và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và
môi trường, nếu sử dụng không đúng đắn thì dẫn đến kết quả ngược lại. Vấn đề phát
triển VH – KH – CN cũng như sử dụng nó trong việc khai thác tài nguyên thiên
nhiên, bảo vệ môi trường tùy thuộc rất nhiều vào chế độ chính trị, hệ thống chính
sách, điều kiện kinh tế xã hội của mỗi quốc gia.

Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 15


Bài giảng Địa hoá môi trường

Tốc độ phát triển kinh tế và công nghiệp hóa đang diễn ra trên toàn cầu với
tốc độ ngày càng lớn và không đồng đều giữa các châu lục, các khu vực, cũng như
các quốc gia. Phần lớn các nước Tây, Bắc Âu, Bắc Á có nền công nghiệp và đời
sống cao hơn các vùng khác của hành tinh. Trình độ công nghiệp hóa và mức độ đô
thị hóa tỷ lệ với trình độ phát triển KHKT và công nghệ. Mặc dù đô thị hóa và công
nghiệp hóa thúc đẩy sự phát triển xã hội, song nó làm thay đổi sâu sắc đặc trưng lýhóa-sinh của MTTN, gây ô nhiễm môi trường. Một trong những đặc trưng quan
trọng của quyển trí tuệ là sự gia tăng dân số và phát triển khoa học kỹ thuật công
nghệ đã và đang làm nảy sinh nhiều vấn đề bức xúc về môi trường: làm biến đổi
nhanh cảnh quan, bề mặt Trái đất và tất cả các thành tạo biểu sinh, tăng nhanh lượng
phế thải vào môi trường xung quanh, gây ô nhiễm, tàn phá môi trường, thúc đẩy các
tai biến thiên nhiên, làm thủng tầng ozôn, gây nên hiệu ứng nhà kính, mưa axit…,
làm cạn kiệt các nguồn tài nguyên. Mức độ khai thác tài nguyên tăng lên theo một

tốc độ ngày càng lớn, đặc biệt tốc độ tàn phá rừng và khai thác bất hợp lý tài nguyên
khoáng sản đang tăng theo cấp số nhân..
Những điều trình bày ở trên cho thấy, mức độ khai thác sử dụng tài nguyên
thiên nhiên, khả năng bảo vệ tái tạo môi trường có sự thay đổi mạnh trong không
gian và thời gian… Theo không gian, chỉ số đó thay đổi hết sức phức tạp. Các nước
phát triển có khả năng khai thác và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên ở chính
nước mình hơn so với các nước chậm phát triển.
1.3. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÓA MÔI TRƯỜNG KHÍ (KHÍ QUYỂN)
1.3.1. Cấu trúc và thành phần của khí quyển
5

KQ (khí quyển) là lớp vỏ khí của Trái đất, có khối lượng khoảng 5,15.10 tấn
và được phân làm nhiều tầng khác nhau. Giới hạn trên của KQ không được xác định
chính xác có thể ≥ 1100km. Thành phần hóa học và tính chất vật lý KQ thay đổi
mạnh theo độ cao (hình 1.3). Dựa vào đó người ta chia KQ thành các tầng khác
nhau: đối lưu, bình lưu, trung lưu và nhiệt lưu (bảng 1.1).
Áp suất KQ thay đổi từ 1at ở mức 0km (so với mực nước biển) đến 3.10-7at
ở độ cao 100km. Biên dao động nhiệt độ là -100 đến 1200oC. Khối lượng của KQ
tập trung chủ yếu ở tầng đối lưu chiếm 90%, còn KQ ở độ cao 100km chỉ chiếm
một phần triệu tổng khối lượng KQ. Phân tử lượng trung bình của không khí khô là
3
28,966, mật độ không khí khô ở áp suất 760 mm thủy ngân là 1,2928 g/m . Tỷ khối
của không khí giảm theo hàm số mũ của độ cao.
Tầng
Đối lưu
Bình lưu
Trung lưu

Bảng 1.1 Một số tính chất của các tầng khí quyển
Độ cao (km)

Nhiệt độ (oC)
Thành phần chủ yếu

N2, O2, CO2, H2O…
0-11 (đến 16-18km ở 15 -56
vùng xích đạo)

-56 2
O3
11(18) – 50

+
+
-2 92
O2 , NO
50 – 85

Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 16


Bi ging a hoỏ mụi trng

Nhit lu

85 100, hoc hn

+

-92 1200

+

O2 , O , NO

+

KM

H+

Tầng proton

H
2000

Khí quyển ngoài
He, H

1000

O
O > N2 > O2 Đỉnh tầng nhiệt

Khí quyển ngoài

500

-7

1,4 . 10

Nhiệt độ

gHmm

p (O) = p(N2)
Khuếch tán
O2
N2 > O2 > O

100

Tầng ion (tầng nhiệt)

OH CH4 + hv --> CH3 + H
NO CH4 + O --> CH3 + OH
O > O3
đỉnh tầng bình l-u

Khoảng cách

mây bạc
50

20

O

Na

Khí quyển giữa
O3 = O, NO2 --> NO + O
O3 > O, N2O --> N2 + O

9,5
Bình l-u

N + O2 <--> NO + O
N + NO <--> N2 + O
Omax O + O --> O2
H đỉnh tầng giữa

Tầng

mây xà cừ

ô zôn

210

đỉnh tầng đối l-u

10

N2 - 78,08%
O2 - 20,95%

Ar - 0,93%

mây hơi n-ớc

CO2 O3
CH4 NO2
N2O H2
CO
H2O

Đối l-u

5

0

0

+ 200 C

Biển

2

0

+ 400 C

3
4

5
10

20
30
40
60

Hỡnh 1.3. Cu trỳc ca KQ theo A.I.Perenman, 1979).
Mi tờn th hin vũng tun hon ca nc
Trong KQ cú cỏc phõn t khớ, cỏc hp cht húa hc, cỏc ht bi, cỏc ion v
cỏc gc húa hc t do, cỏc vi sinh vt, v.v Thnh phn (%) ca khụng khớ khụ
lp sỏt mt t khụng b ụ nhim nh sau:
N
O
Hi nc
Ar
CO2
Ne
He

78,09
20,94
0,1 5
-1
9,34.10
-2
3,25.10
-3
1,82.10

-4
5,24.10

B mụn a sinh thỏi v CNMT

Kr
NO
CO
NO2
H2
Xe
NH3

-4

1,14.10
-5
2,5.10
-5
1,2.10
-5
1.10
-5
5.10
-6
8,7.10
-6
1.10

Trang 17

Bài giảng Địa hoá môi trường
-4

CH4
2.10
SO2
2.10
Ngoài ra còn có các kim loại với hàm lượng rất nhỏ.(Bảng 1.2).

-8

Bảng 1.2 Hàm lượng một số kim loại trong không khí bị ô nhiễm
Nguyên tố hóa học
Hàm lượng (μg/m3)
Ag
0,05 – 0,1
Al
1 – 12
As
0,1 – 1,0
Ca
70 – 250
Cd
0,05 – 1,5
Cu
1–4
Fe
3 – 20

K
60 – 180
Mg
170 – 600
Mn
0,05 – 0,33
Na
1500 – 5500
Pb
0,4 – 0,8
Sr
0,9 – 4
V
0,05 – 0,07
KQ trong thổ nhưỡng giàu hơi nước, CO2, CH4, vi sinh vật, hợp chất hữu cơ,
nhưng nghèo các khí trơ hơn KQ trên mặt đất. Thành phần chủ yếu của KQ không
chỉ biến đổi nhanh chóng theo không gian mà còn tiến hóa theo thời gian. Sự biến
đổi tiến hóa thành phần KQ phụ thuộc và nhiều yếu tố khác nhau nhưng vai trò của
con người ngày càng lớn.
KQ được sinh ra do nhiều quá trình khác nhau, chủ yếu là ohaan rã phóng xạ,
phản ứng quang hóa, hoạt động địa chất và quá trình hình thành, phát triển sự sống
cũng như hoạt động của con người. Phân rã phóng xạ tạo ra các khí H, He,…; các
kim loại như U, Pb, v.v… Các phản ứng quang hóa tạo O 2, O3, O, Nox v.v… Các
quá trình địa chất (hoạt động núi lửa, khử khí manti) làm xuất hiện các loại khí và
hợp chất cũng như các nguyên tố khác nhau như HCl, HF, H 2S, I2, Br2, CO, v.v..
Quá trình hình thành và phát triển sự sống là cội nguồn của nhiều phần tử và hợp
chất khác nhau của khí quyển, quan trọng nhất là O 2, CO2, CH4, v.v… Hoạt động
nhân sinh làm xuất hiện và đưa vào KQ nhiều hợp chất không có trong tự nhiên như
CFC, thuốc diệt trừ vật hại, muội than (bồ hóng), các chất phóng xạ nhân tạo, v.v…
Các quá trình nêu trên thay đổi theo cả không gian và thời gian nên lịch sử tiến hóa

KQ rất phức tạp. Trong sự tiến hóa đó của KQ vai trò của con người ngày càng lớn
và làm nảy sinh nhiều vấn đề gay cấn đối với môi trường khí.
1.3.2. Bụi trong khí quyển
Bụi là thành phần cơ bản của không khí ở tầng đối lưu. Chúng là những chất
có kích thước nhỏ (dưới 500μm) ở dạng rắn, lỏng, được dặc trưng bởi thành phần
hóa học, khoáng vật xác định (bảng 1.2a).
Bảng 1.2a Thành phần và nguồn gốc của một số loại bụi
Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 18


Bài giảng Địa hoá môi trường

Loại bụi
Bụi tro, bồ hóng
Bụi than
Bụi khoáng

Thành phần
SiO2, 2CaO.SiO2, CaO, CaSO4,

Nguồn gốc
Sản xuất năng lượng

Cacbon, than cốc…
Thạch cao, xỉ, asbet, xi măng…

Khai thác chế biến than
Công nghiệp khai khoáng

và xây dựng.
Công
nghiệp hóa chất,
thủy
tinh, công nghiệp
dệt.
Giao thông.

CaCO3, cacbon, Ca(AlO2)2

Bụi công nghiệp

Thủy tinh, sunfat, photphat, clorit,
oxit kim loại, vải bông, sợi,…

Bụi đường phố

Dầu, bồ hóng, cặn cao su, hơi chứa
các hợp chất hữu cơ, hợp chất của
chì…
Xenlulo
Phân bón, thuốc trừ sâu

Bụi gỗ
Công nghiệp gỗ
Bụi phân bón,
Sản xuất nông nghiệp,…
thuốc trừ sâu
Bụi núi lửa
Tro, silicat, HCl v.v…

Phun trào núi lửa.
Bụi phấn hoa
Phấn nhụy hoa
Hoạt động của sinh vật
Dựa vào kích thước hạt, người ta phân bụi ra hai nhóm: bụi mịn (<3μm) và
bụi thô (>3μm). Bụi kích thước càng lớn càng sa lắng nhanh, kích thước càng nhỏ
càng tồn tại lâu trong không khí. Sol khí là hỗn hợp những phần tử lơ lửng phân tán
trong không khí với kích thước hạt keo khó lắng, là nguồn gốc tạo ra các ngưng tụ
hình thành mây mưa.
Tùy thuộc vào mức độ tinh khiết của không khí mà hàm lượng bụi thay đổi từ
3
3
khoảng 10μg/m tương đương vài trăm hạt/cm (trong không khí bị ô nhiễm) đến
3
3
2000μg/m tương đương khoảng > 105hạt/cm (trong không khí bị ô nhiễm nặng).
Các hạt bụi có thể hình thành từ các chất vô cơ (hạt vô cơ), các chất hữu cơ (hạt
hữu cơ) và hỗn hợp vô cơ – hữu cơ. Các hạt bụi có thể là vi khuẩn trong không khí;
sương mù trong không khí; phấn, nhụy hoa; tro của các ngọn núi lửa, v.v… thành phần
của bụi trong KQ ở các đô thị của Hoa Kỳ như sau: tổng các chất lơ lửng trong không
3
+
2khí (105 μg/m ); NH4 (1,3); NO3 (2,6); SO4 (10,6); các chất hữu cơ tan trong C 6H6
(6,8); Sb (0,01); As (0,02); Cd (0,002); Cr (0,015); Cu (0,09);
Fe (1,58); Pb (0,79); Mn (0,1); Ni (0,034); Sn (0,02); Ti (0,04); V (0,05); Zn (0,67
3

μg/m ).
Khi phân tích các hạt tồn tại trong tự nhiên người ta phát hiện được các phân
đoạn chứa các chất hữu cơ tan trong C 6H6. Công thức của các chất hữu cơ có trong

hạt như sau:
C32,4H48O3,8S0,083Halogen0,065Alkoxi0,12
Trong số đó, các hydrocacbon đa vòng thơm (PAH – polycyclic aromatic
hydrocacbon) được nhiều người quan tâm nghiên cứu vì chúng có khả năng gây ung
thư. Một số hợp chất PAH điển hình là benzo (α) – pyren và crysen. Trong KQ
3
thành phố có chứa khoảng 20μgPAH/m . PAH được tìm thấy chủ yếu trong các pha
Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 19


Bài giảng Địa hoá môi trường

rắn, đặc biệt là được hấp thụ trên các muội than (bồ hóng). Người ta cho rằng bản
thân muội than là sản phẩm ngưng tụ của quá trình phân hủy hydrocacbon khi đốt
nhiên liệu. Bồ hóng rất độc, vì chứa khoảng 100 vòng thơm ngưng tụ (trong đó có
benzo (α) – pyren và crysen) và các kim loại như Be, Cd, Cr, Mn, Ni, V,...
Ngoài tính chất hóa học, kích thước các hạt bụi có ảnh hưởng lớn tới sự tác
động của chúng tới con người và động vật. Kích thước hạt càng nhỏ, tỷ lệ diên tích
bề mặt các hạt càng lớn, khả năng hấp phụ các chất vô cơ và hữu cơ càng tăng, càng
dễ dàng khuếch tán đi xa, càng dễ thâm nhập vào cơ thể con người, động vật,… Cần
lưu ý rằng mối quan hệ này chỉ đúng trong giới hạn xác định về kích thước các hạt
bụi.
Các hạt được tạo thành từ các quá trình tự nhiên và nhân sinh khác nhau. Các
hạt tự nhiên có kích thước < 0,2μm sinh ra do sóng biển, do khói, do sự bay hơi của
các chất hóa học (từ cây, quả). Các ôxit kim loại là thành phần chính tạo ra các hạt
vô cơ trong khí quyển. Các hạt này có thể sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu
chứa pyrit:
3FeS2 + 8O2



Fe3O4 + 6 SO2



Khi nung CaCO3 sẽ xảy ra phản ứng: CaCO3 CaO + CO2
Đặc biệt, hiện nay các động cơ dùng xăng là nguồn gốc sinh ra các hạt chứa
hợp chất của Pb và halogen. Khi đốt cháy xăng xảy ra phản ứng giữa Pb(C 6H5)4 và
các chất chống muội cho nhiên liệu (là diclometan và dibrometan) với oxy:
2Pb(C6H5)4 + 64O2 + C2H4Cl2 + C2H4Br2



52CO2 + 24H2O + PbCl2 +

PbBr2
Các hạt bụi chứa Ba, Pb, Br, Mn, Ca, Cu, V, Zn, Mg, Be, Ti, Fe được sinh ra
còn do hoạt động của con người. Bụi tạo ra từ nước biển có thể chứa K, Al, I, Na,
Si, Fe, Cl, Ti.
Các hạt sol khí được tạo ra nhờ sự tương tác của các chất lỏng với chất khí và
chất lỏng với chất rắn. Trong KQ còn xảy ra phản ứng oxy hóa khí SO 2 thành SO3



và sau đó SO2 + H2O H2SO4. H2SO4 khi gặp các hạt có chứa NH 3, CaO, v.v…
phản ứng tạo ra các hạt ở thể rắn (CaSO4…), thể lỏng như (NH4)2SO4…
2NH3
Khí

CaO
hạt

+
+

H2SO4
giọt
H2SO4

giọt

(NH4)2SO4


giọt
CaSO4

+

H2 O

hạt
-

Ngoài ra, các hạt và sol khí còn chứa HBr, NO 2, SO2, NH3, HCl, H2O, NO3 ,
2+
SO3 , SO4 , NH4 được sinh ra trong các quá trình khác nhau.
Các hạt tồn tại trong KQ có ý nghĩa môi trường quan trọng: chúng đóng vai
trò chính trong các hiên tượng tích điện của khí quyển; các hạt được coi là những

Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 20


Bài giảng Địa hoá môi trường

hạt nhân ngưng tụ để tạo ra những giọt mưa hoặc tinh thể nước đá; chúng tham gia
và các phản ứng hóa học; phản ứng quang hóa trong khí quyển, chúng là chất xúc
tác cho các phản ứng (đặc biệt là các phản ứng oxy hóa – khử).
1.3.3. Các ion và các gốc tự do trong khí quyển
+

Ngoài các hạt, trong KQ còn có các ion và các gốc hóa học tự do như O ;
+

2+

NO , O , electron. Do mật độ vật chất trong KQ giảm theo độ cao nên mật độ các
ion dương và các electron trong tầng bình lưu rất thấp đến mức phản ứng trung hòa
giữa chúng khó xảy ra hoặc xảy ra không đáng kể. Kết quả là các ion dương và các
electron có thể tồn tại khá lâu trong các tầng cao của khí quyển. Năng lượng bức xạ
của các tia tử ngoại khởi đầu cho các quá trình hình thành các ion này trong tầng
bình lưu. Tuy nhiên vào ban đêm khi không có ánh sáng mặt trời (không có bức xạ
của tia tử ngoại) thì một số ion dương tái hợp với các electron (e) tạo thành phân tử
trung hòa.
Trong KQ còn gặp các gốc hóa học tự do có thời gian bán hủy khác nhau
(OH; CH3…). Khi các gốc gặp nhau và tương tác với nhau thì phản ứng dây chuyền
tạo ra các gốc tự do bị dập tắt. Nhờ phản ứng dây chuyền mà các gốc hóa học tự do
có thể tồn tại trong tự nhiên.

o

o

+O2
ROO

RH+
O
+ HO
(RH: Hydrocacbon no)
o
o
ROO
R
+ ROOH
+
RH

o
o
OH
R
+
ROH

Các hợp chất hóa học trong các hạt có thể tham gia phản ứng quang hóa
(ngay cả trong điều kiện áp suất thấp và không có xúc tác). Những chất tham gia
nhiều vào các phản ứng quang hóa, hóa học là O 2, O3,… Các phản ứng quang hóa
có vai trò quan trọng trong việc hình thành và biến đổi thành phần cũng như tính

chất của KQ .
1.3.4. Ôxy và ozôn trong khí quyển
Ôxy đóng vai trò quan trọng trong lớp KQ thấp. Hợp chất oxit của hầu hết
các nguyên tố trong tự nhiên đều khá bền và ổn định (oxit của các kim loại như
Fe2O3, TiO2, của các chất khí như CO2, SO2…).
Ôzôn (O3) là chất đặc biệt của tầng bình lưu có thể hấp thụ các bức xạ 220230nm, nên tầng ozôn có khả năng bảo vệ sinh vật khỏi tác động hủy diệt của các
tia tử ngoại. Nồng độ O3 trong tầng bình lưu khoảng 10ppm khi ở độ cao 25-30km,
bề dày lớp ozôn khoảng 2-3mm.
Sự phân bố O3 trong KQ phụ thuộc và tỷ lệ O2/O3. Ở điều kiện cân bằng tỷ lệ
25
5
O2/O3 của KQ là 10 , ở độ cao> 30km tỷ lệ này là 3.10 .
O3 trong tự nhiên được hình thành nhờ phản ứng quang hóa và có sự tham
gia của các phần tử khác:
Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 21


Bài giảng Địa hoá môi trường

hv (242nm)
O2 +



O + O2



O+O
O3



O3 + M
O + O2 + M (N2 hoặc O2)
Chất thứ ba (M) có khả năng hấp thụ năng lượng dư thừa từ phản ứng nói
trên, làm cho O3 bền vững hơn. Do đó tuy xảy ra chậm hơn nhưng phản ứng có
tham gia của chất M tạo được nhiều O3 hơn.
Cơ chế phân hủy và biến mất của O3 trong tự nhiên chưa được biết đầy đủ.
O3 trong tự nhiên có thể mất đi chủ yếu do tham gia vào phản ứng với các O nguyên
0
tử, Cl , các gốc hydroxit và các oxit nitơ.
O3 +
O
O2 + O 2

0
HO 
O3 +
O2 + HOO gốc hydroxyl và peoxit
0
HOO
+ O
HO
+
O2

O3

NO2 +
O2
+ NO 
N2O +
O3 
2NO
+ O2
Đáng lưu ý rằng NO được tạo ra trong tầng bình lưu cao thấp hơn 30km nhờ
phản ứng của oxit đinitơ (N2O) với gốc nguyên tử oxy tự do. Còn ở độ cao > 30km
thì NO được tạo thành dưới tác động của các bức xạ có khả năng phân hủy nitơ.
Ở độ cao < 30km:

N2 O

+

O

0



2NO

Ở độ cao > 30km:

N2

+

hv



N

+

N

O2

N
+
NO
+
O
Bên cạnh NOx thì clo cũng đóng vai trò lớn trong việc phân hủy O3 ở tầng
bình lưu.
Cl

0

+

O3



ClO



Cl

ClO

0

+

O

ClO

0

+

NO2 

0

0

+

O2

+

O

O2

Cl-O-N <

(clorinitrat)
O

Phản ứng tạo clorinitrat (là sản phẩm rất bền) có vai trò quan trọng trong việc
0
làm giảm tác dụng phân hủy O3 của NOx và Cl ; ước tính rằng 1 nguyên tử Cl có
thể phá hủy 105 phân tử O3.
0

Cl trong KQ được tạo ra từ các phản ứng khác nhau: chuyển hóa của
cloflometan (CFM), đốt cháy các chất được dùng để đẩy đầu đạn v.v..
Cloflometan (CCl2F2H2) được sử dụng như là chất làm lạnh. Chúng trơ ở
tầng đối lưu nhưng được khuếch tán chậm lên tầng bình lưu và ở đó dưới tác động
0
của bức xạ tử ngoại sinh ra Cl có khả năng phản ứng ngay với O3.
Bộ môn Địa sinh thái và CNMT

Trang 22