Глава 2. ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛАНДШАФТАХ
В зависимости от вида миграции мы выделяем три основных ряда элементарных и геохимических ландшафтов.
1. Абиогенные ландшафты, для которых характерна только механическая и физико-химическая миграция.
2. Биогенные ландшафты с ведущим значением биогенной миграции и подчиненной ролью физико-химических и механических процессов.
3. Техногенные (антропогенные), культурные ландшафты, своеобразие которых определяется техногенной (социальной) миграцией, социальными процессами, хотя в них развиваются и все остальные виды миграции.
Типоморфные (ведущие) элементы, принцип подвижных компонентов.
Химические элементы, ионы и соединения, определяющие условия миграции в ландшафте, именуются типоморфными (ведущими). Число их невелико: Са, Н (вернее, водородный ион), Fe, S, С1 и другие. Это позволяет говорить о кальциевых, кислых и прочих ландшафтах (например, кальциевая и кислая тайга). Различия в кларках приводят к тому, что химическое сходство элементов отнюдь не означает их «геохимическое сходство». Так, например, у Na кларк высокий (2,50), поэтому его много в ландшафтах. Солончаки, соляные озера — это «натриевые ландшафты», т.к. Na определяет геохимическое своеобразие ландшафта, физико- химические условия среды, т.е. является типоморфным. Cs в химическом отношении похож на Na, но его кларк мал (3,7.10″^) и влияние на геохимические особенности ландшафта невелико. Он не определяет физико-химических условий среды и мигрирует в той обстановке, которая создана типоморфными элементами. Если бы у Cs кларк был, как у Na, то его роль в ландшафте была бы так же велика, он был бы типоморфным. Следовательно, химические элементы с низкими кларками не могут быть тнпоморфнымн из-за малых концентраций в системах — они вынуждены мигрировать в той обстановке, которую создают типоморфные элементы. Именно различия в кларках определяют ведущую роль S и второстепенную Те, ведущее значение Na и подчиненное Rb, Li, Cs.
Редкие элементы в местах их концентрации становятся ведущими, например, в месторождениях U, Мо и т.д. Но ведущее значение элемента зависит не только от его кларка и концентрации в данной системе. Важно, чтобы элемент мигрировал и накапливался. Распространенные, но слабо мигрирующие элементы не являются ведущими. Один и тот же элемент в разных системах может быть и ведущим, и второстепенным. Например, Fe имеет ведущее значение в таежных болотах, но его роль невелика в пустынях. Наконец, если элемент энергично мигрирует, но не накапливается, он также не является ведущим. Так, Na и С1 энергично выщелачиваются во влажных тропиках из кислой коры выветривания и не являются там ведущими. Только в соляных озерах и солончаках, где Na и С1 мигрируют и накапливаются, они становятся ведущими. Из сказанного следует принцип подвижных компонентов: геохимическая особенность ландшафта определяется элементами с высокими кларками, наиболее активно мигрирующими и накапливающимися в данном ландшафте (А.И. Перельман).
Парагенные и запрещенные ассоциации элементов. Понятие о парагенезисе элементов ввел в 1909 г. В.И. Вернадский, имея в виду их совместную концентрацию, обусловленную единым процессом. Ассоциация может быть как одновременной, так и неодновременной, связанной, например, с последовательным осаждением элементов из вод. В дальнейшем парагенезису элементов уделялось много внимания в трудах геохимиков, так как одна из главных задач геохимии и состоит в изучении парагенных ассоциаций элементов. Наиболее изучены парагенные ассоциации элементов в минералах. Ассоциация главных элементов, как правило, объясняется законами кристаллохимии (например, Са, С и О в кальците, Na и С1 в галите). Более сложны и разнообразны парагенезисы элементов-примесей. Так, для гидроксидов Мп часто характерна примесь Ва и Со, для урановых минералов — Ra, для гипса — Sr. Причины образования подобных ассоциаций различны: сорбция, близость ионных радиусов, радиоактивный распад и др. Хорошо изучены также парагенные ассоциации элементов в континентальных отложениях, корах выветривания и почвах. Например, для солончаков характерен парагенезис Na, С1, S, Са, Mg, Sr, а из редких элементов местами также Mo, Zn, U, V, Li, В, Se, Br, J и др. Понятие парагенезиса элементов применимо и к более крупным системам — ландшафтам, бассейнам рек, всей биосфере.
Кроме парагенных различают запрещенные ассоциации элементов (отрицательный парагенезис), т.е. ассоциации, невозможные в данной системе.
Экстенсивные и интенсивные параметры физико-химической миграции
В термодинамике экстенсивными называют параметры, обладающие аддитивными свойствами — зависящими от размеров системы или фазы, от массы элементов (объем, энтропия, масса и т.д.). Интенсивные параметры, напротив, не обладают аддитивными свойствами и не зависят от размера системы или фазы (сила, давление, температура, химический потенциал и т.д.). Миграцию химических элементов, как и всякую работу, можно выражать через произведение экстенсивных и интенсивных параметров. В случае механической работы это F, S, где экстенсивный параметр путь — S, а интенсивный — сила F. В уравнении работы газа dA = P.dV, Р — давление — интенсивный параметр, a dV — изменение объема — экстенсивный и т.д.
Данное уравнение интенсивности миграции применительно к выветриванию было выведено А.И. Перельманом в 1940 г. и более подробно охарактеризовано в 1956 г. Член уравнения db играет важную роль в геохимии ландшафта при характеристике миграции. Из уравнения следует, что чем больше величина Ь, тем (при неизменности db) меньше интенсивность миграции. Так как величина b в общем зависит от кларка элемента, то можно сказать, что при сходных химических свойствах элемент с меньшим кларком мигрирует энергичнее (Se энергичнее S, Sr энергичнее Са и т.д.).
Для определения необходимо знать ее зависимость от времени, которая в большинстве случаев неизвестна. Однако если принять, что в изучаемом процессе интенсивность миграции постоянна (Рл = Const), то уравнение интегрируется:
где bj — содержание элемента л в системе до начала изучаемого процесса в момент времени t^; b2 — количество элемента в системе к моменту времени t2- Зависимость количества элемента л в системе от времени передается экспонентой (2.2). Эту формулу можно использовать для приблизительного расчета интенсивности миграции. Ориентировочные расчеты для коры выветривания влажных субтропиков Аджарии показали, что если принять длительность выветривания в 1 млн. лет (четвертичный период), то ежегодно из коры выносились миллионные доли от каждого грамма Si, А1, Са, Мп, К, Na, находящиеся в этом году в коре выветривания, и стотысячные доли от каждого грамма Mg.
Время миграции одинаково для всех элементов данной системы, поэтому можно рассчитать интенсивность миграции элемента л: относительно элемента у.
Уравнение интенсивности миграции применимо и для характеристики иммигра-
еского элемента в систему, его концентрации. При этом приобретает положительное значение, так как b2 > сЦ (напомним, что все построения предполагают постоянство интенсивности миграции, т.е. независимость от времени).
11 типоморфные ведущие элементы принцип подвижных компонентов
Еще в большей степени, чем на почвы, климат влияет на растительный покров, который также подчиняется закону зональности. Поэтому при выделении типов почв наряду с климатическими показателями часто используются и геоботанические. Еще в 1909 г. основатель почвенной школы Московского университета проф. А. И. Сабанин (1847—1920) предлагал классифицировать почвы по характеру растительного покрова, выделяя почвы вечнозеленолиственного, хвойно-лиственного, широколиственного, лугово-степного типов и т. д.
При этом следует иметь в виду, что и климат, и зависящая от него растительность являются лишь факторами почвообразования, они определяют те биогеохимические процессы (в первую очередь окислительно-восстановительные), которые составляют сущность почвы. Типы почв — это прежде всего типы разложения органических веществ, типы биогенной аккумуляции химических элементов. Необходимо также отметить, что, хотя размещение большинства типов почв подчиняется закону зональности, имеют значение и другие факторы, особенно состав горных пород. Поэтому конкретные границы типов почв на картах часто обусловлены не климатом, а геологическим строением, рельефом и т. д.
Геохимические классы почв. Геохимические критерии позволяют выделить таксономические единицы, более мелкие, чем ряды и типы; автор предложил именовать их классами. Условно принимается, что типы делятся на классы, хотя не исключено и существование промежуточных таксонов (тип—семейство—класс и т. д.).
Геохимическое своеобразие почв определяется несколькими типоморфными элементами или ионами. Один и тот же элемент типоморфен в одной почве и не типоморфен в другой. Например, железо типоморфно в почвах тундр и таежных болот и не типоморфно в почвах степей.
Из всех подвижных элементов типоморфными являются элементы, обладающие наибольшей миграционной способностью и накапливающиеся в данной почве. Остальные подвижные элементы приобретают как бы подчиненное значение. Так, в солончаках помимо солей натрия содержатся и соли кальция (кальцит и гипс), однако они не играют такой существенной роли, как более растворимые соли натрия. Поэтому в солончаках типоморфны натрий, сера, хлор, но не кальции. В черноземах, где солей натрия обычно мало, соли кальция начинают оказывать существенное влияние на почву, т. е. кальций становится типоморфным элементом. Менее подвижные кремний и алюминий имеют в данной почве второстепенное значение. Во влажных тропиках, где кальций почти нацело удален из почвы, типоморфны водородный ион и алюминий.
Это позволило сформулировать принцип подвижных компонентов, который применительно к почвам состоит в следующем: роль элемента в почве определяется его содержанием в ней и интенсивностью миграции.
При выделении классов почв большое значение приобретают кислотность и щелочность среды, так как условия миграции большинства химических элементов зависят от актуальной реакции природных вод, которая измеряется pH. Многие химические элементы, образующие катионы (катионогенные), легко мигрируют в кислых водах и хуже — в щелочных. К этой группе относятся преимущественно металлы — железо, медь, никель, кобальт и т. д. Химические элементы, образующие анионы (анионогенные), напротив, лучше мигрируют в щелочных водах, чем в кислых. Это неметаллы и часть металлов. Некоторые элементы в зависимости от степени окисления и pH могут быть и в катионной, и в анионной форме (например, цинк, алюминий, уран, молибден). Миграция части элементов практически не зависит от pH, так как они образуют очень легкорастворимые соединения, подвижные в водах любого состава (Na, Cl и др.). По кислотно-щелочным условиям почвенные воды разделяются на четыре основные группы.
Элементарный ландшафт (элементарная
Экогеосистема) как основная
Хорологическая единица биосферы Мировой
Суши
Изложенные факты показывают, как сильно меняется концентрация химических элементов в горных породах и почвах, насколько различны массы элементов, мигрирующих в поверхностных водах разных территорий и захватываемых в биологический круговорот в разных типах растительности. Неоднородность состава и строения биосферы особенно характерна для природной среды суши: всей Мировой суши, каждого континента и региона. Все более дробно разделяя территорию, можно выделить участки, в пределах которых выдерживается относительная однородность: одинаковые рельеф и горная порода, сходный микроклимат, однотипные почвы и растительность. Такой участок, являющийся хорологической (пространственной) единицей биосферы суши, был назван Б. Б. Полыновым (1956) элементарным ландшафтом. Для целей биогеохимии его можно рассматривать как самую мелкую хорологическую единицу биосферы Мировой суши и одновременно как элементарную экогеохимическую систему.
Элементарный ландшафт — самый мелкий природно-территориальный комплекс, в котором все компоненты (почвообразующие породы, почвы, поверхностные и грунтовые воды, живые организмы, воздух) связаны циклическими процессами обмена вещества. Селективная мобилизация химических элементов происходит благодаря биогеохимической деятельности организмов. Элементарные ландшафты (элементарные экогеосистемы) в свою очередь связаны между собой потоками масс элементов, переносящихся через атмосферу или посредством водной миграции по поверхности суши. По характеру межландшафтных связей выделяются две группы элементарных ландшафтов.
Внутриландшафтный массообмен между компонентами элементарной экогеосистемы, расположенной на возвышенных участках рельефа, происходит относительно независимо от соседних элементарных ландшафтов. Массообмен с окружающей территорией поддерживается только посредством переноса масс через тропосферу. Такие элементарные ландшафты называются геохимически автономными.
Главная черта всех циклических процессов массообмена химических элементов в биосфере — от глобальных до происходящих внутри элементарной эколого-геохимической системы — их незамкнутость. Поэтому массы элементов, выходящие из того или иного цикла массообмена в автономном ландшафте, переносятся поверхностными или грунтовыми водами в соседние ландшафты, находящиеся на более низких уровнях рельефа. Эта связь имеет лишь одно направление и осуществляется посредством миграционного потока масс. Элементарные ландшафты, систематически получающие с водным стоком дополнительное количество элементов, называются геохимически подчиненными.
Вынесенные из автономных ландшафтов массы химических элементов включаются в биогеохимические процессы, происходящие в геохимически подчиненных экогеосистемах. Связь массопо-током серии элементарных ландшафтов, находящихся на разных уровнях рельефа, получила название геохимического сопряжения. Это явление очень широко распространено. Примером может служить геохимическая связь низинных и верховых торфяников, рассмотренная в разд. 4.3. В результате геохимического сопряжения в поймы рек лесной зоны поступают дополнительные массы доступных для растений соединений азота, фосфора, калия, кальция, многие рассеянные элементы, вынесенные с площади водосбора реки. В степях на дне мелких депрессий рельефа формируются небольшие округлые конкреции оксидов железа и марганца, образованные за счет выноса этих элементов из окружающих ландшафтов. В тропиках, на низких, заболачиваемых в период дождей равнинах аналогичным путем формируются мощные латеритные плиты.
Огромное влияние оказывает геохимическое сопряжение на биологический круговорот. В растительности подчиненных ландшафтов содержание зольных элементов в несколько раз больше, чем в автономных. В некоторых случаях концентрация поступающих в результате геохимического сопряжения химических элементов настолько повышается, что это имеет отрицательные последствия. Во Вьетнаме обильные атмосферные осадки, выпадающие в горных районах, способствуют активному выщелачиванию фтора из горных пород. Этот элемент поступает в поверхностные воды, причем концентрация его небольшая и не влияет на здоровье населения горных районов. Стекающие на приморские равнины речные и грунтовые воды интенсивно испаряются, в результате чего концентрация фтора сильно возрастает, превышает допустимый уровень и вызывает многочисленные заболевания: от разрушения эмали зубов до острых форм флюороза у населения низких приморских равнин.
Типоморфные и индикаторные элементы.Геохимическое сопряжение осуществляется благодаря водной миграции и разные химические элементы оказывают неодинаковое влияние на этот процесс. Наиболее важную роль играют газообразные соединения элементов — углекислый газ, кислород, сероводород, — образующиеся в процессе жизнедеятельности организмов. Растворяясь в природных водах, газы определяют окислительно-восстановительные условия, которые контролируют растворимость многих химических элементов, главным образом металлов. В поймах рек, заболоченных депрессиях рельефа и других подобных геохимически подчиненных ландшафтах в восстановительной среде, при наличии в воде сероводорода происходит образование нерастворимых сульфидов железа и некоторых других металлов. В бескислородной среде, не содержащей сероводорода, но богатой углекислотой, большая часть этих металлов активно мигрирует. В кислородсодержащей окислительной среде металлы переходят в предельно окисленные формы, которые для железа, марганца, кобальта и некоторых других элементов также нерастворимы.
Весьма важное значение имеют элементы, в большом количестве растворяющиеся в поверхностных и почвенных водах и обусловливающие кислотно-щелочные условия. Это влияет на растворение или выпадение в осадок других элементов. Такие элементы называют типоморфными.
Чтобы элемент мог быть типоморфным, во-первых, его должно быть много. Поэтому типоморфными обычно являются главные химические элементы. Во-вторых, элемент должен находиться в такой форме, которая допускает его переход в растворимое состояние. Например, в некоторых ландшафтах очень много кварца. Кремний, входящий в прочную и устойчивую структуру этого минерала, с трудом освобождается, поступает в водный раствор в небольшом количестве и не может оказывать сильного воздействия на состав вод и растений, хотя его в ландшафте очень много. В-третьих, типоморфный элемент должен обладать способностью накапливаться в подчиненном ландшафте. Если элемент транзитно мигрирует, то его участие в геохимическом сопряжении весьма ограниченно. Например, значительные массы ионов хлора весьма активно мигрируют как в автономных, так и в подчиненных ландшафтах таежно-лесной зоны, не оказывая существенного влияния на геохимическое сопряжение. Но в пустынях в результате сильной испарительной концентрации ионы этого элемента часто играют ведущую роль в геохимическом сопряжении ландшафтов.
Рассеянные элементы, принимающие участие в биологической или водной миграции, не могут быть типоморфными из-за небольшого содержания. В то же время они характеризуют процесс внутриландшафтного перераспределения, имеют важное значение как микроэлементы. Поэтому их можно называть индикаторными. Рассеянные металлы имеют кларк менее 0,01 %. Когда их концентрация возрастает в сотни и тысячи раз по сравнению с обычной, эти элементы могут играть роль типоморфных. Такие случаи бывают на выходах рудных месторождений, где содержание металлов сильно увеличено.
Биогеохимическая формула элементарного ландшафта.Существование и функционирование элементарной экогеосистемы возможно только благодаря обмену и перераспределению химических элементов. Следовательно, систему можно описать, если количественно выразить интенсивность перераспределения химических элементов между компонентами ландшафта.
Элементарный ландшафт имеет исходный запас химических элементов, содержащихся в почвообразующей породе. Содержание каждого элемента оценивается величиной кларка концентрации Кк. В результате процессов, протекающих в почве, часть химических элементов приобретает подвижность и вовлекается в водную миграцию и биологический круговорот. Эти миграции количественно характеризуются показателями перераспределения химических элементов, во-первых, между исходной почвообразующей породой и растительностью (Кб) и, во-вторых, между исходной почвообразующей породой и природной водой (КВ).
Исходя из сказанного, любой элементарный ландшафт может быть охарактеризован биогеохимической формулой, имеющей вид неправильной дроби. На месте целого числа указывается типоморфный элемент, в скобках после него — растворенный в воде газ. В числителе указываются индикаторные рассеянные элементы, у которых коэффициент биологического поглощения больше коэффициента водной миграции, в знаменателе — элементы с обратными соотношениями Кб и КВ. Таким образом, выделяются две основные для данного ландшафта группы индикаторных элементов, способствующие геохимическому сопряжению: первая — наиболее интенсивно вовлекаемые в биологический круговорот, вторая — в водную миграцию. Для отличия автономного элементарного ландшафта от подчиненного в формуле последнего возле типоморфного элемента ставится знак «*».
обозначает автономный элементарный ландшафт — ландшафт высоких предгорных равнин, в котором перераспределение химических элементов происходит при наличии большого количества ионов кальция в поверхностных водах и свободного доступа кислорода, т.е. в слабощелочной окислительной среде. В биологический круговорот наиболее активно вовлекаются молибден, медь, цинк, марганец, а в поверхностные и грунтовые воды интенсивно поступает стронций.
На территории Северо-Восточного Предкавказья луговые ландшафты аллювиальных долин находятся в геохимическом подчинении по отношению к автономным ландшафтам предгорных высоких равнин (табл. 10.3).
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТТ
Кафедра геоэкологии и ландшафтного планирования
Учебно-методический комплект дисциплины: «Геохимия окружающей среды»
«___» _____________ 200 __ г.
Специальность 020804 Геоэкология
Стульцев Ю. К., доцент кафедры геоэкологии и ландшафтного
планирования, кандидат географических наук, доцент
Одобрен на заседании кафедры
«___» _________ 200 __ г. протокол № _________
1. Отличие геохимического мышления, от химического.
2. История развития геохимии окружающей среды.
3. Связь геохимии окружающей среды с другими науками.
Геохимия окружающей среды (ГОС) изучает содержание, распределение и миграцию химических элементов в верхней оболочке Земли, населенной животными и растительными организмами (биосфере) с позиции решения проблем охраны окружающей среды. В ГОС большое внимание уделяется миграции и концентрации химических элементов, происходящих в биосфере под воздействием антропогенных процессов.
Отличие геохимического мышления от химического
ГОС является составной частью науки геохимия ландшафтов, которая в свою очередь входит в другую крупную научную систему – общую геохимию. Очень часто геохимию определяют как химию Земли. В этом определении есть доля истины. Но есть и существенные различия между химией и геохимией. Простое перенесение всех химических закономерностей на поведение химических элементов в Земле не позволит ни объяснить их истинное поведение в различных оболочках, ни дать прогноз их поведения в результате каких-то изменившихся условий. Александр Ильич Перельман даже особо отмечает (1990) различия «химического» и «геохимического» мышлений. Выделяют следующие отличия поведения химических элементов в Земле, а точнее — даже в отдельных ее оболочках, от их поведения в лабораторных условиях:
Во-первых, это крайне неравномерная распространенность химических элементов в земной коре. В лабораториях обычно не возникает проблемы для осуществления реакций с равными молярными концентрациями элементов. В земной коре содержание одних элементов в миллиарды раз меньше, чем других. В этих условиях у части из них остаются нереализованными многие химические свойства. Так, элементы с малой концентрацией часто не могут образовать достаточное число собственных минералов, попадая в виде примесей (закономерных и случайных) в «чужие» минералы.
Во-вторых, многие внешние факторы, такие как температура, давление, освещенность и др., в условиях земной коры ограничены гораздо более узкими рамками, чем те, которые существуют в лабораториях. Разница будет особенно большой, если рассматривать не всю земную кору, а только ее внешнюю часть — биосферу, в которой обитают живые организмы. Следует отметить, что в экологической геохимии рассматривается в основном именно эта сфера Земли. Ограниченность изменения основных внешних факторов миграции ведет к ограничению проявления многих свойств элементов.
В-третьих, в определенной части земной коры химические элементы находятся не только в виде солей (минералов) или растворов, но и образуют довольно разнообразные формы нахождения — системы относительно устойчивых химических равновесий. Пока элементы остаются в этих системах, они не могут проявлять свои собственные свойства. Для этого должны быть разрушены формы совместного нахождения элементов (подробнее см. гл. 3). Многие из них в условиях отдельных оболочек Земли довольно устойчивы.
В-четвертых, в природных условиях практически никогда не происходят реакции только между отдельными определенными элементами. В них участвуют (хотя и в различной мере) очень многие химические элементы. (В соответствии с законом Кларка—Вернадского в каждом природном объекте присутствуют все химические элементы.) Конечно же, не все они, в прямом смысле, участвуют в определенных химических реакциях. Многие из этих элементов ускоряют или замедляют реакции, другие — создают определенные щелочно-кислотные и т.п. условия, часть из них входит в состав новых образований в виде закономерных и случайных примесей.
Следует также подчеркнуть, что в биосфере все химические реакции происходят или с участием живых организмов, или в среде, созданной под их влиянием. Это определяется одним из законов Владимира Ивановича Вернадского и еще раз подчеркивает отличие процессов, происходящих в биосфере, от реакций, осуществляемых в лабораториях, а также от реакций, идущих в других оболочках и ядре Земли.
