Текст
Московский государственный университет
А.И. Перельман, Н.С. Касимов
ГЕОХИМИЯ
ЛАНДШАФТА
Учебник
Москва --- 1999
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОТ АВТОРОВ
ВВЕДЕНИЕ
Ландшафтно- геохимические системы
Матричный принцип организации геохимической информации
История геохимии ландшафта
Место геохимии ландшафта в системе наук
ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА
Глава 1. РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Контрольные вопросы
Глава 2. ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ МИГРАЦИИ
ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛАНДШАФТАХ
Контрольные вопросы
Глава 3. БИОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ
3.1. Образование живого вещества (автотрофный биогенез по М. А. Глазовской)
3.2. Разложение органических веществ в ландшафте
3.3. Биологический круговорот элементов (БИК)
3.4. Биосфера
Контрольные вопросы
.Глава 4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МИГРАЦИЯ
4.1. Общие особенности физико- химической миграции
4.2. Воздушная миграция
4.3. Водная миграция
Контрольные вопросы
Глава 5. МЕХАНИЧЕСКАЯ МИГРАЦИЯ
Контрольные вопросы
ЧАСТЬ II. ГЕОХИМИЯ ПРИРОДНЫХ ЛАНДШАФТОВ
Глава 6. ГЕОХИМИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИРОДНЫХ ЛАНДШАФТОВ
6.1. Общие принципы геохимической классификации ландшафтов
6.2. Классификация элементарных ландшафтов
6.3. Классификация геохимических ландшафтов
Контрольные вопросы
Глава 7. ЛЕСНЫЕ ЛАНДШАФТЫ
7.1. Влажные тропики
7.1.1. Биологический круговорот
7.1.2. Систематика
7.2. Ландшафты широколиственных лесов
7.2.1. Биологический круговорот
7.2.2. Систематика
7.3. Таежные ландшафты
7.3.1. Биологический круговорот
7.3.2. Атмосферная миграция
7.3.3. Систематика
Умеренно- континe нтальная тайга
Континентальная сибирская тайга (без многолетней мерзлоты)
Таежно- мерзлотные ландшафты
Контрольные вопросы
Глава 8. ОБЩИЕ ЧЕРТЫ ВОДНОЙ И ВОЗДУШНОЙ МИГРАЦИИ
В СТЕПЯХ И ПУСТЫНЯХ
8.1. Засоление ландшафтов
8.2. Рассоление ландшафтов
Контрольные вопросы
Глава 9. СТЕПНЫЕ И ЛУГОВЫЕ ЛАНДШАФТЫ
9.1. Степные ландшафты
9.1.1. Биологический круговорот
9.1.2. Элювиальные почвы, коры выветривания, континентальные отло-
жения 9.1.3. Черноземные степи
9.1.3.1. Европейские луговые степи
9.1.3.2. Средние и южные европейские черноземные степи (все
отделы) 9.1.4. Сухие степи
9.1.4.1. Северные европейские и казахстанские сухие степи
9.1.4.2. Южные сухие степи
9.1.4.3. Геохимические проблемы здоровья населения и сель-
ского хозяйства в сухих степях
9.1.5. Общие черты латеральной миграции элементов в степях
9.1.6. Субтропические степи
9.2. Горнолуговые ландшафты
9.3. Лесостепные ландшафты
9.3.1. Европейская лесостепь
9.3.2. Дальневосточная лесостепь (амурские прерии)
9.3.3. Западносибирско- североказахстанская лесостепь
9.3.3.1. Геохимические ландшафты кальциевого (Са) и пере-
ходного (Н---Са) классов
9.3.3.2. Ландшафты кальциево- содового класса (Са---Na---
HCO3-)
9.3.3.3. Ландшафты кальциево- магниевого класса
9.3.4. Якутская мерзлотная лесостепь
9.3.5. Забайкальско-Монгольская лесостепь
Контрольные вопросы
Глава 10. ПУСТЫННЫЕ ЛАНДШАФТЫ
10.1. Полярные пустыни
10.2. Высокогорные пустыни (тибетско-памирские)
10.3. Суббореальные пустыни (казахстанско- монгольские)
10.3.1. Пустыни кальциевого (Са2+) и кальциево- натриевого (Са2+-
Na+) классов
10.3.2. Пустыни солонцового (Na+ - ОН-) класса
10.3.3. Гипсовые пустыни (Са2+-SО2-4) класса
10.3.4. Солончаковые пустыни
10.4. Субтропические (средиземноморские) пустыни
Контрольные вопросы
Глава 11. ТУНДРОВЫЕ ЛАНДШАФТЫ
11.1. Тундровый тип ландшафта
11.1.1. Тундровая деградация
11.1.2. Биологический круговорот
11.1.3. Систематика
11.1.4. Лесотундровые и тундрово- таежные ландшафты
11.2. Верховые болота
Контрольные вопросы
Глава 12. ПРИМИТИВНО-ПУСТЫННЫЕ ЛАНДШАФТЫ
Контрольные вопросы
Глава 13. АБИОГЕННЫЕ ЛАНДШАФТЫ
Контрольные вопросы
ЧАСТЬ III. ПАЛЕОГЕОХИМИЯ И ИСТОРИЧЕСКАЯ ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА
Глава 14. ПРЕДМЕТ, МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ПАЛЕОГЕОХИМИИ И
ИСТОРИЧЕСКОЙ ГЕОХИМИИ ЛАНДШАФТА
14.1. Прямые методы исследования
14.2. Косвенные методы исследования
14.3. Типы геохимической эволюции ландшафтов (в зависимости от изменения
климатических и тектонических условий)
14.4. Палеогеохимические ландшафтные карты
Контрольные вопросы
Глава 15. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ
ЭВОЛЮЦИИ БИОСФЕРЫ И ЛАНДШАФТОВ
Контрольные вопросы
Глава 16. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЭПОХИ
16.1. Абиогенный этап
16.2. Биогенный этап
16.2.1. Восстановительная стадия эволюции ландшафтов (архей, проте-
розой, нижний рифей 3,5---1,4 млрд. лет назад)
16.2.2. Окислительная стадия эволюции ландшафтов. Примитивные
пустыни с окислительной средой (рифей, начало палеофита 1,4---0,4 млрд.лет
назад) 16.2.3. Окислительно- восстановительная стадия эволюции ландшафтов
(палеофит, мезофит, кайнофит --- 0,4 млрд. лет назад --- современная эпоха)
Геохимические эпохи верхнего палеофита (девон, карбон и
нижняя пермь --- 410---200 мнл. лет назад)
Геохимические эпохи мезофита (верхняя пермь триаса, юра и
нижний мел --- 250---100 млн. лет назад)
Геохимические эпохи кайнофита (верхний мел --- современная
эпоха --- 100--0 млн. лет)
Контрольные вопросы
Глава 17. ИСТОРИЧЕСКАЯ ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТОВ
РОССИИ, КАЗАХСТАНА И РЕСПУБЛИК СРЕДНЕЙ АЗИИ
17.1. Историко-геохимическая ландшафтная карта
17.2. Историческая геохимия казахстанских степей и пустынь
17.3. Историческая геохимия ландшафтов Средней Азии в мезофите и кайнофите
Контрольные вопросы
ЧАСТЬ IV. ГЕОГРАФИЯ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ЛАНДШАФТОВ
Глава 18. ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗМЕЩЕНИЯ ПРИРОДНЫХ
ГЕОХИМИЧЕСКИХ ЛАНДШАФТОВ
18.1. Климат
18.2. Геологическое строение
18.3. Рельеф
18.4. Зональность
Контрольные вопросы
Глава 19. ЛАНДШАФТНО-ГЕОХИМИЧЕСКОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ И
РАЙОНИРОВАНИЕ
19.1. Ландшафтно-геохимические карты
19.2. Ландшафтно-геохимические основы систематики и картографирования биогеохи-
мических провинций
Контрольные вопросы
ЧАСТЬ V. ГЕОХИМИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ
Глава 20. ТЕХНОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ (ТЕХНОГЕНЕЗ)
20.1. Техногенные процессы
20.1.1. Два геохимических типа техногенной миграции
20.1.2. Геохимическая классификация техногенных процессов
20.1.3. Техногенные источники загрязнения
20.1.4. Технофильность и другие показатели техногенеза
20.1.5. Техногенные геохимические аномалии
20.1.6. Техногенные зоны выщелачивания и геохимические барьеры
20.2. Техногенные и природно-техногенные системы
20.2.1. Техногенные почвы, илы, коры выветривания, водоносные горизонты
20.2.2. Геохимическая устойчивость и геохимическая совместимость техногенных
систем
20.3. Ландшафтно-геохимический мониторинг
20.4. Оптимизация техногенеза
20.4.1. Оптимизация биологического круговорота
20.4.2. Оптимизация круговорота воды
20.4.3. Комплексное использование сырья
20.5. Геохимия ландшафта, история цивилизации и археология
Контрольные вопросы
Глава 21. ГОРОДА И ГОРОДСКИЕ ЛАНДШАФТЫ
21.1. Систематика городов и городских ландшафтов
21.1.1. Геохимические принципы эколого-географической систематики городов
21.1.2. Геохимическая систематика городских ландшафтов
21.2. Эколого-геохимические оценки состояния городов
21.2.1. Оценка природного геохимического фона окружающей территории
21.2.2. Ландшафтно-геохимический анализ состояния городов
Атмосферные выпадения
Атмотехногенное загрязнение снежного покрова
Геохимия почвенного покрова
Биогеохимия городской среды
Техногенные потоки в водах и донных отложениях
Контрольные вопросы
Глава 22. ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫЕ ЛАНДШАФТЫ
22.1. Геохимическая систематика ГПЛ
22.2. Геохимия отдельных ГПЛ
22.2.1. ГПЛ нефтяных, угольных и газоносных месторождений
22.2.2. ГПЛ рудных месторождений
22.2.3. ГПЛ в районах добычи агрономических руд
Контрольные вопросы
Глава 23. АГРОЛАНДШАФТЫ (АГРОТЕХНОГЕНЕЗ)
23.1. Химизация сельского хозяйства
23.2. Гидромелиорации
23.3. Прочие виды агротехногенеза
23.4. Геохимическая систематика агроландшафтов
Контрольные вопросы
Глава 24. ЛАНДШАФТЫ, ЗАГРЯЗНЕННЫЕ РАКЕТНЫМ ТОПЛИВОМ
Контрольные вопросы
Глава 25. ГЕОХИМИЯ АКВАЛЬНЫХ ЛАНДШАФТОВ
25.1. Аквальные ландшафты в каскадных системах
25.2. Техногенез в аквальных ландшафтах
25.3. Геохимическая структура и систематика аквальных ландшафтов
25.3.1. Компоненты аквального ландшафта
25.3.2. Геохимическая систематика аквальных ландшафтов
25.4. Аквальные ландшафты рек
25.5. Водохранилища
25.6. Дельты
25.7. Прибрежные ландшафты морей
25.7.1. Геохимический барьер "река --- море"
25.7.2. Техногенные потоки поллютантов в ландшафтно-геохимической системе
"побережье --- морская бухта"
25.7.3. Эколого-геохимические последствия подъема уровня моря
Контрольные вопросы
Глава 26. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ
ГЕОХИМИИ ЛАНДШАФТА
26.1. Направления картографирования и типы карт
26.2. Карты ландшафтно-геохимических условий миграции радионуклидов (РН) и разме-
щения предприятий атомной промышленности
26.3. Эколого-геохимическое компьютерное картографирование
Контрольные вопросы
ЧАСТЬ VI. ГЕОХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛАНДШАФТАХ
Глава 27. ГЕОХИМИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПО
ОСОБЕННОСТЯМ ИХ МИГРАЦИИ В ЛАНДШАФТАХ И БИОСФЕРЕ
Контрольные вопросы
Глава 28. ВОЗДУШНЫЕ МИГРАНТЫ
28.1. Элементы, образующие химически активные газы --- O, H, C, N, J
28.2. Инертные газы --- Ar, Ne, Kr, He, Rn (пассивные воздушные мигранты)
Контрольные вопросы
Глава 29. ПОДВИЖНЫЕ И СЛАБОПОДВИЖНЫЕ ЛИТОФИЛЬНЫЕ ВОДНЫЕ
МИГРАНТЫ
29.1. Очень подвижные анионогенные элементы с постоянной валентностью --- галогены
(Cl и Br)
29.2. Очень подвижный анионогенный элемент с переменной валентностью --- S
29.3. Подвижные катионогенные элементы с постоянной валентностью --- Ca, Na, Mg, Sr,
Ra 29.4. Подвижные анионогенные элементы с постоянной валентностью --- F и В
29.5. Слабоподвижные катионогенные элементы --- K, Ba, Li, Rb, Be, Cs, Tl
29.6. Слабоподвижные анионогенные элементы --- Si, P, Ge, Sn, Sb, As
Контрольные вопросы
Глава 30. ХАЛЬКОФИЛЬНЫЕ И СИДЕРОФИЛЬНЫЕ ВОДНЫЕ МИГРАНТЫ
30.1. Катионогенные элементы, подвижные и слабоподвижные
в окислительной и глеевой обстановках, инертные в восстановительной сероводород-
ной среде --- Zn, Cu, Ni, Pb, Cd, Jn, Hg, Ag, Bi
30.2. Анионогенные элементы подвижные и слабоподвижные в окислительной обстановке
и инертные в восстановительной --- V, U, Mo, Se, Au, Re
30.3. Катионогенные элементы, подвижные в глеевой обстановке и инертные в окисли-
тельной и
сероводородной --- Fe, Mn, Co
Контрольные вопросы
Глава 31. МАЛОПОДВИЖНЫЕ И СЛАБОИЗУЧЕННЫЕ ЛИТОФИЛЬНЫЕ И
СИДЕРОФИЛЬНЫЕ
ВОДНЫЕ МИГРАНТЫ
31.1. Малоподвижные элементы-комплексообразователи и гидролизаты, мигрирующие с
органическими комплексами, частично в сильнокислых и сильнощелочных водах --- Al, Ti,
Cr, Tr, Y, Ga, Th, Sc
31.2. Малоподвижные комплексообразователи, частично мигрирующие в сильнощелоч-
ных содовых водах --- Zr, Hf, Nb, Ta, W, Te и плохо изученные платиноиды
Контрольные вопросы
Глава 32. ГЕОХИМИЯ ИСКУССТВЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ В ЛАНДШАФТАХ
32.1. Источники радионуклидного загрязнения
32.2. Основные процессы миграции и концентрации искусственных радионуклидов в
ландшафтах
Контрольные вопросы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
ЛИТЕРАТУРА
От авторов
После того как в серии блестящих статей 40---50-х годов Б.Б. Полынов сформу-
лировал основные идеи и положения геохимии ландшафта, ее дальнейшее разви-
тие во многом зависело от систематического изложения основ этой новой науки и
успехов практического приложения.
Особенностью развития геохимии ландшафта в нашей стране явилось то, что ее
теория и методы были изложены в университетских учебниках и учебных пособи-
ях. Один из авторов (А.И. Перельман) преподавал геохимию ландшафта на гео-
графическом факультете Московского университета с 1951 года (на геологиче-
ском факультете --- с 1992 г .). В 1955 году появилось первое монографическое
изложение основ новой науки ("Очерки геохимии ландшафта"). В это время успе-
хи геохимии ландшафта были связаны с поисками полезных ископаемых. В
нескольких изданиях учебного пособия "Геохимия ландшафта" (1961, 1966, 1975
гг.) были сформулированы главные концепции науки, основанные на идеях В.И.
Вернадского и Б.Б. Полынова: ведущая роль живого вещества в миграции атомов
в природном ландшафте и биосфере в целом, связь геохимии элементов с их клар-
ками, историзм, идея круговоротов, представления о ландшафтно-геохимических
системах и геохимических барьерах, новые принципы геохимической классифика-
ции элементов. Фундаментальное значение для развития геохимии ландшафта
имели труды М .А. Глазовской по ключевым проблемам методологии и методики
науки: о классификации элементарных и местных ландшафтов (1964), развитию
представлений о ландшафтно- геохимических процессах, разработке основ ланд-
шафтно- геохимического районирования, теории геохимии техногенных ландшаф-
тов (1988) и др.
Как и все науки об атомах, геохимия ландшафта быстро развивалась и находила
новые области практического применения. В последние два десятилетия ведущее
значение приобрели проблемы окружающей среды. Поэтому по сравнению с
последним изданием (1975) книга дополнена главами о геохимии техногенных
ландшафтов --- городских, горнопромышленных, сельскохозяйственных и др.
Новые данные и теоретические обобщения последних 20 лет (в том числе и авто-
ров) позволили существенно переработать и другие разделы учебного пособия,
которое теперь издается уже от имени двух авторов.
Геохимия ландшафта, как и геохимия в целом, использует три методологиче-
ских подхода. Первый --- изучение процессов миграции химических элементов в
различных ландшафтах. Этим вопросам --- общим особенностям миграции, харак-
теристике биогенной, физико- химической и механической миграции посвящена
первая часть книги. Второй подход --- системный, исследование типов элементар-
ных и геохимических ландшафтов биосферы и ноосферы в целом, особенностей
поведения парагенных ассоциаций элементов в лесных, степных, тундровых и
других современных природных ландшафтах (часть II), а также в ландшафтах
прошлых геологических эпох (часть III). В IV части книги излагаются закономер-
ности размещения геохимических ландшафтов --- их география и картография.
В V части рассмотрены общие особенности техногенной миграции и геохимия
городских, горнопромышленных, аквальных и прочих техногенных ландшафтов.
Использован тот же подход, что и при характеристике природных ландшафтов ---
анализ биогенной, физико- химической и механической миграции элементов, но
теперь уже под влиянием техногенных факторов.
Острота экологических проблем вызвала "информационный взрыв" в изучении
техногенной миграции, и , как это часто происходит в подобной ситуации, уровень
теоретического обобщения существенно отстает от накопления фактического
материала. Этот уровень значительно ниже, чем в геохимии природных ландшаф-
тов. В отличие от последней пока еще не существует теоретических основ, равных
по значимости учению о биосфере, биогенной миграции, биологическом кругово-
роте атомов, разработанных В.И. Вернадским, Б.Б. Полыновым и их последовате-
лями. Казалось бы, такую роль для техногенных ландшафтов должна играть кон-
цепция ноосферы В.И . Вернадского, но, к сожалению, он не успел ее детально
разработать, хотя в последние годы жизни данной проблематике уделял много
внимания. Так, в статье "Несколько слов о ноосфере" великий натуралист писал,
что ему непонятно, как мысль, не будучи материей, может вызвать огромные
изменения на Земле. Здесь Вернадскому явно не хватало современных наук об
информации и управлении, кибернетики, синергетики и других наук, возникших
во второй половине ХХ столетия, но он как бы предчувствовал их появление. Со
дня смерти В.И . Вернадского прошло более полувека, и концепции ноосферы
уделялось немало внимания. Однако это относилось преимущественно к философ-
ской стороне вопроса, конечно, недостаточной для разработки обобщающей все-
сторонней теории ноосферы и техногенных ландшафтов. Частные построения в
данном направлении авторы изложили в отдельных главах этой книги, но они
хорошо сознают, что решение вопроса в целом составляет задачу дальнейших
исследований.
Последняя часть книги посвящена третьему методологическому подходу на-
шей науки --- геохимии отдельных элементов, в котором объектом исследования
является конкретный химический элемент, его поведение в разных процессах и
системах --- природных и техногенных геохимических ландшафтах, биосфере и
ноосфере. Среди прикладных вопросов главное внимание уделялось загрязнению
окружающей среды.
Для создания книги большое значение имели отзывы читателей, рецензии на
предшествующие издания в нашей стране, Польше, США, многолетний опыт
чтения лекций в Московском университете, а также лекции в Софийском, Вар-
шавском, Гаванском, Барселонском университетах, на курсах повышения квали-
фикации геологов- геохимиков при Министерстве геологии РСФСР.
Курс "Геохимия ландшафта" преподается на всех географических факультетах
университетов России и ряда стран СНГ. Главным образом он предназначен для
студентов второго и третьего курсов и требует знания основ геологических, обще-
географических и химических наук. Учебное пособие может использоваться сту-
дентами геологических, почвенных и экологических факультетов университетов, а
также специалистами смежных наук --- геохимии, почвоведения, агрохимии,
геоэкологии, общей и прикладной экологии и др. Особенность книги состоит в
том, что она предназначена не только для курса "Геохимия ландшафта" по на-
правлению "География", но и является базовым пособием для курса "Геохимия
окружающей среды" по направлению "Экология и природопользование", а также
спецкурсов "Геохимия природных и техногенных ландшафтов", "Гипергенные
геохимические системы", "Палеогеохимия ландшафта", "Геохимия элементов в
географической оболочке", читаемых на кафедре геохимии ландшафтов и геогра-
фии почв географического факультета МГУ и в других университетах.
Авторы признательны профессору Марии Альфредовне Глазовской за благоже-
лательное конструктивное обсуждение многих аспектов книги.
Авторы благодарят профессоров Н.Ф. Глазовского и В.В. Добровольского за
прочтение рукописи и ценные замечания, а также О.А . Самонову и О.Н . Оленину
за неоценимую помощь в подготовке рукописи к изданию.
Настоящее издание, как и предыдущие, посвящается памяти основателя геохи-
мии ландшафта Бориса Борисовича Полынова. Мы также посвящаем свой труд
научной молодежи, в руках которой будущее геохимии ландшафта. В преемствен-
ности поколений, в передаче идей авторы видят одну из важных и дорогих им
особенностей науки, залог ее непрерывного развития и успешного служения
людям.
Авторам всех прошлых и будущих замечаний, направленных на улучшение кни-
ги, мы выражаем искреннюю благодарность.
Москва, февраль 1998 г .
Авторы
Это последняя книга Александра Ильича Перельмана (1918---1998). Она была
полностью закончена нами при его жизни. Потом мною в текст внесены только
незначительные изменения.
Н.К.
ВВЕДЕНИЕ
И только в самое последнее время накопился
некоторый материал и были выработаны
приемы исследования, которые, как нам ка-
жется, уже позволяют приступить к по-
строению новой дисциплины.
...ландшафт мы должны рассматривать не
только как эффект взаимодействия природных
процессов, но и как систему, осуществляющую
работу этого взаимодействия. Б.Б . ПОЛЫНОВ
Быстрое развитие наук об атомах --- характерная особенность ХХ столетия.
Ныне физика, химия, биология, науки о Земле широко используют "атомистиче-
ский подход" --- изучение судьбы атомов в природных процессах. Прекрасным
примером служит возникшая в ХХ в . геохимия --- история атомов Земли. Другая
особенность современного естествознания --- возникновение новых направлений
на границе различных отраслей знания, когда методы и идеи разных наук взаимно
дополняют и обогащают друг друга. Так появились геохимия, геофизика, биохи-
мия, биофизика, биогеохимия и многие другие дисциплины. Геохимия ландшафта,
изучающая историю атомов в ландшафте, возникла в пограничной области между
геохимией и географией. Важное значение для становления и развития геохимии
ландшафта имели теория и методы докучаевского почвоведения.
Стремление получить целостное представление о миграции и концентрации хи-
мических элементов в ландшафте определяет роль и значение для теории и мето-
дологии геохимии ланшафта системного подхода, общей теории систем*. В этом
она сходна с такими науками, как экология, биогеоценология, общее ландшафто-
ведение, где важное значение приобрели такие понятия, как система, структура,
прямая и обратная связь, дифференциация, интеграция.
Большинство природных ландшафтов относится к биокосным системам, в кото-
рых живые организмы и неорганическая материя тесно между собой связаны и
взаимообусловлены. По степени сложности выделяется несколько уровней орга-
низации биокосных систем. К низшему "доландшафтному уровню" относятся
биокосные природные тела --- подсистемы ландшафта: почвы, коры выветривания,
континентальные отложения, поверхностные и грунтовые воды, приземная атмо-
сфера, являющиеся предметом изучения самостоятельных наук. Взаимодействие
этих тел создает новое качество, новую систему --- ландшафт. "Ландшафт" ---
такое же фундаментальное понятие, как химический элемент, живой организм,
почва, минерал. Для его исследования существует особая наука --- ландшафтове-
дение. Природный ландшафт --- это сложная неравновесная динамическая система
земной поверхности, в которой происходит взаимодействие и взаимопроникнове-
ние элементов лито-, гидро- и атмосферы. К "надландшафтным" уровням органи-
зации относятся биосфера Земли в целом, Мировой океан и др.
Деятельность человечества привела к преобразованию природных ландшафтов
в техногенные (культурные, антропогенные). Они относятся к более сложному
уровню организации со своей иерархией систем (техногенные почвы и грунтовые
воды, техногенные ландшафты, ноосфера).
*Становление общей теории систем как самостоятельной отрасли науки про-
изошло в 40---60-х годах и связано с трудами Л . Берталанфи, С. Бира, А. Ляпуно-
ва, У.Р. Эшби и др. Одним из ранних исследователей в этой области был русский
ученый А.А . Богданов, разработавший всеобщую организационную науку "текто-
логию" --- предтечу современной теории систем.
Важная особенность ландшафта, вытекающая из системного подхода, --- соот-
ветствие различных его компонентов друг другу, которое мы предложили имено-
вать когерентностью. В природных ландшафтах важнейшим фактором когерент-
ности является биологический круговорот атомов (сокращенно --- бик), который
связывает между собой все компоненты ландшафта и существенно видоизменяет
их. Поэтому чем интенсивнее бик, тем больше когерентность ландшафта. Высокая
степень когерентности характерна, например, для гумидных равнин, где расти-
тельность находится в полном соответствии с особенностями почв и вод. В ланд-
шафтоведении это явление нередко обозначалось как "состояние равновесия в
ландшафте". Однако, как будет показано в этой книге, ландшафт является прин-
ципиально неравновесной системой. Это связано с непрерывным поступлением в
ландшафт солнечной энергии и ее трансформацией в энергию геохимических
процессов. Неравновесность характерна и для механических процессов, о чем
свидетельствуют постоянно текущие реки, ветры, несущие песок и пыль, многие
другие явления. Поэтому трактуемое в трудах по географии "равновесие в ланд-
шафте" в подавляющем большинстве случаев обозначает иное явление --- стацио-
нарность ландшафта.
Наряду с высококогерентными ландшафтами имеются ландшафты с крайне низ-
кой когерентностью, к которым относятся, например, многие пустыни. Действи-
тельно, состав почв здесь может быть слабо связан с деятельностью растительно-
сти и больше зависеть от состава горных пород. Воды в пустынях также слабо
зависят от процессов разложения органических веществ, их состав больше подчи-
няется закономерностям растворения, ионного обмена, испарения.
Помимо бика, когерентность зависит и от других факторов, например от релье-
фа. Так, при прочих равных условиях горные ландшафты менее когерентны, чем
равнинные. Играет роль и геологическое строение, причем не только состав гор-
ных пород, но и структурный фактор (разломы и др.). Например, ландшафты на
гранитоидах и известняках, соприкасающихся по тектоническому контакту, будут
менее когерентными, чем ландшафты только на известняках или только на грани-
тоидах.
Понятие о когерентности применимо и к анализу антропогенных (техногенных)
ландшафтов. По сравнению с природными ландшафтами в одних случаях в них
когерентность резко возрастает, например, при превращении пустыни в оазис, в
других --- резко уменьшается. Последнее, в частности, находит выражение в
загрязнении окружающей среды, а в ряде случаев и в резко деструктивной эволю-
ции ландшафта (сильная эрозия, пыльные бури и др.). Отсюда ясна важность
понятия о когерентности для антропогенного ландшафтоведения и геохимии
техногенных ландшафтов.
С когерентностью во многом связана самоорганизация ландшафтов --- тот ме-
ханизм обратных связей миграции атомов, который определяет целостность и
качественное своеобразие ландшафта, существование в нем саморегулирования. В
ландшафте процессы самоорганизации определяют устойчивость, постоянство
структуры и функций, их сохранение при изменении внешних условий. Последнее
получило наименование "относительной самостоятельности ландшафта". Изуче-
ние самоорганизации ландшафтов важно не только в теоретическом отношении,
но и для решения экологических задач.
В последнее десятилетие оформилась особая наука, изучающая процессы само-
организации в различных системах --- синергетика. В природе самоорганизация
наиболее ярко выражена в живых организмах, в которых она обеспечивается на
основе нервной, кровеносной и других систем. Привлекает внимание также синер-
гетика географических и геологических систем (А .Д. Арманд, Ф.А. Летников и
др.). Весьма актуальны проблемы синергетики и в геохимии ландшафта.
Важной характеристикой систем является их структура, т . е. совокупность со-
ставных частей и способ связи между ними. В определении географии как науки
нередко подчеркивается, что это наука о связях между телами и явлениями на
земной поверхности (или в земной коре в целом). По совершенству связей ланд-
шафт сильно уступает таким системам, как кристаллы, атомы, организмы. Ланд-
шафт --- это система не только с другой природой связей, но и с более "расшатан-
ными" связями, более слабой интеграцией.
В кибернетике связи разделяются на прямые и обратные, а последние ---на по-
ложительные и отрицательные. Для прямой (односторонней) связи характерно
однонаправленное влияние отдельного тела (А) на другое (Б): А Э Б . К прямым
связям относится влияние солнечной энергии на Землю (обратным влиянием
Земли на Солнце можно пренебречь), почвенных процессов на формирование
коры выветривания, грунтовых вод на питание рек, отработки месторождений
полезных ископаемых на потребление элементов в промышленности и т .д.
Обратная связь относится к одному из основных понятий кибернетики, в кото-
рой она характеризуется как воздействие управляемого процесса на управляющий
орган (или влияние выходного сигнала системы на ее рабочие параметры). В
результате обратной связи происходит взаимодействие тел, когда не только А
влияет на Б, но и Б на А: А Э Б. Эти связи также характерны для ландшафтов. К
ним относится взаимодействие почва --- растение, растения --- животные, про-
мышленность --- сельское хозяйство и т .д. Обратная связь положительна, если
результат процесса усиливает его, система развивается и уходит от исходного
состояния. Примером служит засоление почв, при котором каждая новая порция
Рис.1. Строение элементарного ландшафта
Ярусы -- горизонты: 1 -- надземный растительный покров и животный мир; 2 -- почва;
3 -- кора выветривания; 4 -- горизонт грунтовых вод; 5 -- надземная атмосфера.
соли, поступившая в почву из грунтовых вод, ухудшает условия жизни растений,
способствует изрежению растительного покрова и благоприятствует испарению с
поверхности почвы, т . е . усилению засоления. При зарастании озер также наблю-
дается положительная обратная связь: отмирающие ежегодно растения служат
материалом для образования сапропеля, в результате глубина озера уменьшается
и зарастание увеличивается, озеро превращается в болото.При отрицательной
обратной связи результат процесса ослабляет его действие и способствует стаби-
лизации системы, восстановлению исходного состояния. Так, увеличение биопро-
дуктивности ландшафта приводит к увеличению продуктов разложения расти-
тельных остатков --- гумусовых кислот, которые выщелачивают из почвы пита-
тельные вещества, ухудшая тем самым условия жизни растений, что способствует
уменьшению растительной массы. Благодаря отрицательной обратной связи осу-
ществляется саморегулирование ландшафта: всякое отклонение от устойчивого
стационарного состояния вызывает в ландшафте изменения, уменьшающие это
отклонение. В этом находит проявление "обобщенный принцип Ле-Шателье",
согласно которому всякая стационарная система стремится измениться таким
образом, чтобы свести к минимуму эффект внешнего воздействия (формулировка
А.Л. Тахтаджяна).
В природных ландшафтах различаются биотические обратные связи (между
компонентами биоценоза) и биокосные (между живым и косным веществом).
Кроме характера связи (прямые или обратные) необходимо также учитывать
важность тех или иных связей в ландшафте, так как одни имеют ведущее значе-
ние, а другие --- второстепенное.
В общей теории систем выделяются "централизованные системы", для которых
характерен "структурный центр", играющий ведущую роль в данной системе
(например, Солнце в солнечной системе). Структурный центр определяет связи,
единство и управление в системе. К централизованным системам относятся выс-
шие животные (центр --- мозг), атом (ядро), клетка (ядро), предприятие (дирек-
ция), армия (штаб, командующий). Возможны бицентрические и полицентриче-
ские системы. Большинство ландшафтов относится к централизованным системам.
В природном ландшафте центром часто служат почвы и растительность водораз-
Рис. 2. Основные типы элементарных ландшафтов (по Б.Б. Полынову с дополнениями М.А. Глазов-
ской): 1 --- поступление вещества в ландшафт (из атмосферы, грунтовых вод); 2 --- удаление веществ
из ландшафта в атмосферу, грунтовые и поверхностные воды
дельных участков ("водораздельный центр"), определяющие многие геохимиче-
ские особенности ландшафтов более низких гипсометрических уровней. Техно-
генные ландшафты, как правило, полицентричны: наряду с "
водораздельным
центром" функции центра выполняют источники техногенного воздействия, сис-
тема управления городом, предприятием, фермой и т .д. Понятия о ландшафтно-
геохимической системе и структуре являются фундаментальными в геохимии
ландшафта.
Связи между частями ландшафта осуществляются в процессе миграции вещест-
ва, энергии и передачи информации. Уже в середине столетия стало ясно, что в
каждой системе надо изучать поток вещества и энергии, т . е . изучать систему "на
вещественно- энергетическом уровне". Современная научно- техническая револю-
ция выявила также большое значение информационных связей. Нельзя сказать,
что ранее они игнорировались при изучении ландшафтов. Когда утверждалось,
что глинистая пустыня однообразна, а природа влажных тропиков исключительно
разнообразна, по существу речь шла о том, что в пустынях количество информа-
ции меньше, чем в тропиках. Ныне информацию рассматривают как одно из фун-
даментальных понятий науки наряду с "веществом" и "энергией". Существует
мнение, что главным научным понятием в ХХI в . будет именно информация.
Подчеркивается, что ни вещество, ни энергия без информации не существуют.
Виды информации, в общем, отвечают формам движения материи. Так говорят
о неорганической информации (информация в неживой природе), биологической и
социальной. Этот ряд соответствует увеличению как количества, так и сложности
информации (наибольшее количество и разнообразие видов информации --- в
человеческом обществе).
Во всех ландшафтах протекают информационные процессы, но проявляются
они неодинаково. В более простых случаях имеет место только сбор, хранение,
передача и выдача информации, а в более сложных --- и ее переработка. Воздейст-
вие циркулирующей информации на поведение системы называется управлением
(А .А. Ляпунов). Огромную роль управление играет в техногенных ландшафтах,
которые являются управляемыми системами, меньшую --- в природных ландшаф-
тах. В некоторых из них, например в абиогенных ландшафтах, возможно, управ-
ление отсутствует.
Информационный характер процессов определяет необходимость использова-
ния для изучения ландшафтов методов кибернетики и применение ЭВМ.
Таким образом, при изучении геохимии ландшафтов необходимо выявлять их
прямые и обратные связи (положительные и отрицательные), анализировать их
самоорганизацию и саморегуляцию, оценивать целостность, упорядоченность,
централизацию и другие информационные показатели.
Характерной особенностью больших систем, к числу которых принадлежит
ландшафт, является огромное число случайных факторов, влияющих на их разви-
тие ("капризы погоды" и т .д.). В связи с этим многие процессы в ландшафте носят
вероятностный характер, что определяет большую роль теории вероятности в их
исследовании. С другой стороны, в этой сложной системе имеется и немало де-
терминированных процессов.
ЛАНДШАФТНО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
По уровням организации и тесноте связей среди ландшафтно- геохимических
систем выделяются элементарные и сложные (каскадные) системы.
Элементарные ландшафтно- геохимические системы (элементарные ланд-
шафты). Изучение земной поверхности привело к представлению о единицах, из
которых построена эта поверхность, своего рода "атомах ландшафта". Разные
ученые давали им разные наименования. У Б.Б. Полынова это был "элементарный
ландшафт", у И.В. Ларина --- "микроландшафт", у Л.С. Берга и Н.А. Солнцева ---
"фация", у В.Н. Сукачева --- "биогеоценоз". М.А. Глазовская такие единицы назы-
вает "элементарными ландшафтно- геохимическими системами" (ЭЛГС) и считает,
что их целостность обеспечивается более тесными внутренними миграционными
связями, чем между соседними элементарными системами. В дальнейшем мы
будет употреблять термин "элементарный ландшафт", в качестве главного крите-
рия выделения которого Б .Б. Полынов предложил однородность почвы. По Б .Б.
Полынову (1953) --- элементарный ландшафт в своем типичном проявлении
должен представлять один определенный тип рельефа, сложенный одной поро-
дой или наносом и покрытый в каждый момент своего существования определен-
ным растительным сообществом. Все эти условия создают определенную раз-
ность почвы и свидетельствуют об одинаковом на протяжении элементарного
ландшафта развитии взаимодействия между горными породами и организмами.
Характерная особенность элементарного ландшафта состоит в том, что в нем
нет каких- либо внутренних причин, ограничивающих его размеры. Отсюда кри-
терий выделения элементарного ландшафта: при отнесении какого- либо участка
земной поверхности к элементарному ландшафту необходимо учитывать возмож-
ность (хотя бы мысленную) распространения данного элементарного ландшафта
на значительно большей территории (А.И. Перельман). Поэтому пятно солончака
площадью 10 м2 является элементарным ландшафтом, так как известны солончаки
размером в десятки и сотни раз больше. Элементарными ландшафтами являются
такыр, ельник- зеленомошник на валунных суглинках, луговая степь на лёссах и
т .д., размеры которых могут колебаться от квадратных метров до сотен и тысяч
квадратных километров. Однако на земной поверхности встречаются образования,
размеры которых ограничены самой их природой. Так, кочку на болоте нельзя
представить увеличенной в сотни и тысячи раз (длиной в несколько километров).
Это относится и к муравейнику, дереву, норе землероя. Такие образования Полы-
нов предложил называть предельными структурными элементами ландшафта или
деталями ландшафта. Они входят в состав элементарного ландшафта, который
определяется Б.Б. Полыновым (1953) как "участок, на протяжении которого со-
храняется не только тип, но и разность почвы или повторение таких сочетаний
почв, которые обусловливаются сочетаниями определенных предельных элемен-
тов ландшафта".
Наименьшая площадь, на которой размещаются все части элементарного ланд-
шафта, именуется площадью выявления. Чем сложнее элементарный ландшафт,
чем интенсивнее в нем протекает миграция химических элементов, чем больше
видовое и прочее разнообразие, т . е . чем больше в нем информации, тем больше и
площадь выявления. Поэтому наименьшие площади выявления характерны для
пустынь без высшей растительности (шоровые солончаки, такыры), а наибольшие
--- для лесных ландшафтов влажных тропиков с их огромным видовым
разнообразием (биологической информацией). Площадь выявления --- это важная
константа, имеющая большое значение для классификации элементарных
ландшафтов.
Под мощностью элементарного ландшафта понимается расстояние от его верх-
ней до нижней границы (рис. 1). Верхняя граница находится в тропосфере и опре-
деляется зоной распространения пыли земного происхождения (из данного или
соседнего ландшафта), обитания организмов. Нижней границей в ряде случаев
является горизонт грунтовых вод (включительно). Мощность элементарного
ландшафта колеблется в значительных пределах и в общем подчиняется тем же
закономерностям, что и площадь выявления: чем разнообразнее элементарный
ландшафт, т . е . чем больше в нем информации и чем она сложнее, тем больше и
мощность (мощность мала на такыре и велика в экваториальном лесу).
Вследствие миграции химических элементов элементарный ландшафт неодно-
роден в вертикальном направлении, что создает радиальную геохимическую
структуру (ярусы), характеризующуюся рядом ландшафтно- геохимических коэф-
фициентов (R-анализ). Не все ярусы имеются в каждом элементарном ландшафте.
В некоторых из них отсутствует водоносный горизонт (т . е . он находится за пре-
делами ландшафта), в других он совмещен с почвой (поймы, некоторые болота), в
третьих кора выветривания совмещена с почвой и т .д. Каждый ярус отличается от
другого химическим составом. Более того, вертикальная дифференциация харак-
терна и для отдельных ярусов. Так, горизонты одной и той же почвы обладают
различным составом и различными физико- химическими условиями. Не менее
дифференцирован и растительный покров, состоящий из ярусов (например, ярус
мхов и ярус деревьев в тайге). Наиболее контрастна в вертикальном профиле
ЭЛГС дифференциация подвижных форм химических элементов. Поэтому резкая
дифференциация вещества и физико- химических условий по вертикали составляет
характерную особенность элементарного ландшафта, его структуру.
Нетрудно убедиться, что структура тесно связана с информацией: чем сложнее
структура ландшафта, чем больше в нем ярусов, горизонтов, природных тел, тем
он разнообразнее, т . е . обладает большим количеством информации.
К числу морфологических признаков относится и окраска ландшафта. Она на-
шла многообразное отражение в искусстве, особенно в живописи. Однако в гео-
химическом отношении этот вопрос почти не разработан, хотя пути исследования
были намечены А.Е. Ферсманом в книге "Цвета минералов" (1936) и других тру-
дах.
Дальнейшее изучение морфологии элементарного ландшафта, установление но-
вых характеристик, широкое использование при этом теории информации ---
актуальная задача геохимии ландшафта и ландшафтоведения в целом.
По условиям миграции химических элементов Б.Б. Полынов выделил три ос-
новных элементарных ландшафта (рис. 2) --- элювиальный, супераквальный (над-
водный) и субаквальный (подводный).
Элювиальный ландшафт приурочен к плоским водоразделам с глубоким залега-
нием грунтовых вод, не оказывающих заметного влияния на бик. Вещество и
энергия в этом случае поступают из атмосферы и через атмосферу. Характерны
прямые нисходящие водные связи. В элювиальных почвах происходит вмывание
растворимых веществ и образование иллювиальных горизонтов. Каким бы пло-
ским ни был водораздел, все же с него возможен смыв, в связи с чем в ходе своей
истории почва постепенно теряет верхнюю часть горизонта А и
почвообразовательные процессы глубже проникают в подстилающую породу. По
образному выражению Б.Б . Полынова, "водораздельные почвы как бы разъедают
эти водоразделы и снижают их превышение над базисом эрозии". Если
формирование ландшафтов продолжается в течение геологически длительного
времени и вынос протекает непрерывно, то под почвой образуется мощная кора
выветривания различного типа (латеритная, красноземная, каолиновая и т .д.).
Элювиальные условия определяют жизненные формы организмов и их видовой
условия определяют жизненные формы организмов и их видовой состав.
Для субаквальных (подводных) элементарных ландшафтов характерен принос
материала с твердым и жидким боковым стоком: речной или озерный ил растет
снизу вверх и может быть не связан с подстилающей породой. В субаквальных
ландшафтах наблюдаются особые жизненные формы растений и животных и
местами особые систематические группы. В водоемы поступают химические
элементы с прилегающих водосборов, в первую очередь наиболее подвижные
элементы, накопление которых типично для субаквальных ландшафтов. Местами
поступает избыточное количество растворимых соединений, с которыми организ-
мам приходится вести борьбу. Условия разложения остатков растений и животных
в элювиальных и надводных ландшафтах различны; различны и получающиеся
продукты (например, гумус и сапропель). Характерны обратные водные связи
(положительные и отрицательные).
Надводные (супераквальные) элементарные ландшафты отличаются близким
залеганием грунтовых вод. Последние оказывают существенное влияние на ланд-
шафт, т . к . поставляют различные вещества, вымытые из коры выветривания и
почв водоразделов. В супераквальных ландшафтах возможно значительное накоп-
ление химических элементов, обладающих наибольшей миграционной способно-
стью. Примером супераквальных ландшафтов служат солончаки с аккумуляциями
сульфатов, соды, хлоридов, нитратов и других солей. Поступление извне ряда
химических соединений оказывает глубокое влияние на интенсивность и направ-
ление химических реакций, на внешние формы, анатомию и физиологию организ-
мов, их общую массу. В супераквальных ландшафтах преобладают обратные
Рис. 3. Геохимический ландшафт
Ф --- наземный биоценоз; А --- приземная атмосфера; П --- почвы: а --- элювиальная, б --- суперакваль-
ная; И --- ил; КВ --- кора выветривания; ВГ --- водоносный горизонт; КО --- континентальные отло-
жения; ПВ --- поверхностные воды; связи: 1 --- водные, 2 --- воздушные, 3 --- биотические, 4 ---
биокосные, 5 --- водные и воздушные, 6 --- центр ландшафта, 7 --- нижняя граница ландшафта, 8 ---
коренные породы.
водные связи.
Продукты выветривания и почвообразования элювиального ландшафта посту-
пают с поверхностным и подземным стоком в пониженные элементы рельефа и
влияют на формирование надводных и подводных ландшафтов. Поэтому послед-
ние именуются подчиненными. Ландшафты водоразделов, напротив, менее зависят
от надводных и подводных ландшафтов, так как не получают от них химических
элементов с жидким или твердым стоком. Поэтому элювиальные ландшафты
водоразделов называются также автономными, их почвы и растительность обра-
зуют центр всего ландшафта.
Независимость автономных ландшафтов от надводных и подводных весьма ус-
ловна, так как поймы и водоемы оказывают определенное влияние на ландшафты
водоразделов через циркуляцию водяных паров, распространение туманов, пере-
нос ветром различных соединений, содержащихся в воздухе, миграцию флоры и
фауны с прибрежных участков на водораздельные и т . д. Поэтому автономность
водоразделов понимается именно в смысле отсутствия поступления жидкого и
твердого стока от надводных и подводных ландшафтов. Таким образом, различия
между автономными (элювиальными), надводными и подводными ландшафтами
заключаются в характере аккумулятивных процессов и водных связей: в автоном-
ных аккумуляция связана с поступлением веществ из горных пород и атмосферы,
а в надводных и подводных еще имеет место поступление из грунтовых и поверх-
ностных вод. Для автономных ландшафтов характерны прямые нисходящие вод-
ные связи, для подчиненных --- обратные (рис. 3).
Наряду с основными элементарными ландшафтами существуют многочислен-
ные переходные формы, приуроченные к склонам, поймам рек и т .д. Помимо
элювиальных (автономных) М .А. Глазовская различает трансэлювиальные (ланд-
шафты верхних частей склонов), элювиально- аккумулятивные (нижних частей
склонов и сухих ложбин), аккумулятивно- элювиальные (местных замкнутых по-
нижений с глубоким уровнем грунтовых вод). Супераквальные ландшафты она
делит на транссупераквальные и собственно супераквальные (замкнутых пониже-
ний со слабым водообменом), а субаквальные --- на трансаквальные (реки, про-
точные озера) и аквальные (непроточные озера).
Каскадные ландшафтно- геохимические системы. Идеи взаимосвязи между
компонентами почвенного покрова были заложены еще В.В. Докучаевым и Н.М.
Сибирцевым и развиты в трудах Г.Н . Высоцкого. П.С. Коссовича, С.С. Неструева,
Дж. Милна, Ч. Келлога, Т. Башнела и др. В географии почв это направление в
наиболее целостном виде нашло отражение в учении о структуре почвенного
покрова (В.М. Фридланд). В этих работах были введены понятия о почвенных
комбинациях, почвенных комплексах, почвенных цепях и катенах, отражающих
генетические и топологические связи почв с рельефом, горными породами, усло-
виями стока и дренажа.
Б.Б. Полыновым показано, что системообразующую роль в сопряженных почвах
и элементарных ландшафтах играет миграция химических элементов. В районах
со стоком водоразделы, склоны, долины, водоемы образуют единое целое, которое
Б.Б. Полынов назвал геохимическим ландшафтом (рис. 3). По А.И . Перельману,
геохимический ландшафт --- это парагенетическая ассоциация сопряженных эле-
ментарных ландшафтов, связанных между собой миграцией элементов. Примером
геохимического ландшафта может служить степной мелкосопочник с соленым
озером в понижении и солончаками по берегам этого озера, участок моренного
рельефа в таежной зоне, составными частями которого служат холмы, покрытые
хвойным лесом, заболоченные понижения, озера, реки.
Характерное для каждого геохимического ландшафта закономерное сочетание
элементарных ландшафтов называется его геохимическим сопряжением. Это
присущий геохимическому ландшафту тип обмена веществ, энергии и информа-
ции между элементарными ландшафтами.
И для геохимического ландшафта характерны площади выявления, мощность,
структура (комплекс элементарных ландшафтов и их геохимическое сопряжение),
окраска и другие морфологические признаки. Чем больше площадь выявления,
мощность, сложнее структура, пестрее окраска, тем больше разнообразия (инфор-
мации) в ландшафте.
Морфология геохимических ландшафтов рассматривалась Б.Б. Полыновым
(1953) и М .А. Глазовской (1964), которая предлагает определять мощность и
объемы ландшафтов, характеризовать степень горизонтального расчленения
ландшафтов, вслед за Полыновым она различает сочетания элементарных ланд-
шафтов --- ландшафтные звенья, узлы, цепи. В книге "Почвы мира" Глазовская
рассматривает почвенно- геохимические сопряжения в геохимических ландшафтах
различных климатических и геоморфологических областей. Она выделяет альфе-
гумусовый (североскандинавский), ферри-ферро- гумусовый (западносибирский),
ферри-ферро- латеритный (тропический), известково- сульфатно- хлоридный (сред-
неазиатский) и прочие типы сопряжений.
Природные системы с однонаправленными потоками вещества называют кас-
кадными системами (Р. Чорли и Б. Кеннеди). Наиболее целостным проявлением
свойств каскадной системы обладают водосборные бассейны, которые многими
географами выдвигаются в качестве основных объектов не только гидролого-
геоморфологической, но и физико- географической и ландшафтно- геохимической
организации поверхности Земли. По М.А. Глазовской, каскадные ландшафтно-
геохимические системы (КЛГС) --- это такие парагенетические ассоциации ЭЛГС,
целостность которых определяется потоками вещества, энергии и информации от
Рис.4. Монолитные и гетеролитные катены (по М . А . Глазовской)
а --- монолитный ландшафт гранитного массива, б --- гетеролитный ландшафт массива, сложенного
вулканогенно-осадочной толщей
верхних гипсометрических уровней рельефа к нижним. Каскадные ЛГС весьма
разнообразны по структуре, протяженности, типам функционирования, начиная от
простых водосборных бассейнов малых рек и кончая бассейнами высоких поряд-
ков (Волги, Оби и др.).
Наиболее просто организованной каскадной системой является геохимическое
сопряжение элементарных ландшафтов на склоне --- катена. Это не только топо-
графический ряд почв и ландшафтов, но и отражение всех почвенных и склоновых
процессов и явлений, взаимодействие которых образует более сложные системы,
чем элементарные ландшафты.
Понятие о катенах возникло независимо от геохимии ландшафта и не на основе
геохимической методологии, но оно важно для нашей науки, что и позволяет
говорить о ландшафтно- геохимических катенах. В зависимости от сложности
пространственной структуры, в первую очередь литогенного субстрата, катены
делятся на монолитные и гетеролитные (рис. 4). Монолитные катены располага-
ются обычно в каскадных системах водосборных бассейнов 1---2 порядков, где
геохимия супераквальных ландшафтов практически полностью определяется
миграцией веществ из автономных ландшафтов. Это автохтонные или геохимиче-
ски подчиненные катены. В каскадных системах более высоких порядков форми-
руются в основном гетеролитные катены. Вещество в них поступает из других
ландшафтов, и они называются геохимически слабоподчиненными, или аллохтон-
ными.
Подобно тому, как радиальная геохимическая структура отражает характер
взаимодействия и соотношения между компонентами и блоками ЭЛГС, отношения
химических элементов в катенах характеризуются латеральной геохимической
структурой --- инвариантными связями геохимически сопряженных систем типа
автономный ландшафт --- подчиненный ландшафт (L --- анализ).
Следующим по сложности уровнем каскадных систем являются водосборные
бассейны. Для кодирования их порядка удобно использовать схемы А. Стралера и
В.П . Философова, в которых наименьшие водосборы отнесены к речным долинам
первого порядка. Они представляют собой каскадные системы первого порядка
(КЛГС1) и в большинстве случаев соответствуют геохимическим ландшафтам в
понимании Б.Б. Полынова (но понятие геохимического ландшафта шире, т . к . он
может и не включать водосборный бассейн, как, например, в пустынях). Каждая
КЛГС1 состоит как минимум из двух склоновых катен с общим днищем. Обычно
число катен в каскадных системах первого порядка несколько больше (3---7).
Поэтому их, не нарушая принципов кодирования водосборных бассейнов, можно
относить к КЛГС нулевого порядка. Речным бассейнам второго, третьего и более
высоких порядков соответствуют КЛГС этих же порядков. В зависимости от
закрытости или открытости аккумулятивных звеньев М.А. Глазовская выделяет
каскадные системы рассеяния и концентрации. Последние она именует ланд-
шафтно- геохимическими аренами. Уже в каскадных системах четвертого порядка
на долю водосборов первого и второго порядков приходится 75---80% площади
(Ю.Г. Симонов), что определяет важность исследования ландшафтно-
геохимического катенарного уровня организации природной среды.
Геохимические катены и арены первого и второго порядков представляют со-
бой локальные каскадные системы, являющиеся базовыми для установления ос-
новных особенностей ландшафтно-геохимической дифференциации территорий.
Исследования на этом уровне дают информацию о радиальной почвенно-
геохимической и биогеохимической контрастности ландшафтов, латеральной
миграции веществ. М.А. Глазовская в зависимости от порядка водосборных бас-
сейнов выделяет микро-, мезо-, макро- и мегаарены.
Региональные КЛГС речных бассейнов более высоких порядков (макро- и ме-
гаарены) практически всегда гетеролитны, что затрудняет анализ их латеральной
структуры. Сложная геохимическая дифференциация региональных КЛГС требует
выявления объектов, химический состав которых отражает особенности латераль-
ной миграции элементов в водосборных бассейнах. Наиболее информативны в
этом отношении илы (донные отложения). По аналогии с наземными почвами их
можно назвать "зеркалом" подводного ландшафта.
Наиболее крупная каскадная система --- "континент --- океан". Важная ее осо-
бенность --- локализация миграционных процессов в бассейнах крупнейших рек.
По А.П. Лисицину, двенадцать рек мира с максимальными модулями твердого
стока поставляют в океан около половины всего осадочного материала континен-
тов, составляющего 18,5 млрд. т взвеси. Большая часть этих рек расположена во
влажных тропиках. Основная масса взвешенного вещества осаждается на границе
"река--- море" в дельтах, авандельтах, на шельфе и у основания материкового
склона. Так, одна из наиболее мощных систем "бассейн---дельта --- подводный"
конус рек Ганга и Брахмапутры имеет надводную площадь бассейна более 2 млн.
км2, протягиваясь в Индийский океан еще на 2---3 тыс. км, т . е . примерно на
столько же, как на континенте. Ежегодно эти реки поставляют в океан 2177 млн. т
взвешенного вещества, что составляет 2/3 стока рек бассейна Индийского океана.
Эта система функционирует уже около 20 млн. лет и создала осадочную толщу
мощностью до 16 км. После Ганга---Брахмапутры по объему твердого стока идут
бассейны Хуанхэ и Амазонки. Эти процессы изучают океанология, наука об оса-
дочных породах, но их выводы интересны и для геохимии ландшафта.
МАТРИЧНЫЙ ПРИНЦИП ОРГАНИЗАЦИИ
ГЕОХИМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Один из распространенных и простейших способов систематики информации
состоит в компоновке сведений в таблицах, построенных по двум координатам:
горизонтальной (строки) и вертикальной (столбцы). Этот способ широко приме-
няется как в естественных, так и общественных науках, без таблиц практически не
обходится ни один научный труд, учебное или справочное руководство. Прямо-
угольные таблицы чисел, состоящие из строк и столбцов, именуются матрицами.
Анализом общих свойств этих таблиц занимается особый раздел алгебры --- тео-
рия матриц, который приобрел важное значение в математике, электротехнике и
других науках. Общенаучный характер матричного способа организации инфор-
мации определяет его методологическое значение. Особенно наглядным примером
этого способа является периодическая система Менделеева. В ее основе, как
известно, лежат представления об электронной структуре атомов (строки характе-
ризуют электронные слои атомов --- K, L, M, N и др., столбцы --- число электро-
нов в слоях). Д.И. Менделеев так удачно построил свою таблицу, что путем ин-
терполяции она позволила открыть новые элементы --- скандий, германий, галлий.
То есть матричный подход позволяет не только систематизировать, но и прогно-
зировать новую информацию. Матричный принцип систематизации использован
нами для геохимической классификации ландшафтов, катен, природных вод,
геохимических барьеров и других компонентов ландшафта.
Остановимся на методологической сущности матричной систематики информа-
ции и правилах этой систематики. Главное --- правильный выбор координат, т . е .
двух факторов или параметров, определяющих сущность классифицируемого
явления. Если параметры характеризуют второстепенные особенности предмета
или явления, то и систематика окажется неудачной. Но почему речь идет именно о
двух факторах, не связано ли это с чисто формальным моментом --- существова-
нием двух координат на плоскости (листе бумаги?). Представляется, что подоб-
ный ответ был бы поверхностным. Использование двух основных координат мы
связываем с раздвоением единого --- с законом единства и борьбы противополож-
ностей. Иначе говоря, несмотря на существование множества факторов, от кото-
рых зависит развитие тех или иных процессов или явлений, необходимо выявлять
два основных фактора (причины), определяющих сущность изучаемого процесса
или явления. В ходе исследований это действительно удается установить. Ниже
будет показано, что миграция химических элементов складывается из их концен-
трации и рассеяния, биологический круговорот атомов в ландшафте --- из образо-
вания живого вещества и минерализации органических веществ и т .д. Из этого
вытекает правило матричной систематики информации: необходимо познать
сущность классифицируемого объекта, вскрыть характерные для него внутренние
противоречия, выделить основные противоположные факторы и на этой основе
использовать матричный принцип организации геохимической информации.
ИСТОРИЯ ГЕОХИМИИ ЛАНДШАФТА
Своими корнями геохимия ландшафта уходит в
замечательные направления русской научной
мысли, зародившиеся на рубеже ХХ столетия.
Один из ее источников --- наука о ландшафтах
связана с трудами великого В.В . Докучаева
(1846---1903), с его системным подходом к приро-
де земной поверхности, стремлением изучать связи
между живой и неживой природой. Хотя необхо-
димость изучения связей между отдельными час-
тями географической среды возникла несколько
тысяч лет назад, особая наука об этих связях могла
сформироваться только в конце ХIХ в ., когда
развились геология, ботаника, зоология, гидроло-
гия и другие науки, изучающие отдельные части
географической среды. Основы этой науки и были
разработаны в конце XIX столетия В .В. Докучае-
вым в виде учения о зонах природы, в нашу эпоху
превратившегося в науку о ландшафтах (ландшаф-
товедение). Эта наука создавалась представителя-
ми различных отраслей естествознания, но как бы
ни складывалась их научная судьба, с какой бы
отраслью науки они официально ни были связаны в начале своего творчества, в
дальнейшем разными путями они приходили к выводу о необходимости изучения
связей между отдельными явлениями природы и земной поверхности как единого
целого. Подобная эволюция взглядов характерна и для самого В .В. Докучаева ---
геолога и почвоведа, почвоведов Б.Б. Полынова и Г.Н. Высоцкого, географа Л. С.
Василий Васильевич Докучаев
(1846---1903)
Берга, геоботаника В.Н. Сукачева. Это явилось результатом не только субъектив-
ных способностей к научному обобщению, но и следствием объективной
необходимости возникновения науки о ландшафтах, подготовленного всем пред-
шествующим развитием естествознания, а также практической потребностью в
этой науке.
Среди учеников Докучаева в Петербургском университете был и будущий осно-
воположник геохимии В.И. Вернадский (1863---1945). Таким образом, и геохимия,
и наука о ландшафтах в России родились в одной научной Докучаевской школе.
Отсюда понятен интерес к ландшафтам у самого Вернадского, у его учеников и
последователей. Ученик Вернадского, заложивший вместе с ним фундамент гео-
химии, А.Е. Ферсман (1883---1945) вплотную подошел к геохимии ландшафта. В
работах 20---30-х годов он дал геохимическую характеристику пустынь, полярных
Владимир Иванович Вернадский
(1863---1945)
Борис Борисович Полынов
(1877-1952)
Александр Евгеньевич Ферсман
(1883-1945)
областей, геохимическое объяснение окраски ландшафта. Однако эти работы не
сопровождались разработкой единой методологии, новых методов исследования и
не привели к созданию самостоятельного научного направления. Поэтому 20-е и
более ранние годы относятся к предистории геохимии ландшафта. В собственной
истории геохимии ландшафта можно выделить четыре этапа, первый из которых
связан с деятельностью ее основателя --- Бориса Борисовича Полынова (1877---
1953).
Полыновский этап. Это время становления геохимии ландшафта --- конец 20-х
--- начало 50-х годов. Почва является "зеркалом ландшафта", в ней осуществляет-
ся связь между "живой" и "мертвой" природой, и как природная система она
родственна ландшафту. Детальное химическое изучение почвенных процессов
всегда составляло одну из важных задач почвоведения, поэтому оно ближе всего
стоит к геохимии ландшафта. Как и многие ученые, Б.Б. Полынов пришел к изу-
чению ландшафтов от докучаевского почвоведения. В начале это были почвенно-
географические исследования, которые, однако, скоро перестали удовлетворять
ученого. Он стал искать новые пути в изучении ландшафтов и нашел их в геохи-
мии. В 30-х годах Полынов приступил к разработке учения о ландшафтах на
геохимической основе. Им установлено понятие "
геохимический ландшафт"
(1944---1946), дана геохимическая характеристика влажных субтропиков, зоны
смешанных лесов, черноземных степей и , что самое главное, разработана методо-
логия нового научного направления, сформулированы его задачи, намечены ори-
гинальные методы исследования.
Методологию геохимии ландшафта Полынов построил на сочетании докучаев-
ского учения о зонах природы (ландшафтов) с учением В.И. Вернадского о геохи-
мической роли живого вещества и представлениями А.Е. Ферсмана и В.М. Гольд-
шмидта о законах физико- химической миграции элементов в земной коре. Науч-
ным центром, где развивались полыновские идеи, был Почвенный институт им.
В.В. Докучаева в Москве, в котором работал Б.Б. Полынов и его сотрудники (Е.И .
Парфенова, Е.А. Ярилова, М.А. Бобрицкая, А.И. Троицкий и др.). Б.Б. Полынов
руководил также исследованиями его учеников в Академии наук Казахстана (М.А .
Глазовская) и Институте геологических наук АН СССР в Москве (А.И. Перель-
ман). В это время геохимия ландшафта еще не получила признания в качестве
особого научного направления и исследования проводились под флагом почвове-
дения, географии и геохимии.
Геохимия ландшафта в 50-е годы. В 1951 г . на географическом факультете
МГУ А .И. Перельман впервые прочитал курс "Геохимия ландшафта", в 1955 г .
была опубликована его монография, в которой систематически излагались основы
этого научного направления ("Очерки геохимии ландшафта"). В 1959 г . на фа-
культете была создана кафедра, ныне носящая название "Геохимии ландшафтов и
географии почв" (зав. кафедрой --- профессор М.А. Глазовская, с 1989 г . --- про-
фессор Н.С. Касимов). В московском филиале Географического общества СССР в
1961 г . была организована "Комиссия геохимии ландшафта", которая ежегодно в
марте проводит "Полыновские чтения". В эти же годы началось практическое
использование геохимии ландшафта при геохимических поисках рудных месторо-
ждений (М.А. Глазовская, В.В. Добровольский, М.М . Ермолаев, А.И . Перельман,
Ю.В. Шарков и др.).Все же в 50-е годы фронт работ по геохимии ландшафта был
мал, исследования проводились преимущественно в Москве и Ленинграде.
Геохимия ландшафта в 60-е и 70-е годы. С начала 60-х годов начался быст-
рый рост геохимии ландшафта, использование теории и методов этой науки в
практике, особенно при геохимических поисках рудных месторождений. Появля-
ются новые научные и методические обобщения М.А. Глазовской, А.И. Перельма-
на, В.В. Добровольского. Если в 50-х годах имелось лишь несколько научных
центров, где проводились исследования в данном направлении, то в 70-е годы
работы по геохимии ландшафта уже велись десятками научных и производствен-
ных организаций во многих городах СССР.
Теоретические исследования проводились в Академии наук СССР и республи-
канских академиях наук, университетах и других научных организациях. Центра-
ми исследований были Институт геологии рудных месторождений, петрографии,
минералогии и геохимии (ИГЕМ) АН СССР (А.И. Перельман, С.Г. Батулин, Е.Н .
Борисенко), Институт географии АН СССР (В.О. Таргульян), Институт минерало-
гии, геохимии и кристаллохимии редких элементов (ИМГРЭ) АН СССР и Мини-
стерства геологии СССР (Ю.Е. Сает, И.А. Морозова, Р.С. Смирнова, Е.П. Сороки-
на), Научно- исследовательский институт геологии Арктики (А.М. Иванова), лабо-
ратория
геохимии
ландшафта Хабаровского
комплексного
научно-
исследовательского института АН СССР (П.В. Ивашов), Институт геохимии и
геофизики АН БССР в Минске (К.И. Лукашев, В.А. Генералова, А.Л. Жуховицкая,
В.А. Ковалев, В.А. Кузнецов, В.К. Лукашев, А.А. Хомич и др.), Институт геохи-
мии и физики минералов АН УССР (Б.Ф. Мицкевич), ИГН АН Армении (П.М.
Капланян, Г.А. Григорян), Институт геологии и географии АН Литвы (Г.Б. Пау-
люкявичюс), Институт географии Сибири и Дальнего Востока в Иркутске (В.А.
Снытко), Почвенный институт им. В.В. Докучаева (Н.И. Базилевич, Б .А. Зимовец,
Ф.И. Козловский, И.А. Соколов), Тихоокеанский институт географии (П.В. Ел-
патьевский) и др.
В университетах и институтах, где преподавалась геохимия ландшафта, созда-
ются кафедры и проблемные лаборатории. На географическом факультете Мос-
ковского университета исследования велись на кафедрах геохимии ландшафтов и
географии почв (М.А. Глазовская, А.И . Перельман, Т.М. Белякова, И.П. Гаврило-
ва, Н.С. Касимов, Е.М. Никифорова, И.Г. Побединцева, Н.П. Солнцева, Р.С.
Смирнова и др.) и физической географии СССР (А .А. Макунина, И.А. Авессало-
мова и др.). На географическом факультете Московского государственного педа-
гогического института (ныне университета) была создана кафедра геологии и
геохимии ландшафта (В.В. Добровольский) и при ней специальная лаборатория
геохимии ландшафта (Л.В. Алещукин, М.В. Ржаксинская). В Ленинградском
университете также была создана лаборатория геохимии ландшафта (М.М. Ермо-
лаев, А.А. Тарновский и др.).
Геохимия ландшафта стала одной из теоретических основ геохимических мето-
дов поисков месторождений полезных ископаемых. Научные опытно-
методические и производственные работы в этом направлении стали проводиться
во многих геологических организациях. Известное значение приобрела в эти годы
геохимия ландшафта и в решении проблем здравоохранения (Т.М. Белякова, В.М .
Мещенко и др.).
За рубежом исследования в области геохимии ландшафта в этот период не по-
лучили значительного распространения, но, судя по переводам трудов советских
ученых в США, Польше, ГДР, Вьетнаме, Венгрии, Румынии и других странах, она
привлекала внимание. В Канаде в Университете провинции Онтарио в 1971 г . под
редакцией проф. Дж. Фортескью стал выходить специальный бюллетень, посвя-
щенный геохимии ландшафта.
Современный этап. С середины 70-х годов быстрый рост геохимии ландшафта
в СССР и России связан с появлением новой области практического ее примене-
ния --- решением проблем охраны окружающей среды. Важно отметить, что теоре-
тические и методические принципы, используемые при поисках руд, создали
основу для быстрого внедрения ландшафтно- геохимических методов в науку об
окружающей среде. Развитие геохимии ландшафта в это время происходит по
пяти основным направлениям.
1. Развитие теории и методологии науки, совершенствование понятийного ап-
парата и классификации ландшафтов. Особое значение имели представления
М.А . Глазовской о технобиогеомах --- территориях, обладающих сходной ответ-
ной реакцией на техногенное воздействие, а также о каскадных ландшафтно-
геохимических системах. Было введено понятие о геохимических барьерах и
технофильности (А. И. Перельман). Ряд показателей техногенной миграции эле-
ментов предложен Н.Ф. Глазовским. Н.П . Солнцева ввела понятие о геохимиче-
ской совместимости природных систем и техногенных воздействий. Развиты
представления о глобальном рассеянии микроэлементов (В .В. Добровольский),
латерально- миграционной сопряженности ландшафтно- геохимических катен и
дана их классификация (Н.С . Касимов), разработаны принципы геохимической
систематики техногенных ландшафтов (В. А. Алексеенко, Н.С . Касимов, А.И.
Перельман), выполнено экспериментальное и математическое моделирование
процессов в ландшафтно- геохимических системах (В.А. Снытко, В.В . Сысуев и
др.).
2. Геохимия отдельных типов природных ландшафтов. Для осуществления фо-
нового мониторинга природной среды необходимо знать закономерности естест-
венных процессов миграции и концентрации химических элементов в природных
ландшафтах, находящихся вне сферы локального техногенного воздействия, в том
числе заповедных территорий. С этой целью были разработаны ландшафтно-
геохимические основы фонового мониторинга природной среды, получены новые
данные о геохимической структуре ландшафтов центральных районов России
(Е.М. Никифорова, И.Г. Побединцева, В.П. Учватов), Белоруссии (В.К. и К.И.
Лукашевы, В.А. Кузнецов, В.А. Генералова, А.Л. Жуховицкая, А.А. Хомич и др.),
Казахстана и Средней Азии (А.И. Перельман, Н.С. Касимов, Н.Ф. Глазовский),
Украины (Б.Ф. Мицкевич, Ю.Я. Сущик, Л.Л. Малышева), юга России (В.А. Алек-
сеенко), таежных районов Сибири (Е.Г. Нечаева, А.И. Щетников), Забайкалья
(В.А. Снытко, Ю.М. Семенов, Т.Т. Тайсаев), Карелии и Кольского полуострова
(В.В. Добровольский, Л.В. Алешукин), севера Евразии (А.В. Евсеев, А.М. Ивано-
ва и др.), Монголии (Н.С. Касимов, В.В. Добровольский, А.К. Евдокимова, М.Ю.
Лычагин), а также ряда биосферных заповедников --- Приокско-Террасного (В.П.
Учватов), Бадхызского (М.А. Глазовская, Н.С. Касимов, В.В. Батоян), Башкирско-
го (И.П. Гаврилова, И.Г. Побединцева), Березинского (К.И. и В.К. Лукашевы, В.А.
Кузнецов и др.), Репетекского (М.А . Глазовская, Н.С. Касимов), Сихотэ-
Алинского (В.С. Аржанова, П.В. Елпатьевский), Тигровая балка (Н.С. Касимов,
М.Ю. Лычагин, В.В. Сысуев), Астраханского (Н.С. Касимов, М.Ю. Лычагин, А.Н.
Геннадиев). Как особое направление разрабатывается геохимия аквальных ланд-
шафтов (В.В. Батоян, А.Д. Хованский, Е.П. Янин).
Кроме традиционного для геохимии ландшафта изучения микроэлементов нача-
ты исследования закономерностей распределения в ландшафтах токсичных орга-
нических соединений, таких как полициклические ароматические углеводороды
(А.Н. Геннадиев, И.С. Козин, Ю.И. Пиковский, Т.А. Теплицкая).
3. Историческая геохимия и палеогеохимия ландшафтов. Это направление свя-
зано с реконструкцией геохимических особенностей ландшафтов былых геологи-
ческих эпох. Разработаны методология и методика исследований, палеоланд-
шафтно- геохимическое картографирование, изучена палеогеохимия ландшафтов
Казахстана, Средней Азии, Белоруссии, Витимского плоскогорья и других регио-
нов в кайнозое (А.И. Перельман, В.К. и К.И. Лукашевы, В.В. Добровольский, Н.С.
Касимов, Т.Т. Тайсаев и др.). Эти исследования находят применение при геохи-
мических поисках полезных ископаемых, палеогеографических реконструкциях, в
литологии.
4. Геохимические поиски полезных ископаемых. Исследования в области поис-
ковой геохимии позволили разработать принципы районирования территории по
условиям проведения геохимических поисков, установить основные закономерно-
сти формирования вторичных ореолов рассеяния рудных месторождений в раз-
личных природных зонах, палеогеографических и палеогеохимических обстанов-
ках, разработать теорию геохимических барьеров, предложить критерии и методы
оценки выявляемых при поисках руд геохимических аномалий, разработать прин-
ципы ландшафтно- геохимического картографирования и ряд других вопросов.
Ландшафтно- геохимические исследования при поисках руд и разработанные при
этом теоретические и методические вопросы показали их важное прикладное
значение и выдвинули геохимию ландшафта в качестве одной из теоретических
основ геохимических методов поисков полезных ископаемых, что зафиксировано
в ряде инструктивных документов. Работы по применению методов геохимии
ландшафтов в поисковой геохимии выполняются в настоящее время научными
организациями и вузами, а также многими производственными геологическими
объединениями и экспедициями (А.И. Перельман, В.В. Добровольский, Т.Т. Тай-
саев, Б.Ф. Мицкевич, Н.С. Касимов, Г.С. Макунина, И.А. Морозова, Б.А. Судов и
др.).
5. Геохимия техногенных ландшафтов. Это направление получило особенно
широкое развитие. Были разработаны методологические принципы изучения и
систематики техногенных ландшафтов (М.А. Глазовская, А.И. Перельман, В .В.
Добровольский, Н.С. Касимов, Н.Ф. Мырлян, Н.П . Солнцева). Получены новые
данные о поведении многих химических элементов и соединений в сфере влияния
различных техногенных источников, особенно при добыче нефти и угля (М.А.
Глазовская, Н.П. Солнцева, Е.М . Никифорова, Ю .И. Пиковский), в производстве
цветных и черных металлов (В.В. Добровольский, Л .В. Алещукин, Т.М. Белякова,
В.С. Аржанова, П.В. Елпатьевский, Ю.П. Баденков), теплоэнергетики (Н.Д. Давы-
дова, Ю.М. Семенов), начаты геохимические оценки экологического состояния
городов (Ю.Е. Сает, Р.С. Смирнова, Е.П. Сорокина, Т.М. Белякова, Н.С. Касимов,
В.К. Лукашев, Н.Ф. Мырлян, Е.М. Никифорова, Е.П. Янин и др.), разработаны
принципы прогнозного ландшафтно- геохимического районирования (М.А. Глазов-
ская), оценки состояния ландшафтов в сфере радиоактивного воздействия (А.И .
Перельман, Е.Н. Борисенко, А.Е. Самонов, Е.М. Коробова, Н.Я. Минеева, Ю.А.
Панков), основы геохимии агроландшафтов (В.А. Алексеенко, А.И. Ачкасов, В.Н.
Башкин, Ф.И. Козловский, Н.Ф. Мырлян, Н.К. Чертко), формируется ландшафтно-
геохимическая информатика --- на геохимической основе создаются географиче-
ские информационные системы (ГИС) городов (О.В . Моисеенков) и биосферных
заповедников (ГИС Астраханского заповедника --- Н.С. Касимов, М.Ю. Лычагин).
Исследования ведутся совместно с экологами, геохимиками, почвоведами, гигие-
нистами и другими специалистами в области наук об окружающей среде.
За рубежом следует в первую очередь отметить труды канадского профессора
Рис. 5. Геохимия ландшафта в системе географических наук
Д. Фортескью, книга которого "Геохимия окружающей среды" была переведена в
СССР. Исследования по геохимии ландшафта проводятся также в Китае (Ван
Минь Юань), Корейской Народно-Демократической республике, Монголии, Вьет-
наме (Нгуен Ба- Линь, Транг-Куанг-Нгай), Болгарии (В. Великов, Р. Пенин).
МЕСТО ГЕОХИМИИ ЛАНДШАФТА В СИСТЕМЕ НАУК
Геохимия ландшафта --- "пограничная наука". С одной стороны --- это часть
ландшафтоведения, занимающаяся изучением ландшафтов "на атомарном уровне",
т . е . процессов миграции и концентрации элементов в них. Но геохимию ландшаф-
та можно рассматривать и как раздел геохимии. Ландшафтно- геохимический
анализ охватывает все компоненты природной среды. Поэтому геохимия ланд-
шафта, имея собственную теорию, методы и сферу приложения, в значительной
степени опирается на теорию и практику смежных географических наук (рис. 5).
Кроме ландшафтоведения это география почв (катенарный подход, зонально-
провинциальная дифференциация почвенного покрова, почвенно- географическое
картографирование и районирование), биогеография (география растений, геобо-
таника), геоморфология (водосборные бассейны, склоновые процессы), палеогео-
графия (эволюция природы в кайнозое), гидрология суши (гидрохимия, учение о
стоке), климатология (микроклимат, водный и тепловой баланс, радиация, темпе-
ратура, осадки, испарение и др.), картография и геоинформатика (экологическое
картографирование, географические информационные системы).
Занимаясь геохимическими аспектами проблемы взаимодействия природы и
общества, геохимия ландшафта тесно связана и использует данные экономической
географии, экономики (потоки сырья и готовой продукции, технологические
циклы, размещение производства, экономическое районирование, эколого-
экономические аспекты и др.).
В системе естественных наук геохимия ландшафта как пограничная наука за-
нимает особое место по множественности и тесноте связей с другими фундамен-
Рис. 6. Геохимия ландшафта в системе геологических, химических, биологических и почвенных наук
тальными науками и прежде всего геологией, почвоведением, биологией и , конеч-
но, химией. Среди геологических наук геохимия ландшафта наиболее тесно свя-
зана с геохимией, биогеохимией, учением о рудных месторождениях, литологией,
минералогией и гидрогеологией (рис. 6).
В теории и практике геохимии ландшафта широко используются научные пред-
ставления и методы почвоведения, прежде всего химии почв, экологии почв,
общего почвоведения. Занимаясь биогеохимическими циклами, воздействием
загрязнения среды на живые организмы, геохимия ландшафта использует данные
и методы экологии, биогеоценологии, физиологии растений, биохимии. Как спра-
ведливо отмечает В.В. Добровольский, в настоящее время разграничение биогео-
химических, эколого- геохимических, почвенно- геохимических и ландшафтно-
геохимических исследований весьма условно. Естественно, что для изучения и
интерпретации химического состава компонентов ландшафта и межландшафтных
потоков вещества геохимия ландшафта опирается на представления современной
химии, прежде всего на строение атомов и молекул, периодический закон Д.И.
Менделеева, физическую химию, основные концепции неорганической и органи-
ческой химии и современные методы химического и физического анализа.
Часть I
Общая геохимия ландшафта
Глава 1
РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
После полувековой работы геохимия овладе-
ла новым числом --- новой константой мира
А.Е. ФЕРСМАН
Периодическая система Д.И. Менделеева включает в себя 109 элементов, но в
природе, в том числе в ландшафте, известны лишь 89, т . к . №№ 43, 85, 87 и 93---
109 получены искусственно в результате ядерных реакций. Содержание одних и
тех же химических элементов в разных ландшафтах неодинаково, что во многом
обусловлено их миграцией. Однако некоторые общие закономерности распределе-
ния элементов миграцией объяснить невозможно. Так, во всех ландшафтах содер-
жание О велико, а Au и Pt мало. Закономерности в распространенности химиче-
ских элементов могут быть выявлены лишь при анализе среднего химического
состава земной коры, который впервые был установлен на рубеже ХХ в . В честь
американского химика Ф . Кларка, посвятившего более 40 лет решению данной
проблемы, А.Е. Ферсман предложил в 1923 году среднее содержание химического
элемента в земной коре или какой- либо ее части называть кларком. Кларки грани-
тов и других самых распространенных кислых изверженных пород установлены
достаточно точно, много данных о кларках базальтов и других основных пород,
глин, известняков и прочих осадочных пород. Сложнее вопрос о среднем составе
земной коры, так как до сих пор точно не известно соотношение между отдель-
ными группами горных пород, особенно под океанами. А.П . Виноградов условно
принял, что земная кора на 2/3 состоит из кислых изверженных пород и 1/3 из
основных, и на этой основе рассчитал кларки земной коры (рис.1.1).
иноградо-
За 100 лет после опубликования первых чисел Кларка проделана гигантская работа, уста-
новлены кларки большинства элементов. Проблемой распространенности химических эле-
ментов в различных сферах и оболочках Земли занимались многие крупные геохимики. Но
еще точно не известны кларки Pt и платиноидов, инертных газов, некоторых других элемен-
тов. Все же главная особенность распространенности элементов установлена --- это огромная
контрастность кларков (рис.1.2). Так, почти половина твердой земной коры состоит из одного
элемента --- О (кларк 47%). Иначе говоря, земная кора --- это "кислородная сфера", кисло-
родное вещество. На втором месте стоит Si (29,5), на третьем --- Al (8,05). В сумме они
составляют 84,55%. Если к этому числу добавить Fe (4,65), Са (2,96), Na (2,50), К (2,50), Mg
(1,87), Ti (0,45), то получим 99,48%, т.е. практически почти всю земную кору. Остальные 80
элементов занимают менее 1%. Кларки большинства элементов не превышают 0,01---
0,0001%. Это редкие (U, Sn, Mo и др.) и редкие рассеянные (Br, In, Ra, J, Hf, Re, Sc и др.)
элементы. Например, у U и Br кларки почти одинаковы (2,5.10-4 и 2,1.10-4%), но U просто
редкий элемент, так как известно много урановых минералов, разнообразные его месторож-
дения, а Br --- редкий рассеянный, так как он почти не концентрируется в земной коре и
известен лишь один собственный минерал этого элемента. В геохимии употребляется также
термин "микроэлементы", под которыми понимаются элементы, содержащиеся в данной
системе в малых количествах (порядка 0,01% и менее). Так, Al --- микроэлемент в организмах
и макроэлемент в силикатных породах.
Итак, содержание элементов в земной коре колеблется в миллиарды миллиар-
дов раз (n.10 --- n.10-16). Обычные представления, почерпнутые из повседневного
опыта, не всегда совпадают с данными геохимии. Например, Zn и Cu широко
распространены в быту и технике, а Zr для нас --- "редкий элемент". Вместе с тем
Zr в земной коре почти в 4 раза больше, чем Cu. "Редкость" Zr объясняется труд-
ностью его извлечения из руд, которая была полностью преодолена только в
середине ХХ века, когда разработали технологию эффективного получения этого
элемента. Он стал широко использоваться в промышленности. Мы еще только
привыкаем к нему, а с Cu человечество познакомилось тысячелетия назад в
"бронзовый век" (бронза --- сплав Cu с разными металлами).
В начале ХХ столетия В.И. Вернадский пришел к выводу о всеобщем рассеянии химиче-
ских элементов, о том, что "все элементы есть везде". В 1909 г. на ХII съезде русских естест-
воиспытателей и врачей он говорил: "В каждой капле и пылинке вещества на земной поверх-
ности, по мере увеличения тонкости наших исследований, мы открываем все новые и новые
элементы. Получается впечатление микрокосмического характера их рассеяния. В песчинке
или капле, как в микрокосмосе, отражается общий состав космоса. В ней могут быть найдены
Рис. 1.2. Кларки земных систем и космоса
1 - æèâûå îðãàíèçìû (æèâîå âåùåñòâî); 2 - ãèäðîñôåðà; 3 - ëèòîñôåðà; 4 - óëüòðàîñíîâíûå
ïîðîäû (âåðõíÿÿ ìàíòèÿ?); 5 - êàìåííûå ìåòåîðèòû (íèæíÿÿ ìàíòèÿ?); 6 - æåëåçíûå ìåòåîðèòû (çåìíîå
ÿäðî?); 7 - Çåìëÿ â öåëîì; 8 - êîñìîñ
все те же элементы, какие наблюдаются на земном шаре, в небесных пространствах. Вопрос
связан лишь с улучшением и уточнением методов исследования. При их улучшении мы
находим Na, Li, Sr там, где их раньше не видели; при их уточнении мы открываем их в мень-
ших пробах, чем делали раньше. История Ni, V, Au, U, He, иттроцеровой группы и т.д. при-
водит нас к одинаковым выводам. Они находятся всюду и могут быть всюду констатированы;
они собраны в состоянии величайшего рассеяния...". Итак, все элементы есть везде, речь
может идти только о недостаточной чувствительности анализа, не позволяющего определить
содержание того или иного элемента в изучаемой системе. Это положение о всеобщем рас-
сеянии химических элементов Н.И. Сафронов предложил именовать законом Кларка-
Вернадского.
Когда был установлен средний состав земной коры, естественно, возник вопрос
--- в чем причина столь неравномерной распространенности элементов, почему
одних много, а других мало? Эту причину стали искать в особенностях строения
атомов. Напомним, что атомы состоят из ядра и электронной оболочки, причем
электроны, наиболее удаленные от ядра, определяют химические свойства эле-
мента. Естественно, возникло предположение, что кларки элементов связаны с их
химическими свойствами, т . е . зависят от строения внешних электронных орбит
атомов (числа валентных электронов и т .д .). Однако оказалось, что это не так.
Например, щелочные металлы --- Li, Na, K, Rb, Cs, Fr в химическом отношении
близки друг другу --- одновалентны (на внешней орбите один электрон), образуют
едкие щелочи, легкорастворимые соли и т .д. Кларки же их резко различны: Na и К
в земной коре много (2,50%), Rb мало (1,5.10-2), Li еще меньше (3,2.10-3), Cs
очень редок (3,7.10-4), а Fr отсутствует и был получен искусственно. Аналогично
резко различны кларки у таких химически близких элементов, как галогены (F, Cl,
Br, J, At), у Si (29,5) и Ge (1,4.10-4), Ba (6,5.10-2) и Ra (2.10-10). С другой сторо-
ны, разные элементы имеют близкие кларки --- металл Mn (0,1) и типичный неме-
талл Р (0,093), щелочной металл Rb (1,5.10-2) и Cl (1,7.10-2). Поэтому кларки не
зависят от химических свойств элементов или, точнее, в основном не зависят.
Тогда мысль исследователей обратилась к другой части атома --- его ядру, со-
стоящему из протонов и нейтронов. Выявилось, что в земной коре преобладают
легкие атомы, занимающие начальные клетки периодической системы, ядра кото-
рых содержат небольшое число протонов и нейтронов. После Fe (№ 26) нет ни
одного элемента с большим кларком. Эта закономерность была отмечена еще
Менделеевым, который писал в 1869 г ., что "распространеннейшие в природе
простые тела имеют малый атомный вес...". Другую особенность распространен-
ности элементов установили итальянский ученый Оддо и американский --- Гар-
кинс, которые отметили, что в земной коре преобладают элементы с четными
порядковыми номерами и четными атомными массами, т . е . у которых атомные
ядра содержат четное число протонов и нейтронов. Среди соседних элементов у
четных кларки почти всегда выше, чем у нечетных. Для первых по распростра-
ненности 9 элементов кларки четных составляют в сумме 86,43, а кларки нечет-
ных --- лишь 13,03%. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых
делится на 4. Это O, Mg, Si, Ca и т .д. Среди атомов одного и того же элемента
преобладают изотопы, массовые числа которых кратны 4.
Итак, кларки элементов в основном связаны со строением атомного ядра --- в
земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтро-
нов. Поскольку речь идет о среднем составе, понятно, что эта закономерность не
зависит от геологических процессов, определяющих образование гранитов, ба-
зальтов, известняков и других пород, отдельных типов вод. То есть распростра-
ненность химических элементов в основном связана не с земными, а с космиче-
скими причинами --- она унаследована Землей от космической стадии, когда еще
до образования планеты, т . е . свыше 4,5 млрд. лет назад, существовало протопла-
нетное облако с температурой в десятки миллионов градусов. В этом облаке не
было атомов и тем более молекул, вещество представляло собой плазму, т . е .
полностью ионизированный газ, состоящий из электронов, протонов, нейтронов.
При понижении температуры в плазме синтезировались ядра атомов, в первую
очередь легких, содержащих четное число протонов и нейтронов.
В отличие от Земли главным элементом космоса является Н, взаимодействие
ядер которого в центральных частях звезд при температурах в десятки миллионов
градусов приводит к синтезу ядер Не. Поэтому Вселенная в основном имеет водо-
родногелиевый состав. Синтез более тяжелых ядер имел подчиненное значение ---
распространенность их в звездах (в том числе на Солнце) много меньше, чем Н и
Не. Наибольшее значение опять- таки имел синтез легких ядер, особенно четных
(содержащих четное число протонов и нейтронов), --- О с атомной массой 16, Са с
атомной массой 20 и т .д . Синтез тяжелых ядер, включающих большое число про-
тонов и нейтронов, менее вероятен, образующиеся ядра часто оказывались неус-
тойчивыми и постепенно распадались. Некоторая часть этих ядер не полностью
разрушилась и дожила до наших дней. Сейчас, как и миллиарды лет назад, они
превращаются в ядра более легких элементов. Это явление радиоактивности было
открыто в самом конце ХХ в . в Париже Пьером и Марией Кюри. Помимо Ra ра-
диоактивность характерна для U, Th, K, Rb, Re и некоторых других элементов.
Содержание их в земной коре миллиарды лет назад было выше, чем сейчас. Неко-
торые тяжелые ядра за прошедшие миллиарды лет распались полностью, и на
Земле мы не знаем соответствующих элементов. Они были получены искусствен-
но, часть открыта в звездах. Это Tc (№ 43), At (№ 85), Cm (№ 96), Bk (№ 97), Cf
(№ 98) и др. трансурановые элементы.
Таким образом, главная закономерность распространенности элементов --- пре-
обладание легких атомов. Она связана со строением атомных ядер, их устойчи-
востью, ядерным синтезом в центральных частях звезд.
Звездная материя, прежде чем превратиться в земное вещество, прошла дли-
тельную историю, дифференциацию, в которой важную роль играли химические
свойства элементов, определяемые электронным строением атомов. Поэтому
твердая земная кора по составу сильно отличается от звезд и , в частности, от
Солнца. Если Солнце, как и другие звезды, состоит из Н и Не с незначительной
примесью других элементов, то Земля почти утратила свой "космический" Не,
который, будучи легким и инертным элементом, улетучился в мировое простран-
ство. Утеряна и часть Н, в то время как другая часть его атомов соединилась с О и
образовала воду --- гидросферу планеты. Более тяжелых элементов в звездах
меньше, но именно они образуют основную массу Земли. Это в первую очередь
легкие элементы начала периодической системы. Самых тяжелых мало и на Зем-
ли.Различная распространенность химических элементов в земной коре определяет
различия их поведения в природе и лаборатории. Так, хорошо известна химиче-
ская близость S и Se, входящих в VI группу периодической системы. Оба элемен-
та поливалентны (S2-, S0, S4+, S6+, Se2-, Se0, Se4+, Se6+), образуют соединения-
аналоги --- сероводород Н2S и селеноводород Н2Se, сульфиды и селениды, суль-
фаты (соли Н2SО4) и селенаты (соли Н2SеО4). Вместе с тем в земной коре, био-
сфере и ландшафтах роль обоих элементов резко различна, что объясняется срав-
нительно высоким кларком S (4,7.10-2%) и очень низким Se (5.10-6). Действи-
тельно, S --- ведущий элемент многих процессов, Se --- нет. Сероводород играет
огромную роль в земной коре, обуславливая накопление пирита в осадках, фор-
мирование месторождений Pb, Zn, Cu, Cd и других металлов. Селеноводород не
имеет существенного значения. Для S характерна минеральная форма нахождения,
для Se --- неминеральная и т .д. Иначе говоря, геохимия S и Se имеет меньше
общих черт, чем их химия. То же можно сказать о Na и Cs, Ca и Ra, Si и Ge.
Такие различия объясняются во многом тем, что с уменьшением кларков сни-
жается активная концентрация элементов (при сходных химических свойствах),
труднее достигается произведение растворимости и выпадение самостоятельной
твердой фазы из вод. Так, высокие кларки Na, Ca, Mg определяют большие их
концентрации в водах и возможность осаждения при испарении вод. Малые клар-
ки Сs, Ra определяют столь низкое их содержание в водах, что осаждение и мине-
ралообразование данных металлов в процессе испарения не осуществляется.
Поэтому в ландшафтах известны легкорастворимые соли Na, Ca, Mg, K и не из-
вестны Cs, Ra, хотя по химическим свойствам и интенсивности миграции Cs и Ra
вполне могли бы концентрироваться при испарении. Вторичные минералы U ---
элемента со сравнительно низким кларком (2,5.10-4%) --- встречаются в ландшаф-
тах урановых месторождений, где высоко его содержание в почвах. Только там
обнаруживаются фосфаты, арсенаты, молибдаты, ванадаты, сульфаты, карбонаты
уранила. Вне месторождений эти минералы отсутствуют или крайне редки. Если
бы U имел кларк, как у Са и Fe, то его минералы были бы распространены так же
широко, как кальцит, гипс, гематит. В группе щелочноземельных металлов рас-
творимость сульфатов уменьшается с ростом порядкового номера: наименее рас-
творим RaSО4. Вместе с тем известны минералы- сульфаты Mg, Ca, Sr, Ba, но не
известны сульфаты Ra. Причиной этого является чрезвычайно малый кларк Ra
(около 2.10-10%), определяющий его низкое содержание в водах (n.10-11г/л),
исключающее достижение произведения растворимости для RaSО4 и образование
самостоятельного минерала. Таким образом, способность к минералообразова-
нию, количество самостоятельных минеральных видов, с одной стороны, зависит
от химических свойств элемента, а с другой --- от его кларка (у Са кларк 2,96 и
известно 385 минералов, а у его химического аналога Ra нет ни одного собствен-
ного минерала, у К (2,50) 106 минералов, а у Rb (0,015) --- 0, у S (0,047) --- 369, у
Se (5.10-6) --- 37 и т.д.).
При образовании минералов редкие катионы обычно связываются с распростра-
ненными анионами, а редкие анионы --- с распространенными катионами. Поэтому
в ландшафтах известны сульфаты, карбонаты, фосфаты редких металлов и селена-
ты, ванадаты, арсенаты распространенных катионов --- CaSeO4, PbSeO4,
(UO2)3(PO4)2 и т .д. Образование минералов из редких катионов и анионов мало-
вероятно. Например, CaCrO4 известен, SrCrO4 --- нет, так как концентрация соот-
ветствующих ионов не достигает состояния насыщенного раствора.
Е.М. Квятковский элементы с большой способностью к минералообразованию
назвал минералофильными (U, S, Se и др.), а с малой --- минералофобными (Ga,
Ra, Sc, In, TI, TR и др.).
В ландшафте в общем преобладают те же элементы, что и в земной коре, но все
же их содержание в почвах, водах, организмах, как правило, отличается от кларка,
хотя порядок величин нередко сохраняется. Низкие кларки большинства элемен-
тов определяют важное отличие природных реакций от лабораторных. Химик,
задавшись целью осуществить какую- либо реакцию, берет стехиометрические
соотношения реагирующих веществ или небольшой избыток одного из реагентов,
" чтобы реакция прошла до конца". В природе же стехиометрические соотношения
почти никогда не наблюдаются: некоторые реагенты находятся в резком избытке,
других недостает. Поэтому число минералов меньше числа химических соедине-
ний того же класса. Следовательно, "химическое мышление" недостаточно при
анализе природных процессов --- необходимо "геохимическое мышление", учиты-
вающее величины кларков.
В этой главе показаны общие черты распространенности химических элементов
в земной коре. Средние содержания (кларки) элементов в атмосфере, гидросфере
и организмах существенно отличаются от литосферы. Они рассматриваются ниже
в главах, посвященных воздушной, водной и биогенной миграции.
Контрольные вопросы
1. Что такое "кларк"?
2. Назовите восемь наиболее распространенных элементов земной коры.
3. Чем "редкие" элементы отличаются от "редких рассеянных"? Приведите
примеры тех и других.
4. Какова связь кларков со строением атома?
5. Чем отличаются кларки космоса от кларков земной коры и почему?
Глава 2
ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В
ЛАНДШАФТАХ
Законы пространственного распределения
отдельных элементов на поверхности Земли и
в земной коре являются глубочайшими закона-
ми современной геохимии.
А.Е. ФЕРСМАН
Основной геохимический закон В.М. Гольдшмидта. Согласно этому закону
кларки элементов зависят от строения атомного ядра, а их миграция --- от
наружных электронов, определяющих химические свойства элементов. Это глу-
бокое обобщение нуждается в некоторых коррективах: кларки земной коры зави-
сят не только от строения атомного ядра, но и от химических свойств (строения
электронных оболочек), т . к . сама кора является продуктом миграции --- выплав-
ления базальтов из мантии и других процессов. Все же важнейшие закономерно-
сти кларков, как показано в 1-й главе, зависят от строения атомных ядер (кисло-
рода много, золота мало и т . д.). С другой стороны, и миграция элементов зависит
не только от химических свойств, но и от кларков, которые во многом определяют
содержание элементов в растворах и расплавах, их способность к осаждению,
минералообразованию и т .д. Поэтому миграция элемента определяется как его
химическими свойствами, так и величиной кларка.
Внутренние и внешние факторы миграции. К первым А. Е. Ферсман отнес
свойства химических элементов, определяемые строением атомов --- их способ-
ность давать летучие, растворимые или инертные формы. К внешним факторам
относятся ландщафтно- геохимические условия, определяющие поведение элемен-
тов в различных окислительно- восстановительных, щелочно- кислотных и других
обстановках.
Концентрация и рассеяние химических элементов. В результате миграции
элементы концентрируются и рассеиваются. Изучение этих противоположных
сторон миграции составляет одну из важных особенностей методологии геохимии.
В связи с этим большое значение приобрела характеристика миграции с помощью
различных коэффициентов, особенно кларков концентрации и кларков рассеяния.
Кларки концентрации (КК) --- это отношение содержания элемента в изучаемой системе к
его кларку в литосфере. Наибольшие величины КК характерны для Hg и Sb, содержание
которых в почвах на участках месторождений может быть выше их кларка в сотни тысяч раз.
Ниже КК Au, Sn (10 000---100 000). У таких элементов, как Fe, K, Mg, КК не превышает 10---
100. Таким образом, зная кларк элемента и максимальное значение КК, можно установить те
пределы, в которых данный элемент будет встречаться в ландшафте. Если КК меньше 1, то
для получения большей контрастности вычисляют обратные величины --- кларки рассеяния
(КР) --- отношение кларка элемента в литосфере и к его содержанию в данном объекте.
Большие различия в кларках затрудняют изображение распределения элементов
по профилю почв, коры выветривания и т .д. Логарифмический масштаб часто
нежелателен в связи с сильным искажением реальных соотношений. Поэтому
содержание элементов удобно выражать не в массовых процентах, нормировать
относительно кларка, т . е . в КК и КР.
Хорошее представление о различиях в миграции элементов дает сравнение кларков кон-
центрации разных элементов, т.е. вычисление отношений ККх/ККу. Так, из данных таблицы
2.1 следует, что Br энергичнее, чем Cl накапливается в глинах и сланцах и слабее в гидросфе-
ре, живом веществе, галолитах. Cl биофильнее Br, он более энергичный водный мигрант, но
слабее сорбируется почвами и илами.
Таблица 2.1.
Кларки концентрации хлора и брома
Кроме КК и КР в геохимии ландшафта используются и многие другие коэффици-
енты.
Разнообразие миграции. Качественные различия элементов по этому параметру устанав-
ливаются легко путем сравнения поведения элементов. Например, для S и Cl легко устано-
вить, что миграция S разнообразнее. Сера многовалентна (So, S2-, S4+, S6+), входит в состав
Природные сист емы
КК элемент ов
KK Cl
КК Br
Осадочные породы (глиныи
сланцы)
0,9
3
0,3
Гидросфера
113
31
3,7
Жив ое вещест во
1,1
0,7
1,6
Галолит ы
1000n
n ---10n
100
Хлоридные рассолы
100n
0,1---2000
0,n---1000n
Рек и
0,0n
0,015
n
Ат мосферные осадк и
конт инент альных районов
0,n
0,002
1-n
Рис.2.1. Кларки концен-
трации и кларки рассеяния
элементов в древней коре
выветривания Казахстана,
геохимические спектры (
по
Н . С . Касимову):
1 --- незасоленная древняя кора
выветривания, число проб --- n =
150; 2 --- засоленная древняя кора
выветривания (разломные солонча-
ки,n=50.
сульфидов, сульфатов, многих органических соединений, образует 369 минералов. Хлор
одновалентен, образует лишь 97 минералов. Показателями разнообразия миграции может
служить число минералов (для водной миграции), число генетических типов месторождений
и т.д. Несомненная зависимость разнообразия миграции от кларка: из двух химически сход-
ных элементов миграция менее разнообразна у того, у которого кларк ниже. О разнообразии
миграции можно отчасти судить по числу минералов у элементов с близкими кларками. Так,
например, кларки Мо, Tl и Hf в литосфере почти одинаковы (1,1.10-4 и 1.10-4), а число
минералов различно --- 15, 5 и 0. Это указывает на более разнообразную миграцию Мо, менее
разнообразную Tl и самую однообразную Hf. У Cr и Zn кларки литосферы одинаковы (8,3.10-
3), но у Zn известен 61 минерал, а у Cr --- лишь 17. Все эти примеры относятся к литосфере в
целом, для ландшафта зависимости могут быть иными.
Геохимические спектры. При ландшафтно-
геохимических исследованиях часто необходимо
сравнивать разные системы по распределению в них
многих химических элементов. Для этого полезно
строить геохимические спектры, образцы которых для
выщелоченной и засоленной коры выветривания
Казахстана приведены на рис. 2.1. Первая линия --- это
ранжированный ряд кларков концентрации (
КК)
элементов в выщелоченной коре выветривания. Вторая
ломаная линия отражает распределение элементов в
засоленной коре выветривания. В результате наглядно
выявляется накопление В, Zn, Cu, Y, Mo при
засолении коры.
Виды
миграции
химических
элементов.
Выделяются 4 основных вида миграции в зависимости от формы движения мате-
рии (А.И. Перельман). Понятие об этих формах, как
известно, разработал Ф. Энгельс, выделивший
механическую, физическую,
химическую,
биологическую и социальную формы движения
материи. В последние десятилетия дискутируется
вопрос о выделении также кибернетической,
субатомной, геологической, географической и других
форм движения материи. Неясность многих
положений заставила нас взять за основу
первоначальную систематику Энгельса.
Наиболее простой является миграция, подчиняющаяся законам механики, ---
образование россыпей, ветровая и водная эрозия и т .д. Эта механическая мигра-
ция зависит преимущественно от величины частиц минералов и пород, их плотно-
сти, скорости движения вод, ветра. Химические свойства элементов часто не
имеют значения, и такие различные элементы, как K, Si, Al, входя в состав пере-
носимой ветром песчинки ортоклаза (K2Al2 Si6O16), мигрируют с одинаковой
скоростью.
Сложнее процессы, сущность которых определяется законами физики и химии
--- диффузией, растворением, осаждением, сорбцией, десорбцией и т .д. Это физи-
ко- химическая миграция. Лучше всего изучена миграция веществ в водных рас-
творах в виде ионов (ионная миграция), зависящая от растворимости солей, ще-
лочно- кислотных и окислительно- восстановительных условий. Иным законам
подчиняется коллоидная миграция, миграция газов.
Еще сложнее биогенная миграция, выделенная В.И. Вернадским, обязанная дея-
тельности организмов. Эта миграция не может анализироваться только на основе
общих законов физики и химии. Такие константы элементов, как радиусы ионов,
валентность, недостаточны для анализа биогенной миграции. Организмы сущест-
вуют в особом информационном поле, для них характерны процессы управления,
переработки информации, отсутствующие в неживой природе.
Самой сложной является техногенная миграция, связанная с общественными
процессами. К ней относится отработка месторождений полезных ископаемых,
нефтепроводы, экспорт и импорт и т .д. Она определяется социальными законо-
мерностями, хотя ей присущи и все более простые формы движения.
Значение видов миграции для разных элементов неодинаково. Так, если для К и Р особен-
но большую роль играет биогенная миграция, то для Nа и Cl --- физико-химическая, а для Ti,
Au, Pt, Sn --- механическая. В разных ландшафтах соотношение видов миграции также не
одинаково. Если в пустынях возрастает роль механической миграции, то во влажных тропи-
ках --- физико-химической и биогенной. Pb и W в пустынях мигрируют преимущественно
механическим путем, во влажных тропиках --- в растворах. Но все же каждый элемент попа-
дает и в организмы, и в воды, перемещается механическим путем, а многие образуют и
газообразные соединения. Поэтому виды миграции не существуют изолированно. Они тесно
связаны и взаимообусловлены. Ведущее значение имеет высший, более сложный вид мигра-
ции. Например, в степных и таежных ландшафтах главной является биогенная миграция, хотя
здесь протекают и физико-химические и механические процессы. Аналогично геохимические
черты городских ландшафтов определяются техногенной миграцией, социальными процес-
сами, хотя для городов характерны и все остальные виды миграции.
В зависимости от вида миграции мы выделяем три основных ряда элементарных
и геохимических ландшафтов.
1. Абиогенные ландшафты, для которых характерна только механическая и фи-
зико- химическая миграция.
2. Биогенные ландшафты с ведущим значением биогенной миграции и подчи-
ненной 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. Хи-
мические элементы, ионы и соединения, определяющие условия миграции в
ландшафте, именуются типоморфными (ведущими). Число их невелико: Ca, H
(вернее, водородный ион), Fe, S, Cl и другие. Это позволяет говорить о кальцие-
вых, кислых и прочих ландшафтах (например, кальциевая и кислая тайга). Разли-
чия 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 . Nа определяет геохимическое своеобразие ландшафта, физико-
химические условия среды, т . е . является типоморфным. Cs в химическом отноше-
нии похож на Na, но его кларк мал (3,7.10-4) и влияние на геохимические особен-
ности 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 типоморфными из- за малых концентраций в системах --- они выну-
ждены мигрировать в той обстановке, которую создают типоморфные элементы.
Именно различия в кларках определяют ведущую роль S и второстепенную Te,
ведущее значение Na и подчиненное Rb, Li, Cs. Редкие элементы в местах их
концентрации становятся ведущими, например, в месторождениях U, Mo и т .д . Но
ведущее значение элемента зависит не только от его кларка и концентрации в
данной системе. Важно, чтобы элемент мигрировал и накапливался. Распростра-
ненные, 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 Cl энергично выщелачиваются во влажных тропиках
из кислой коры выветривания и не являются там ведущими. Только в соляных
озерах и солончаках, где Na и Cl мигрируют и накапливаются, они становятся
ведущими. Из сказанного следует принцип подвижных компонентов: геохимиче-
ская 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 концентра-
цию, обусловленную единым процессом. Ассоциация может быть как одновре-
менной, так и неодновременной, связанной, например, с последовательным осаж-
дением 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 Cl в
галите). Более сложны и разнообразны парагенезисы элементов- примесей. Так,
для гидроксидов Mn часто характерна примесь Ba 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, Cl,
S, Ca, Mg, Sr, а из редких элементов местами также Мо, Zn, U, V, Li, B, 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 (отрицатель-
ный 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, давле-
ние, температура, химический потенциал и т .д.). Миграцию химических элемен-
тов, как и всякую работу, можно выражать через произведение экстенсивных и
интенсивных параметров. В случае механической работы это F, S, где экстенсив-
ный параметр путь --- S, а интенсивный --- сила F. В уравнении работы газа dA =
P.dV, P --- давление --- интенсивный параметр, а dV --- изменение объема --- экс-
тенсивный и т.д.
Экстенсивные параметры миграции --- это количество мигрирующих веществ,
расстояние миграции и т .д . Об интенсивности миграции химического элемента
можно судить по тому его количеству, которое в единицу времени переходит в
подвижное состояние (например, в природные воды). Однако при этом надо учи-
тывать и величину кларка, особенно общее число атомов данного элемента, со-
держащихся в ландшафте. Например, если предположить, что интенсивность
миграции Na и Li одинакова, то в подвижное состояние из горных пород в при-
родные воды Na перейдет значительно больше, чем Li, так как у Na кларк высо-
кий (2,50), а у Li низкий (3,2.10-3). Следовательно, чтобы охарактеризовать ин-
тенсивность миграции элемента, необходимо учитывать не только количество его
атомов в ландшафте, перешедшее в подвижное состояние, но и общее количество
атомов. Иначе говоря, интенсивность миграции выражается скоростью перехода в
подвижное состояние одного грамма вещества данного элемента. Если общее
количество атомов элемента x в ландшафте или какой- либо его части (почве,
горной породе, организмах) обозначить b, то количество атомов, перешедшее в
подвижное состояние за промежуток времени dt, составит db. Тогда относитель-
ная часть атомов, перешедших в подвижное состояние, равна db/b, а в
единицу времени --- db . 1 . Эта величина и представляет собой интенсив-
bdt
ность миграции --- Рх или в дифференциальной форме для бесконечно малого
промежутка времени:
Рх=1.db
bdt
Данное уравнение интенсивности миграции применительно к выветриванию
было выведено А.И. Перельманом в 1940 г . и более подробно охаракте-
ризовано в 1956 г . Член уравнения db играет важную роль в геохимии ланд-
b
шафта при характеристике миграции. Из уравнения следует, что чем больше
величина b, тем (при неизменности db) меньше интенсивность миграции. Так как
величина b в общем зависит от кларка элемента, то можно сказать, что при сход-
ных химических свойствах элемент с меньшим кларком мигрирует энергичнее (Se
энергичнее S, Sr энергичнее Са и т .д .).
Для определения Рх необходимо знать ее зависимость от времени, которая в
большинстве случаев неизвестна. Однако если принять, что в изучаемом процессе
интенсивность миграции постоянна (Рх = Const), то уравнение интегрируется:
b2 = b1 . eРх (t2-t1)
где b1 --- содержание элемента x в системе до начала изучаемого процесса в мо-
мент времени t1; b2 --- количество элемента в системе к моменту времени t2 .
Зависимость количества элемента x в системе от времени передается экспонентой
(рис. 2.2). Эту формулу можно использовать для приблизительного расчета интен-
сивности 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, Al, Ca, Mn, K, Na, находящиеся в этом году в коре
Рис. 2.2. Изменение содержания
элемента x в системе при
постоянной величине интенсив-
ности миграции Рх
выветривания, и стотысячные доли от каждого грамма Mg.
Время миграции одинаково для всех элементов данной системы, поэтому можно
рассчитать интенсивность миграции элемента x относительно элемента y.
Уравнение интенсивности миграции применимо и для характеристики иммигра-
ции --- поступления химического элемента в систему, его концентрации. При этом
Рх приобретает положительное значение, так как b2 >
d1 (напомним, что все построения предполагают
постоянство
интенсивности
миграции,
т.е.
независимость Рх от времени).
Геохимические барьеры. Этим термином А.И.
Перельман в 1961 году предложил именовать участки
земной коры, в которых на коротком расстоянии
происходит резкое уменьшение интенсивности
миграции химических элементов и , как следствие, их
концентрация. Аналогично макро- и микроклимату,
макро-, мезо- и микрорельефу выделяют макро-, мезо-
и микробарьеры. Так, в дельтах зона смешения пресных
речных вод и соленых морских представляет собой
макробарьер шириной в сотни и тысячи метров (при длине рек и морских аквато-
рий в тысячи километров). К мезобарьерам относятся краевые зоны болот, где
накапливаются многие элементы, выщелоченные из почв водоразделов и склонов.
Ортзанды в почвах мощностью в несколько сантиметров и миллиметров относятся
к микробарьерам.
Явление, которое именуется геохимическим барьером, привлекало внимание
исследователей и ранее, в частности, при изучении условий образования минера-
лов и руд, при трактовке процессов осаждения элементов из вод. Однако ранее
оно рассматривалось изолированно, как предмет разных наук --- минералогии,
литологии, почвоведения, науки о рудных месторождениях и т .д. Но в почвах,
илах рек и озер, корах выветривания, горизонтах грунтовых вод, зонах разломов и
других системах протекают сходные процессы концентрации элементов. Это и
позволило установить общие типы таких процессов, сформулировать понятие о
геохимическом барьере, которое относится к фундаментальным понятиям геохи-
мии. Главная особенность барьера --- резкое изменение условий концентрации
элементов, это зона, где одна геохимическая обстановка сменяется другой. Между
понятием "геохимический барьер" и "геохимическая обстановка", следовательно,
имеется глубокая связь: уменьшение пространства, занимаемого обстановкой,
приводит к переходу количества в качество, превращению обстановки в барьер и
наоборот.
На геохимических барьерах образуются руды большинства месторождений,
различные геохимические аномалии, приводящие к загрязнению окружающей
среды, другие практически важные виды концентрации элементов. Все это опре-
деляет важность изучения геохимических барьеров.
При совмещении в одном месте различных геохимических процессов формиру-
ются комплексные барьеры, образующиеся в результате наложения двух или
нескольких взаимосвязанных геохимических процессов. Выделяются также дву-
сторонние барьеры, которые формируются при движении различных элементов к
барьеру с разных сторон. На двустороннем барьере происходит осаждение разно-
родной ассоциации химических элементов. Различаются также латеральные барь-
еры, образующиеся при движении вод в субгоризонтальном направлении, напри-
мер на границе элементарных ландшафтов, и радиальные (вертикальные) барьеры,
формирующиеся при субвертикальной (снизу вверх или сверху вниз) миграции
растворов в почвах, зонах разломов, корах выветривания и т .д. В зависимости от
способа массопереноса различаются диффузионные и инфильтрационные барьеры.
В.С. Голубев разработал понятие о подвижном геохимическом барьере, когда
барьер перемещается медленнее фильтрации вод.
В основу классификации геохимических барьеров положены виды миграции. Выделяется
два основных их типа --- природные и техногенные. Природные в свою очередь разделяются
на три класса. Наиболее простые --- механические барьеры --- участки резкого уменьшения
интенсивности механической миграции. К ним приурочены различные продукты механиче-
ской дифференциации осадков. В местах резкого уменьшения интенсивности физико-
химической миграции формируются физико-химические барьеры. Они возникают в местах
изменения температуры, давления, окислительно-восстановительных, щелочно-кислотных и
других условий. Биогеохимические барьеры обязаны уменьшению интенсивности биогенной
миграции --- угольные залежи, торф, концентрации элементов в телах организмов и т.д. (рис.
2.3).
Среди техногенных барьеров также выделяются механические, физико-
химические и биогеохимические классы. Более сложные процессы образования
геохимических барьеров обычно включают в себя менее сложные. Например, в
образовании техногенных барьеров могут участвовать механические, физико-
химические и биогенные процессы, но сущность данных барьеров не может быть
понята без учета особенностей техногенной миграции. Главное внимание иссле-
дователей до сих пор привлекали природные и техногенные физико- химические
барьеры. Изменение геохимических показателей m (t, p, Eh, pH и т .д) в направле-
нии миграции химических элементов называется градиентом барьера G (рис. 2.4):
G=dm илиG=m2---m1
Рис. 2.3. Геохимические барьеры в географической оболочке (биосфере, ноосфере)
1 --- механические, 2 --- физико-химические, 3 --- биогеохимические, 4 --- техногенные, 5 --- глубина
проникновения кислородных вод в литосферу, зависящая от климата и геологического строения; А ---
кислородные, В, С --- восстановительные барьеры, приуроченные к границе проникновения кислород-
ных вод в литосферу.
Рис. 2.4. Параметры
геохимического барьера:
1 --- направление миграции
химических элементов до
барьера; 2 --- после барьера;
3 --- область концентрации
элементов на барьере
(рудные тела, аномалии и
др.); m1 --- геохимические
характеристики среды до
барьера, m2 --- после барьера,
l --- длина барьера.
dl
l
где m1 --- значение данного геохимического показателя до барьера, m2 --- после
барьера, l --- ширина барьера. После изучения геохимических барьеров желатель-
но строить функции m = f /l/ и устанавливать тип кривой.
Контрастность барьера S характеризуется отношением величины геохимиче-
ских показателей в направлении миграции до и после барьера:
Интенсивность накопления элемента увеличивается с ростом контрастности и
градиента барьера.
Геохимические дыры. По Н.И. Еникееву, это понятие противоположно "гео-
химическому барьеру" и относится к зонам, в которых на коротком расстоянии
резко изменяются гидрогеохимические условия, усиливается подвижность эле-
ментов вплоть до их исчезновения в зоне "дыры". В качестве примера автор при-
водит техногенную резковосстановительную газовую геохимическую дыру, воз-
никшую в кислородных подземных водах на участках их загрязнения органиче-
скими соединениями. В результате возникает восстановительная среда, развива-
ются анаэробные бактерии, разлагающие растворенные соединения и продуци-
рующие метан, углекислый газ, водород, сероводород, окислы азота и другие
газы. Так, вещества в твердом и жидком состоянии превращаются в газы, мигри-
рующие из водоносного горизонта. Подобные явления изучены в Ташкентском
метрополитене, заводах Ферганской долины.
Ореолы рассеяния. Это понятие возникло при
разработке геохимических методов поисков рудных
месторождений. Та часть месторождений, в которой
содержание рудных элементов достигает величин,
допускающих их эксплуатацию, называется рудным
телом, или залежью полезного ископаемого, а само
вещество с кондиционным содержанием элемента ---
рудой. Остальная часть поля концентрации --- это
первичный геохимический ореол месторождения. Он
образовался одновременно с рудным телом и в
результате тех же процессов. Граница между рудным
телом и первичным ореолом определяется требованиями
промышленности. Например, в конце ХIХ в . в США
перерабатывались медные руды, содержащие более 5%
Cu, и прилегающие породы с первыми процентами Cu
представляли первичный ореол. В середине ХХ в .
перерабатывались уже руды с 1% Cu, и то, что ранее
считалось первичным ореолом, стало рудой. Протяженность первичных ореолов
измеряется десятками, сотнями и тысячами метров, причем нередко ореол дости-
гает земной поверхности, в то время как рудное тело расположено на глубине
(рис. 2.5).
В ландшафтах рудные тела и первичные ореолы подвергаются выветриванию и
денудации. В результате почва, кора выветривания, континентальные отложения,
подземная и надземная атмосфера вблизи месторождения обогащаются индика-
торными элементами (рудными и их спутниками). При выщелачивании руд и
ореолов элементы поступают в поверхностные и подземные воды. Растения также
накапливают рудные элементы, повышается их содержание и в животных. Так
возникает повышенная концентрация элементов в ландшафте, образующая вто-
ричный (эпигенетический) ореол рассеяния. Различают литохимические ореолы ---
в почвах, породах, гидрогеохимические --- в водах, атмохимические --- в атмосфе-
ре, биогеохимические --- в организмах.
Размеры вторичных ореолов достигают сотен и тысяч метров. Содержание ин-
дикаторных элементов в литохимических ореолах местами лишь незначительно
отличается от их содержания во вмещающих породах, причем искомые элементы
в подавляющем большинстве случаев находятся в неминеральной форме (адсор-
бированы глинами и т .д.). Определяя содержание химических элементов в корен-
ных горных породах, во всех компонентах ландшафта --- почвах, рыхлых отложе-
ниях, водах, растениях, атмосфере, можно обнаружить первичный или вторичный
ореол, а по нему и само месторождение.
Так как площади ореолов в десятки, сотни и тысячи раз больше площади рудно-
го выхода, то понятно, что при поисках легче обнаружить ореол, чем руду. А если
обнаружен ореол, то руду найти гораздо легче. Местами на поверхность выходит
только ореол рассеяния, само же месторождение скрыто на глубине ("слепое").
Искомый элемент не всегда является индикаторным. Иногда рациональнее искать
месторождение по "элементам- спутникам". Так, многие рудные месторождения
содержат непромышленные концентрации ртути. Летучесть ртути обусловливает
образование очень широкого ореола рассеяния, более широкого, чем у свинца,
цинка, меди. Поэтому искать свинцовые, цинковые, медные и другие месторожде-
ния в ряде случаев удобно на основе определения в породах элемента- спутника ---
ртути (А.А. Сауков, Н.А. Озерова, В.З. Фурсов).
В зависимости от объекта анализа различают литохимический (металлометри-
ческий), гидрогеохимический, биогеохимический и атмогеохимический (газовый)
методы поисков, которые в совокупности и составляют геохимические методы
поисков, получившие широкое распространение в нашей стране и за рубежом. Они
были разработаны в начале 30-х годов в СССР (Н.И. Сафронов, А.П. Соловов,
Рис. 2.5. Природные и техногенные ореолы рассеяния: 1 -- локальный источник техногенного загрязне-
ния; 2 -- рудное тело; 3 -- разлом; 4 -- пески, супеси, суглинки;
5 -- глины; 6 -- рудовмещающие породы; 7 -- почвы; 8 -- первичный ореол в коренных породах; 9 -- зона
окисления рудного тела; 10 -- вторичный литохимический ореол в рыхлых отложениях и почвах; 11 --
атмохимический ореол; 12 -- биогеохимический ореол; 13 -- водные источники: а) с фоновыми содержа-
ниями индикаторных элементов, б) гидрогеохимический ореол; 14 -- уровень грунтовых вод.
В.А. Соколов и др.).
Литохимические поиски (металлометрическая съемка) заключаются в отборе
проб почв и делювия с глубины 0,1---0,2, иногда около 0,5 м . Пробы отбираются
по сетке, частота которой зависит от масштаба съемки (обычно 1:10 000 --- 1:100
000). За последние 50 лет этим видом поисков в рудных районах охвачены сотни
тысяч квадратных километров и только в Казахстане отобрано 60 млн. проб. В
каждой пробе методом спектрографии обычно определяется 30---40 химических
элементов.
Результаты анализов наносят на геологическую карту, точки с равными значе-
ниями соединяют изолиниями --- изоконцентратами (рис. 2.6). Методы математи-
ческой статистики позволяют выделить на карте участки с "фоновым" для данного
района содержанием металлов и участки с повышенным "аномальным содержани-
ем". Аномальные участки нередко являются "рудными аномалиями" и приурочены
к месторождениям. Но существуют и слабые безрудные аномалии (рис. 2.7), фор-
мирующиеся на участках распространения пород, обогащенных отдельными эле-
ментами ("породные" аномалии Со и Ni в ультраосновных породах). Безрудными
являются и "ландшафтные аномалии", образовавшиеся на геохимических барье-
рах.
Гидрогеохимические методы эффективны при поисках урановых, медных, мо-
либденовых, борных и других месторождений (А.А. Бродский, Г.А. Голева, С.Р.
Крайнов, А.А. Сауков, П.А. Удодов и др.). Вблизи месторождений содержание
элементов в водах возрастает в десятки и сотни раз. Преимуществом гидрогеохи-
мического метода является возможность обнаружения глубоко залегающих руд-
ных тел.
Рис. 2.6. Карта изоконцентрат цинка (в n.10-3%).
Характеристику биогеохимических методов поисков см. на стр. 73.
Атмохимические (газовые) методы применяются при поисках радиоактивных
руд, нефтяных и газовых залежей. Имеются данные об их эффективности при
поисках и других типов рудных месторождений. Прямой геохимический метод
поисков нефти и газа основан на определении метана и тяжелых углеводородов в
почвенном воздухе, в воздухе буровых скважин, в керне (В .А. Соколов). В
ряде районов, особенно в горноскладчатых, этот метод дает хорошие результаты и
позволяет обнаруживать залежи на глубине сотен метров.
Часть геохимических аномалий, выявленных при поисках, интерпретируется
сравнительно легко. Однако большая часть аномалий относится к труднооцени-
ваемым. Одни из них не представляют практического интереса (рудопроявления,
безрудные аномалии), другие соответствуют промышленным месторождениям.
Актуальным вопросом геохимических поисков является оценка геохимических
аномалий. Чтобы оценить аномалию, необходимо выяснить, как она образовалась,
т . е . установить те процессы миграции, которые привели к концентрации элемен-
тов на данном участке. Поэтому геохимия ландшафта является одной из теорети-
ческих основ геохимических методов поисков.
Методика всех видов поисков основана
на сравнении результатов опробования с
фоновыми
данными. Проведенные
исследования показали, что фоновые
значения неодинаковы в разных районах.
Содержание элементов в почвах, водах,
растениях в одном районе может являться фоновым, в другом --- аномальным и
свидетельствовать о наличии оруденения (рис. 2.7). Методика опробования также
различна. Если, например, в пустынях при металлометрической съемке пробы
можно отбирать с глубины 10---20 см, то в тайге иногда необходима большая
глубина опробования. В теории геохимических поисков существует понятие о
" представительном горизонте" (А.Н. Еремеев) --- наиболее приближенном к зем-
ной поверхности горизонте максимального площадного развития вторичных орео-
лов. Различают также "достаточный поисковый уровень" (Ю.В. Шарков). Каждый
геохимический ландшафт характеризуется, таким образом, особыми условиями
образования вторичных ореолов рассеяния, особыми фоновыми содержаниями
элементов, поэтому и методика геохимических поисков должна быть дифферен-
цирована применительно к отдельным геохимическим ландшафтам. Иначе говоря,
в тайге, тундре, пустыне и других ландшафтах искать руды надо по-разному.
Формирование вторичных ореолов во многих рудных районах началось сотни
миллионов лет назад. За прошедшее время неоднократно менялись климатические
условия, выщелачивались и концентрировались индикаторные элементы. В древ-
них корах выветривания и в других зонах выщелачивания интенсивность ореолов
уменьшалась, а на многочисленных геохимических барьерах увеличивалась. Вне
участков месторождений на геохимических барьерах возникали безрудные анома-
лии. Поэтому оценка геохимических аномалий должна быть основана не только на
анализе современных ландшафтных условий, но и на понимании истории их раз-
Рис. 2.7. График геохимического опробования по
профилю (по А.П. Соловову)
вития. Историзм --- важнейший принцип ландшафтно- геохимических работ, на-
правленных на повышение эффективности геохимических поисков.
Теория геохимических методов поисков и особенно понятие об ореолах рассея-
ния имеет большое значение и для решения экологических задач --- борьбы с
загрязнением окружающей среды и мониторинга. Разрушающееся на земной по-
верхности рудное месторождение и образующиеся при этом вторичные ореолы
рассеяния оказались хорошей моделью загрязнения среды от локального источни-
ка --- города, горнообогатительного комбината и т .д .
Законы распределения химических элементов в подсистемах ландшафта.
Если на содержание химического элемента в почве, коре выветривания, водах,
организмах и других подсистемах ландшафта влияет большое число равновероят-
ных случайных независимых друг от Рис. 2.8. Кривая нормального (гауссовского)
распределениявыражением которого служит кривая Гаусса. При нормальном
распределении наиболее вероятным значением служит среднее арифметическое х ,
которое совпадает с модой (наиболее распространенным значением) и медианой
(среднее значение в ранжированном ряде величин). Правда, построение кривых на
основе опытных данных, как правило, позволяет говорить лишь о приближении к
нормальному закону, т . е . об аппроксимации (рис. 2.8).
К параметрам нормального распределения,
кроме среднего арифметического х , относится
также величина S или среднее квадратичное
отклонение, которое характеризует разброс
изучаемой величины. Важным показателем
является и коэффициент вариации:
Расчет по формуле Гаусса показывает, что при
нормальном распределении в пределах х ±S
находится 68,3% значений. Если же пользоваться
величиной х ±3S, то в ее пределах будет уже 99,7% значений, т . е . можно быть
уверенным, что из 1000 значений за этим пределом будет не более трех. Следова-
тельно, если распределение элементов в системе подчиняется нормальному зако-
ну, то с вероятностью 99,7 можно считать, что все значения в пределах х ±3S
будут относиться к данной совокупности, данной системе и различия между ними
определяются случайными причинами. Значения, отличные от х ±3S будут отно-
ситься к геохимическим аномалиям (Са), т . е . принадлежать уже к другой сово-
купности, другой системе. Поэтому за нижний предел аномальности Са нередко
принимают величину Сф + 3S ("правило трех сигм"): Са I Сф + 3S, где Сф ---
фоновая концентрация (среднее арифметическое).
При Са I х + 3S аномалия положительна, а при Са < х --- 3S отрицательна.
Опытным путем установлено, что существуют геохимические аномалии, соответ-
ствующие и менее "жестким критериям": Са I Сф + 2S или даже Са I Сф + S.
Распределение химических элементов, аппроксимирующееся нормальным зако-
ном, наблюдается в некоторых минералах, породах, почвах, водах. Однако чаще
распределение подчиняется логарифмически нормальному (логнормальному)
Рис. 2.8. Кривая нормального (гауссовско-
го) распределения
закону --- нормальное распределение характерно не для самой величины, а для ее
логарифма. Параметрами в этом случае будет уже не среднее арифметическое, а
среднее геометрическое (x) и сигма логарифмированных значений признака (e).
Соответственно "жесткий" критерий аномальности будет Са I Сф.e3, а более
мягкие: Са I Сф.e2 и Са I Сф.e. Распределение разных элементов в одних и тех же
объектах нередко подчиняется разным законам.Так, если распределение К в неко-
торых микроклинах и мускрвитах аппроксимируется нормальным законом, то
распределение Li, R и Cs --- логнормальным. Это объясняют разной ролью эле-
ментов в решетке --- К элемент "хозяин", а Li, R и Cs --- изоморфные примеси.
Особенно убедительно это показано для лантаноидов, среди которых наиболее
распространенные в цериевых минералах (La, Ce, Pz, Nd) распределены нормаль-
но, второстепенные (Sm, Gd) --- логнормально, а остальные, рассеянные (Eu, Tb ---
Lu) --- еще более ассиметрично (Д.А. Минеев).
По Д.А. Радионову, распределение элементов в минералах чаще всего подчиня-
ется логнормальному закону. Этот же закон характерен и для распределения в
изверженных породах тех элементов, которые концентрируются в одном минера-
ле. Распределение элементов, рассеянных во многих минералах в приблизительно
равных количествах, подчиняется нормальному закону.
Н.К. Разумовский в 1940 г . доказал, что статистическое распределение Pb и Zn,
Ni и Au в коренных месторождениях подчиняется логнормальному закону, кото-
рый имеет важное значение для геологии. Позднее Л. Аренс (1954, 1957), очевид-
но, не зная о работах Разумовского, установил, что распределение многих редких
и рассеянных элементов в изверженных породах подчиняется логнормальному
закону, --- по его мнению, "основному закону геохимии". Обсуждение этого во-
проса многими учеными показало, что логнормальный закон по своей значимости
не может претендовать на роль
основного закона геохимии.
Из сказанного следует, что данные о
содержании химических элементов в
ландшафте необходимо распределить на
однородные совокупности. Так, в одном
из районов Южных Мугоджар было
выделено около 20 таких совокупностей
в почвах, корах выветривания и
континентальных отложениях: кислая
выщелоченная древняя каолиновая кора
выветривания основных эффузивов, эта
же кора выветривания, подвергшаяся
процессам
огипсования,
глеевые
бескарбонатные горизонты луговых почв
и т.д. На рис.2.9 показано распределение
Мо в ландшафтах Южных Мугоджар. При
таком способе систематизации наглядно
выявляются особенности миграции эле-
мента, например, пониженное содержа-
ние Мо в кислой выщелоченной коре
выветривания и его накопление при ее
засолении (огипсовании). Данные о наи-
Рис. 2.9. Распределение молибдена в ланд-
шафтах Южных Мугоджар (по Н . А . Шмелько-
вой). В скобках --- число проб:
1 --- в почвах, корах выветривания и конти-
нентальных отложениях (2500), 2 --- в древней
незагипсованной коре выветривания (60), 3 ---
в древней загипсованной коре выветривания
(56), 4 --- в загипсованных неогеновых отложе-
ниях (70), 5 --- в загипсованных четвертичных
отложениях (80), 6 --- в глеевых бескарбонат-
ных горизонтах почв (50)
более распространенном (модальном) содержании элемента можно использовать
для вычисления КК --- кларка концентрации элемента в данной системе относи-
тельно литосферы. КК следует наносить на "схему идеального ландшафта", на
которой показаны все элементарные ландшафты и подсистемы изученного района.
Рассеяние (КК < 1) и концентрацию элемента (КК > 1) следует изображать раз-
личными значками. На этой же схеме необходимо показывать геохимические
барьеры и зоны выщелачивания. В результате получается наглядная картина
распределения и миграции элемента. Подобные приемы систематизации материа-
ла можно использовать и для характеристики распределения элементов в биосфе-
ре в целом.
Контрольные вопросы
1. В чем состоит основной геохимический закон В.М. Гольдшмидта?
2. В чем различия нормального и логнормального распределения химических
элементов?
3. Зачем необходимо рассчитывать кларки концентрации?
4. Как строятся геохимические спектры, в чем их преимущества?
5. Какие химические элементы относятся к ведущим?
Глава 3
БИОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ
На земной поверхности нет химической си-
лы, более постоянно действующей, а потому и
более могущественной по своим конечным по-
следствиям, чем живые организмы, взятые в
целом...
Живое вещество охватывает и перестраи-
вает все химические процессы биосферы, дей-
ственная его энергия по сравнению с энергией
косного вещества в историческом времени ог-
ромна.
В.И. ВЕРНАДСКИЙ
Совокупность живых организмов, выраженную в единицах массы и энергии, В.И. Вернад-
ский назвал живым веществом. Можно говорить о живом веществе всей планеты, отдельных
материков, стран, морей, ландшафтов. При таком подходе геохимическая деятельность
организмов вполне сравнима с действием других, хорошо изученных в науках о Земле факто-
ров. "Прилагая новую мерку изучения жизни, совершенно отличную от обычной, мы подхо-
дим к явлениям и перспективам до сих пор невиданным", --- писал ученый. Понятие о жи-
вом веществе --- главное в гениальных построениях В.И. Вернадского. С этим понятием
связан переворот в науках о Земле, создание учения о биосфере. Науку о влиянии жизни на
геохимические процессы Вернадский назвал биогеохимией. Первые десятилетия она развива-
лась медленно, встречала и возражения. Одна из причин была связана с исключительной
дисперсностью жизни, ничтожностью геологической роли отдельного организма по сравне-
нию с работой рек, ледников, ветра, вулканов, моря и т.д. Казалось, удел организмов ---
приспосабливаться к обстановке, создаваемой этими могучими силами природы. Чтобы
оценить геологическое значение жизни, понадобилось к работе организмов подойти с другой
меркой, рассмотреть работу живого вещества в целом. Идеи Вернадского получили широкое
распространение только в современную эпоху в связи с остро вставшей проблемой загрязне-
ния окружающей среды. Выяснилось, что биогеохимия --- одна из теоретических основ
решения данной проблемы.
По В.И. Вернадскому, живое вещество, захватывая энергию Солнца, создает
химические соединения, при распаде которых эта энергия освобождается в форме
производящей химическую работу. Это и привело ученого к выводу, что живые
организмы не второстепенные участники геологических процессов, лишь оказы-
вающие влияние на общий ход неорганических явлений в земной коре, а главный
фактор миграции химических элементов: "... все бытие земной коры, по крайней
мере 90% по весу массы ее вещества, в своих существенных, с геохимической
точки зрения, чертах обусловлено жизнью", --- писал он в 1934 г .
Геологический эффект деятельности отдельного организма бесконечно мал, но
так как число организмов бесконечно велико и действуют они практически в
течение бесконечно большого промежутка времени, то в итоге получается вели-
чина конечная и к тому же грандиозная. Преобразуя энергию солнечных лучей в
потенциальную, а затем и кинетическую энергию геохимических процессов, орга-
низмы изменили химический состав земной коры. Эта их работа в наибольшей
степени сосредоточена в ландшафтах суши и поверхностных слоях моря.
Биогенная миграция химических элементов в ландшафте определяется двумя
противоположными и взаимосвязанными процессами: 1) образованием живого
вещества из элементов окружающей среды; 2) разложением органических ве-
ществ. В совокупности эти процессы образуют единый биологический круговорот
атомов --- бик.
3.1. Образование живого вещества
Образование живого вещества из неорганических соединений окружающей сре-
ды происходит преимущественно в результате фотосинтеза зеленых растений по
следующей суммарной реакции:
СО2 + Н2О + световая энергия и хлорофилл [СН2О] + О2.
Из СО2 и Н2О под влиянием хлорофилла или другого пигмента, играющего
роль катализатора, и солнечной энергии зеленые растения синтезируют углеводы
и другие органические соединения, условно изображаемые как [CH2O]. Одновре-
менно в результате разложения воды выделяется свободный О 2. Исходные веще-
ства фотосинтеза --- СО2 и Н2О на земной поверхности не являются ни окислите-
лями, ни восстановителями. В ходе фотосинтеза эта "нейтральная среда" раздваи-
вается на противоположности: возникает сильный окислитель --- свободный ки-
слород и сильные восстановители --- органические соединения (вне организмов
растений разложение СО2 и Н2О возможно только при высоких температурах,
например, в магме, в доменных печах). С и Н органических соединений, а также
выделившийся при фотосинтезе свободный О "зарядились" солнечной энергией,
поднялись на более высокий энергетический уровень, стали "геохимическими
аккумуляторами".
Углеводы и другие продукты фотосинтеза, передвигаясь из листьев в стебли и
корни, вступают в сложные реакции, в ходе которых создается все разнообразие
органических соединений растений. Однако растения состоят не только из С, Н и
О, но также из N, Р, К, Са, Fe и других химических элементов, которые они полу-
чают в виде сравнительно простых минеральных соединений из почв или водо-
емов. Поглощаясь растениями, эти элементы входят в состав сложных богатых
энергией органических соединений (N и S --- в белки, Р --- в нуклеопротеиды и
т .д.) и также становятся геохимическими аккумуляторами. Данный процесс назы-
вается биогенной аккумуляцией минеральных соединений, благодаря которой эле-
менты переходят в менее подвижное состояние, т . е . миграционная способность их
понижается. Все остальные организмы --- животные, подавляющая часть микроор-
ганизмов и бесхлорофильные растения (например, грибы) являются гетеротрофа-
ми, т . е . они не способны создавать органические вещества из минеральных и
необходимые органические соединения получают от зеленых растений.
В 1890 г . С .Н. Виноградский (1856---1953) открыл микроорганизмы Nitro-
somanos (1) и Nitrobacter (2), способные окислять аммиак и не нуждающиеся в
органических соединениях как источнике энергии:
1)2NH3+3O2=2HNO2+2H2O+660,7кДж
2) 2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 180,6 кДж
Энергия, выделяющаяся при окислении, используется микроорганизмами для
синтеза органических веществ из СО2 и Н2О, минеральных солей. Позднее были
обнаружены и другие аналогичные автотрофные микроорганизмы, окисляющие S
и H2S, Fe2+, Mn2+, Sb3+, H2, CH4. Эти процессы названы хемосинтезом.
Ранее считалось, что жизнедеятельность микроорганизмов ограничена темпера-
турой около 1000С, так как при более высоких температурах денатурируется
белок --- основа жизни. Однако в 1977---1979 гг. на дне Тихого океана в местах
выхода гидротерм были открыты бактерии хемосинтетики, живущие при 3000С.
Это открытие исключительно важно и раздвигает границы биосферы.
Хемосинтез играет определенную роль в круговороте ряда химических элемен-
тов, но его значение в образовании живого вещества по сравнению с фотосинте-
зом ничтожно.
Рассмотрим образование живого вещества и с информационных позиций. В рас-
тениях синтезируется огромное количество различных органических соединений
--- углеводов, белков, жиров и др. Животные, некоторые растения и микроорга-
низмы, не способные создавать органические соединения из СО2 и Н2О, исполь-
зуя белки, жиры, углеводы и другие вещества растений, синтезируют новые бел-
ки, жиры, углеводы своего тела. Так образуются сотни тысяч органических со-
единений. Это приводит к резкому росту химической информации --- "информа-
ционному взрыву". Напомним, что число известных природных неорганических
соединений --- минералов измеряется тысячами и вряд ли намного превысит 10
000. Еще важнее, что при образовании живого вещества происходит качественное
изменение информации, возникает более сложный ее вид --- биологическая ин-
формация. Она еще более разнообразна, так как известны сотни тысяч видов
растений и миллионы видов животных.
Итак, при образовании живого вещества происходит аккумуляция энергии, уве-
личивается разнообразие, растет информация, возникает новый более сложный
ее вид --- биологическая информация, увеличиваются упорядоченность, слож-
ность, организация природы, растет негэнтропия, уменьшается информационная
и термодинамическая энтропия.
Для многих элементов в органических соединениях характерны ковалентные и
другие неионные связи, в то время как в неорганических соединениях более ти-
пичны ионные связи. Поэтому поведение Ca, Mg, K, Fe и других элементов в
живом веществе и вне его резко различно.
За миллиарды лет растения практически очистили земную атмосферу от СО2 и
обогатили ее кислородом. "Воздух, которым мы дышим, создан жизнью" --- писал
В.И . Вернадский. В образовании О 2 и поглощении СО2 заключается кислородно-
углекислотная биогеохимическая функция живого вещества. Важное значение
имеет и биохимическая функция, связанная с процессами, протекающими внутри
организмов. Например, в результате размножения живое вещество быстро распро-
страняется в пространстве, занимая все пригодные для жизни участки. Это Вер-
надский назвал "давлением жизни" и сравнил его с давлением газа. Скорость
"растекания" жизни исключительно велика. Для холерного вибриона, например,
она составляет 33 000 см/ с и даже для наиболее медленного слона 0,1 см/с .
Количество живого вещества. В живом веществе ландшафта абсолютно пре-
обладает фитомасса, много меньше зоомассы и микроорганизмов. Обычно зоомас-
са не превышает 2% от массы растений и лишь изредка достигает 10%. В связи с
этим энергетическая роль животных по сравнению с растениями мала, но, как
отметил Г. Ф. Хильми, значение животных существенно в явлениях саморегулиро-
вания ландшафта. В зоомассе в 10---100 раз больше беспозвоночных, чем позво-
ночных, травоядные животные (фитофаги) в сотни и тысячи раз преобладают над
хищниками. Так как зоомасса составляет незначительный процент биомассы, во
всех дальнейших расчетах используются данные только о фитомассе.
По Н .И. Базилевич, общее количество фитомассы (Б) на Земле равно 2,4.1012 т
сухого вещества (без воды). Расчет сделан на "восстановленный растительный
покров", т . е . без учета вырубки лесов, распашки степей, орошения пустынь и т .д .
Подавляющая часть фитомассы сосредоточена на материках, где она распределена
крайне неравномерно: ее много в тропических лесах (6500 ц/га), меньше в южной
тайге (около 3000 ц /га), еще меньше в черноземных степях (около 100 ц/га) и
совсем мало в некоторых пустынях. Большая часть живого вещества представлена
лесами (82% от фитомассы суши), среди которых преобладают леса тропиков
(1,03.1012 т). Фитомасса океана составляет лишь 1,7.108 т , т . е . 0,007% от всей
фитомассы, зоомасса и микробиомасса --- 3,3.109 т. По количеству живого веще-
ства на 1 га океан близок к пустыням, но и в нем есть сгущения жизни, к которым
относятся, например, коралловые рифы, Саргассово море, выходы термальных
вод, зона апвеллинга --- подъема к поверхности глубинных вод, богатых Р и дру-
гими биоэлементами.
Важным геохимическим параметром является и ежегодная продукция живого
вещества П, которая для Земли в целом составляет 2,3.1011 т , причем на матери-
ках продуцируется 1,7.1011 т , в океане --- 6.1010 т . В океане живого вещества
меньше, но оно образуется и разлагается быстрее, чем на суше. За год его созда-
ется не намного меньше, чем на суше: на материках средняя годичная продукция
фитомассы равна 115 ц/ га, в океане --- 17 (для планеты в целом --- 45). Следова-
тельно, в океане годичная продукция живого вещества П в 3000 раз больше фито-
массыБ(насушеП<Б).
Масса живого вещества составляет ничтожную часть земной коры: если лито-
сферу, --- писал В .М. Гольдшмидт, --- представить в виде каменной чаши массой в
тринадцать фунтов, то масса поместившейся в ней гидросферы составит 1 фунт,
масса атмосферы будет соответствовать медной монетке, а живого вещества ---
почтовой марке. Однако живое вещество --- очень активная "действенная масса".
Если в последние пятьсот миллионов лет (с начала ордовика) годичная продукция
живого вещества была близка к современной, то суммарная продукция за это
время превысила массу земной коры.
Каждый из основных параметров биогенеза --- Б и П складывается из многих
показателей:
Биомасса (Б)
Продукция (П)
Б1 --- общая биомасса
П1 --- общая ежегодная продукция
Б2 --- зеленая биомасса
П2 --- зеленая продукция
Б3 --- надземная биомасса
П3 --- надземная продукция
Б4 --- подземная биомасса
П4 --- подземная продукция
Б5 --- животная биомасса
П5 --- животная продукция
(зоомасса)
Б6 --- животные фитофаги
П6 --- животные фитофаги
(травоядные)
Б7 --- животные хищники
П7 --- животные хищники
Особенно важны соотношения между ежегодной продукцией и биомассой: П1 :
Б1.100идр.
Соотношение биомассы и ежегодной продукции. Группы и типы ландшафтов. По этому показате-
лю четко выделяется пять групп ландшафтов (рис. 3.1).
Группа А. Ландшафты с максимальной аккумуляцией солнечной энергии, лишь
незначительная часть которой ежегодно превращается в энергию геохимических
процессов. Это лесные ландшафты, в которых биомасса в десятки раз превышает
ежегодную продукцию (Б измеряется тысячами ц/га, П --- десятками и сотнями).
Под пологом деревьев создается микроклимат, состав атмосферы меняется. Пре-
обладающая часть живого вещества, как правило, расположена над поверхностью
почвы: масса стволов и листьев намного превышает массу корней. В лесных
ландшафтах наиболее резко проявлена способность организмов создавать среду
своего обитания, они интенсивно преобразуют окружающую среду. Для ландшаф-
тов группы А характерна высокая когерентность --- интенсивные прямые совер-
шенные водные связи между почвой, корой выветривания, грунтовыми водами,
континентальными отложениями и поверхностными водами, ярко выражен водо-
Рис. 3.1. Биомасса (Б ) и ежегодная продукция (П) основных групп ландшафтов (по
А . И . Перельману). Точки на графике --- соотношения Б и П для существующих типов
ландшафтов в пределах групп и подгрупп.
Группа А --- лесная: А 1 --- гумидные тропики и субтропики; А 2 --- суббореальные
гумидные ландшафты широколиственных и хвойно- широколиственных лесов; А 3 ---
хвойные леса и др.
Группа В --- саванны, степи, луга, травяные болота: В 1 --- саванны; В 2 --- субтропи-
ческие степи; В 3---В 12 --- субтропические полупустыни, бореальные степи, луга
тундры, тайги, зоны широколиственных лесов, степей, полупустынь и пустынь; В 4 ---
травяные болота.
Группа С --- тундровая: С1 --- тундры; С2 --- лесотундры; С3 --- верховые болота.
Группа D --- пустыни.
Группа Е -- примитивные пустыни.
раздельный центр. Ландшафт отличается сложностью и устойчивостью. Биокос-
ные отрицательные обратные связи проявляются слабо.
Группа В. Ландшафты со средним накоплением солнечной энергии, биомассой в
сотни и десятки ц/га, значительная часть которой ежегодно превращается в энер-
гию геохимических процессов. Это степные, луговые и частично саванновые
ландшафты. Ежегодная продукция (П) в данной группе значительна и местами не
уступает группе А. В связи с этим Б:П на порядок меньше, чем в лесах. Запасы
гумуса в 10---20 раз превышают биомассу. Роль организмов в создании среды
обитания и , в частности, в создании микроклимата меньше. Основная масса живо-
го вещества часто сосредоточена под поверхностью почвы, т . е . масса корней
больше массы надземных органов растений. Прямые водные связи менее совер-
шенны, чем в группе А, в частности, ослаблены связи почва --- грунтовые воды.
Ярко выражена отрицательная обратная биокосная связь: почва --- раститель-
ность. Роль водораздельного центра ослаблена, в речных долинах создается вто-
рой центр ландшафта, часто более важный ("бицентрическая система"). Самоор-
ганизация и устойчивость ландшафтов ниже, чем в группе А.
Группа С. Это ландшафты тундр и особенно верховых болот со средним и ма-
лым накоплением солнечной энергии и медленным ее превращением в энергию
геохимических процессов. Биомасса в них составляет десятки и сотни центнеров
на гектар, ежегодная продукция низкая. Способность растений улучшать среду
обитания выражена слабо. По интенсивности прямых водных связей и величине
Б:П тундры ближе к лесной группе, а по размерам биомассы, развитию обратных
биокосных связей --- к степям и лугам. Большое значение имеют прямые воздуш-
ные связи. Разнообразие, самоорганизация и устойчивость низкие и напоминают
пустыни.
Группа D. Ландшафты среднего и малого накопления солнечной энергии и ма-
лого ее влияния на энергию геохимических процессов. Таковы многие ландшафты
пустынь, для которых характерны небольшие Б и П, низкая когерентность. Пря-
мые водные связи ослаблены, отдельные природные тела почти независимы друг
от друга (элювиальная почва --- грунтовые воды и т .д .). Резко выражены прямые
воздушные связи. Это ландшафты с наименее совершенной, наиболее расшатан-
ной связью. Центр ландшафта выражен слабо. Пустыни характеризуются наи-
меньшими разнообразием, самоорганизацией, устойчивостью.
Группа Е. Ландшафты с крайне малым накоплением солнечной энергии --- ничтожной
биомассой. К этой группе относятся такыры, шоровые солончаки, скалы, покрытые лишай-
никами, и другие примитивные пустыни. Биомасса здесь местами менее 1 ц/га, отношение
Б:П различно. Организмы неглубоко проникают в толщу литосферы (мощность ландшафта
низкая). Разнообразие, самоорганизация и устойчивость низкие.
Формирование ландшафтов А, В, С и D групп в основном определяется клима-
том, в связи с чем важнейшая закономерность их размещения --- зональность
(лесная, степная, тундровая, пустынная и прочие зоны). Однако в ряде случаев
развитие групп обусловлено другими факторами, наблюдается незональное раз-
мещение (например, верховые болота в таежной зоне, шоровые солончаки --- в
пустынной и т .д.).
Границы между А, В и С группами резкие (контрастные), а между В, D и Е ---
постепенные (размытые), не всегда точно определяемые. С этим, например, связа-
ны методические сложности разграничения сухих степей и пустынь, выделение
таких "переходных образований", как "полупустыни".
Группы ландшафтов состоят из типов с разной величиной Б и П. Так в группе А
четко выделяются влажные тропики, широколиственные леса, таежные ландшаф-
ты. Для создания определенной массы живого вещества необходима особая струк-
тура биоценоза, качественно своеобразное сочетание видов животных и растений.
Поэтому выделенные типы ландшафтов в общем отвечают типам растительного
покрова, а также типам ландшафтов физико- географических классификаций.
Для формирования типов ландшафтов характерны строго определенные ("кван-
тованные") уровни ежегодной продукции живого вещества. Выход за пределы
уровней означает переход в другой тип. Поэтому границы между типами резкие.
Вместе с тем изменение факторов формирования типов --- тепла и влаги происхо-
дит постепенно. Следовательно, несмотря на то, что факторы формирования
ландшафтов изменяются постепенно и могут принимать любые значения (непре-
рывное распределение), возможны лишь вполне определенные, четко ограничен-
ные друг от друга ("квантованные") типы ландшафтов.
В течение длительной эволюции живые организмы приспособились к условиям
окружающей среды, что определило зависимость жизни от режима тепла и влаги,
которые редко находятся в соответствии с потребностями организмов --- чаще
один из этих факторов лимитирует образование живого вещества. Так, в пустыне
не хватает влаги и большие ресурсы тепла и света используются не полностью. В
тундре, напротив, не хватает тепла и много избыточной влаги (при таком же
увлажнении в тайге образование живого вещества энергичнее). Поэтому невоз-
можно установить единую функциональную зависимость между типом ландшафта,
ресурсами тепла и влаги. Дефицитность одного из факторов тепла или влаги
приводит к тому, что изменение другого в определенных пределах не оказывает
существенного влияния на тип ландшафта (в агрономии сходное положение было
сформулировано свыше 150 лет назад Ю . Либихом в форме "закона минимума").
Например, в тропическом и экваториальном поясах 5000 мм годовых осадков при
их равномерном распределении в течение года обеспечивают влагой влажный
тропический лес. Увеличение количества осадков до 6000 мм и выше не имеет
большого таксономического значения --- тип ландшафта не изменяется. Конечно,
некоторые различия возникают, но они не столь существенны, чтобы изменить
тип ландшафта. Наоборот, если количество осадков понизится до 1000 мм в год,
то при имеющихся ресурсах тепла осадки не обеспечат тип влажных тропиков,
тип ландшафта станет иным (листопадно- вечнозеленые леса и т .д.). Это позволяет
ввести понятие о критическом значении фактора, необходимом для формирования
определенного типа ландшафта. Всякое значение фактора, превышающее крити-
ческое, не влияет существенно на образование живого вещества и именно поэтому
не может быть всегда полного соответствия между типом ландшафта и физиче-
скими показателями, например, радиационным индексом сухости.
Благодаря самоорганизации, относительной самостоятельности ландшафта,
способности к саморегулированию некоторые вариации тепла и увлажнения в
пределах типа не влияют на тип растительного покрова. Поэтому неоднократные
попытки представить все типы растительного покрова и ландшафтов как функцию
физического состояния системы, игнорируя природу процессов образования жи-
вого вещества, методологически несостоятельны. В отдельных случаях, напротив,
подобное соответствие возможно.
В ходе эволюции менялись типы растительного покрова, и сейчас на нашей
планете нет псилофитовых ландшафтов, характерных для начала девона, палео-
фитных влажных тропиков с папоротникообразными (карбон), мезофитных лесов
из голосеменных (юра) и т .д. Поэтому образование живого вещества неповторимо
во времени. Типы растительного покрова неповторимы и в пространстве: тайга не
может быть во влажном тропическом лесу, тундра --- в степи и т .д. Как будет
показано ниже, своей неповторимостью образование живого вещества принципи-
ально отличается от процессов разложения органических веществ.
Типы делятся на отделы, критерии выделения которых будут рассмотрены ни-
же, а в пределах отделов по величине Б и П выделяются три основных семейства
ландшафтов: северное, среднее и южное. В таежном типе это северная, средняя и
южная тайга. В тундровом типе --- северная тундра (арктическая), средняя (мохо-
во- лишайниковая) и южная (кустарниковая). В типе сухих степей --- северное
семейство на темнокаштановых почвах и южное --- на светлокаштановых. Некото-
рые типы состоят из четырех и пяти семейств, но в общем их число невелико:
возможности варьирования Б и П в пределах типа ограничены, выход за извест-
ные пределы приводит к коренной перестройке структуры ландшафта, к переходу
его в другой тип. Критерии выделения семейств подлежат уточнению. Как и для
типов главный фактор формирования семейств --- климат, главная закономерность
размещения --- зональность. Они образуют подзоны в пределах ландшафтных зон.
Коэффициент К. Для семейств и классов геохимических ландшафтов, принад-
лежащих к одному типу, несмотря на различия величин Б и П, нередко характерно
постоянство отношения lgП:lgБ, которое обозначается символом К (А.И. Перель-
ман). Особенно наглядна эта зависимость в группе лесных ландшафтов. Так, для
влажных тропиков данный коэффициент равен 0,64---0,66 (табл. 3.1). Известно,
что в гилее условия для лесной растительности благоприятнее, чем в манграх, в
связи с засоленностью последних, восстановительной средой в почвах. Это нахо-
дит отражение в резком различии биомассы (6000 и 1300 ц/га) и ежегодной про-
дукции (270 и 100). Однако коэффициент К (lgП:lgБ) одинаков и равен 0,64. Это
позволяет относить гилею и мангры к одному типу геохимических ландшафтов ---
влажным тропикам. Таким образом, в рассматриваемом случае коэффициент К
имеет систематическое значение.
Для ландшафтов широколиственных лесов характерна меньшая величина К, чем
для влажных тропиков (табл.3.1). В этом типе "закономерность К" не столь явна,
как при сравнении гилеи и мангров --- Б и П не столь контрастны, а К не столь
постоянен. Тип "ландшафты широколиственных лесов" включает в себя несколько
следующих единиц геохимической систематики --- отделов. Например, ландшафты
широколиственных лесов европейской России и Дальнего Востока относятся к
разным отделам. Возможно, в данном случае коэффициент "К" служит для выде-
ления не типа, а отдела.
Для таежных ландшафтов характерна еще меньшая величина К , порядка 0,50---
0,55. Здесь особенно мала величина П, в то время как Б может быть близка и к
широколиственным лесам и даже к влажным тропикам. Рассмотрим ландшафты
тайги европейской России, для которых характерна та же закономерность, что и
для влажных тропиков --- различия Б и П при близких значениях К. Так, в север-
ной, средней и южной тайге величины Б и П резко различны, но К близки (табл.
3.2). Это и дает основание относить рассматриваемую тайгу к одному отделу, а ее
северные, средние и южные представители --- к разным семействам в пределах
отдела. Так на примере влажных тропиков, широколиственных лесов и тайги
наметился объективный геохимический количественный критерий выделения в
пределах лесной группы и ее типов ландшафтов следующего таксона --- "отдела
ландшафта".
В ландшафтах группы В --- саваннах, степях, лугах и травяных болотах коэф-
фициент К значительно выше, чем в лесных ландшафтах, т . к . ежегодная продук-
ция не намного меньше биомассы (К более 0,70, часто более 0,90). В какой степе-
ни этот коэффициент пригоден для выделения отделов менее ясно, чем для груп-
пы А.
Коэффициент К в ландшафтах группы С --- тундрах и верховых болотах также
проявляется на уровне отделов. Для группы D --- пустынь систематическое значе-
ние коэффициента К не установлено.
Кларки живого вещества. В организмах обнаружены почти все элементы пе-
риодической системы, но кларки большинства из них очень малы. Так, Мо в жи-
вом веществе 2.10-5%; Ni --- 8.10-5%; Сu --- 3,2.10-4% и т .д. При подсчетах клар-
ков можно исключить животных, т .к . зоомасса по сравнению с фитомассой ни-
чтожна. Среди растений на суше преобладают деревья, и задача во многом сво-
дится к определению среднего состава древесины. Для биологических объектов
используются три основных способа выражения химического состава: в расчете
на живую (сырую) массу организма, на массу сухого органического вещества и на
золу, т . е . на количество минеральных веществ.
Таблица 3.1
Коэффициент
К
ландшафтов
влажных
тропиков
и
широколиственных
лесов (
здесь
и
ниже в
аналогичных
таблицах Б и П --- по Н. И. Базилевич и др.)
Таблица 3.2
Коэффициент К для северной, средней
и южной еловой тайги европейской России
Ландшафт
Биомасса (Б)
ц/га
Ежегодная
продукция (П) ц/га
Влажные вечнозеленые
тропические леса на
ферралитных почвах (гилея) 6500
300
0,65
Те же леса на темнокрасных
почвах
6000
270
0,64
Влажные вечнозеленые
заболоченные леса на
ферралитных глеевых почвах 5000
250
0,65
Мангры
1300
100
0,64
Широколиственные леса на
бурых лесных почвах
4000
130
0,59
Горные леса на бурых
горнолесных почвах
3700
120
0,58
Широколиственные леса
европейской России
3240
130
0,60
Кларки живого вещества впервые наметил В .И. Вернадский, более точно ---
А.П. Виноградов. Среди последних сводок пользуются известностью кларки Х.
Боуэна (1979), В.В. Добровольского (1983, 1994), А. Кабата-Пендиас и Г. Пендиа-
са (1989). Результаты расчетов А.П. Виноградова с дополнениями В.В. Добро-
вольского и других следующие (на сырую массу):
Макроэлементы (n.10-3 --- n.10)
А . Воздушные мигранты (99,8%)
0---70; С---18; Н---10,5; N---3.10-1
Б. Водные мигранты (1,20%)
Са --- 5.10-1
Mg --- 4.10-2
Na --- 2.10-1
К --- 3.10-1
Р --- 7.10-2
Сl --- 2.10-2
Si --- 2.10-1
S --- 5.10-2
Fe --- n-1.10-2
Микроэлементы --- водные мигранты (n.10-3 и менее)
Mn --- 9,6.10-3 Pb --- 1.10-4
Сs --- 6.10-6
Al --- 5.10-3 Ni --- 8.10-5
Ве --- 4.10-6
Zn --- 2.10-3
Cr --- 7.10-5
Ga --- 2.10-6
Sr --- 1,6.10-3 V --- 6.10-5
Se --- 2.10-6
Ti --- 1,3.10-3 Li --- 6.10-5
W --- 1.10-6
В --- 1.10-3
Со --- 4.10-5
Аg --- 1,2.10-6
Ва --- 9.10-4
La --- 3.10-5
U --- 8.10-7
Cu --- 3,2.10-4 Y --- 3.10-5
Hg --- 5.10-7
Zr --- 3.10-4
Мо --- 2.10-5
Sb --- 2.10-7
Rb --- 2.10-4
J --- 1,2.10-5
Сd --- 2.10-7
Br --- 1,6.10-4 Sn --- 1.10-5
Au --- 10-8
F --- 1,4.10-4 As --- 6.10-6
Ra --- n.10-12
Обнаружены в организмах, но нет данных о среднем содержании: Не, Ne, Ar,
Sc, Kr, Nb, Rh, Pd, In, Te, Xe, Ta, Tl, Bi, Th. Не обнаружены с достоверностью
Ru, Hf, Re, Os, Ir, Po, Ac, Tc, Af, Fr (последние три не обнаружены и в земной
коре).
Кларки живого вещества уменьшаются с ростом атомной массы элементов, но,
как и для земной коры, прямой зависимости нет. Живое вещество в основном
состоит из элементов, образующих газообразные соединения, --- воздушных ми-
грантов. Главной особенностью истории живого вещества Вернадский считал его
образование из газов и превращение после смерти снова в газы (СО2, NН3, N2,
Н2О --- водяной пар и т .д.). Поэтому и нет прямой пропорциональности между
Ландшафт
Биомасса ц/га
Ежегодная
продукция ц/га
Северная тайга
1115
46
0,54
Средняя тайга
2068
63
0,54
Южная тайга
и смешанные леса
3000
75
0,54
Рис. 3.2. Биофильность элементов (по А.И. Перельману)
кларками живого вещества и земной коры.
Живое вещество --- это в первую очередь "кислородное вещество", О в нем
70%. Большая часть О связана с Н и образует воду, количество которой обычно
превышает 50%. Особенно много ее в водных организмах --- более 90%, а для
отдельных животных --- даже свыше 99%. Но и наземные организмы также богаты
водой: в травах ее более 85%, в крупных млекопитающих --- свыше 60% и только
споры и семена содержат обычно не более 15% воды. Меньшая часть О и Н вхо-
дит в состав белков, жиров, углеводов и других органических соединений.
Из водных мигрантов в организмах преобладают наиболее подвижные: Са
больше, чем Al и Fe, К больше, чем Si и т .д. (в земной коре наоборот). В живом
веществе в целом мало U, Hg, W и других ядовитых элементов, хотя они и обра-
зуют растворимые соединения. Относительно низко содержание Zr, Ti, Ta и дру-
гих малоподвижных элементов.
Интенсивность биологического поглощения. Биогеохимические коэффици-
енты. Кларки концентрации элементов в живом веществе называются биофильно-
стью (рис. 3.2). Наибольшей биофильностью обладает С (7800), менее биофильны
N (160) и Н (70). Близки по биофильности анионогенные элементы --- 0 (1,5), Сl
(1,1), S (1), P (0,75), B (0,83), Br (0,71) и т .д . Наименее биофильны Fe (0,002) и Аl
(0,0006), т . е . живое вещество в основном состоит из элементов, образующих
газообразные
и
растворимые
соединения, его состав лучше
коррелирует с составом гидросферы и
атмосферы, чем литосферы.
Преобладание
в
ландшафтах
определенных систематических групп
организмов, огромное разнообразие
климата и геологического строения
определяют своеобразие химического
состава живого вещества конкретных
ландшафтов, его отличие от кларков.
Так, живое вещество солончаков
обогащено Na, Cl и S, в организмах
степей много Са, но мало Al, Fe,
организмы влажных тропиков, напротив,
бедны Са и богаты Al. Поэтому средний элементный состав живого вещества
ландшафта является важным систематическим признаком. При этом важно знать
не только элементный состав живого вещества, но и то количество отдельных
элементов, которое приходится на 1 га, т . е . использовать тот же подход, что и при
изучении биомассы и ежегодной продукции.
Важно также определять водные мигранты не только в живых организмах, но и
в сухом веществе, золе. Содержание большинства элементов в золе значительно
отличается от их среднего содержания в земной коре, так как растения избира-
тельно поглощают элементы. Интенсивность поглощения характеризуется отно-
шением количества элемента в золе растений к его количеству в почве или горной
породе. Этот предложенный Б.Б. Полыновым показатель А.И. Перельман назвал
коэффициентом биологического поглощения Ах :
Ах = lx/nx,
где lx --- содержание элемента x в золе растения, nx --- в горной породе или
почве, на которой произрастает данное растение.
За время формирования вида отдельные особи произрастали на разных субстра-
тах, поэтому химический состав золы отражает не столько состав горной породы
или почвы, на которой теперь обитает растение, сколько состав пород и почв, на
которых обитали предыдущие поколения представителей данного вида, особенно
в эпоху видообразования. Для характеристики общих биогеохимических особен-
ностей отдельных растений, их способности к накоплению элементов использует-
ся одна из модификаций Ах --- показатель общей биогенности (Бо) --- отношение
средних содержаний элементов в золе растений континентов к кларкам литосфе-
ры. Аналогичные показатели для организмов конкретных регионов, местообита-
ний или отдельных систематических групп именуются специальной или частной
биогенностью (Бс) элементов, которая под влиянием систематических и экологи-
ческих факторов может существенно отличаться от общей биогенности. Ах и Бс
меняются в зависимости от фазы вегетации, возраста организма, почвы и других
условий. Бо представляет собой биогеохимическую константу.
Близкий по сути показатель --- биотичность, представляет отношение содержа-
ния элемента в сухом веществе организма к кларку биосферы. Последний включа-
ет в себя данные по распространенности элемента не только в литосфере, но и
части атмосферы, гидросфере и почвах (Н.Ф. Глазовский).
Наиболее широко используется Ах --- отношение содержания элементов в золе
растений к их валовым содержаниям в почвах. Однако этот показатель отражает
скорее потенциальную биогеохимическую подвижность элементов. Более объек-
тивную картину дает сравнение сухого вещества растений и подвижных, доступ-
ных для растений воднорастворимых, солевых, органо- минеральных форм элемен-
тов, извлекаемых из почв слабыми растворителями. Это отношение называется
Рис. 3.3. Ряды биологического поглощения (по А.И. Перельману и Н.С. Касимову)
коэффициентом биогеохимической подвижности В х (Н .С. Касимов). Он характе-
ризует доступность элементов растениям и степень использования ими подвиж-
ных форм элементов, содержащихся в почве. Значения В х у большинства элемен-
тов обычно значительно выше, чем Ах .
Кроме биофильности, общей и специальной биогенности (Бо , Б с), потенциаль-
ной и актуальной биогеохимической подвижности (Ах и В х) имеется ряд других
общих и частных показателей. Так, М.А . Глазовская предложила коэффициент
биогеохимической активности (КВ) --- отношение потребления элемента живым
веществом в год к его выносу с ионным стоком с континентов в океан или из
крупных речных бассейнов; коэффициент деструкционной активности (К а) ---
отношение поступления элемента в биосферу (добыча, складирование) к потреб-
лению растительностью и др.
Для характеристики биологического поглощения можно использовать уравне-
ние интенсивности миграции, в котором lх рассматривать как количество элемен-
та x , находящееся в золе растений данного ландшафта, так как это количество
бесконечно мало по сравнению с общей массой атомов элемента x в ландшафте.
Время dt --- возраст растений --- мало по сравнению с длительностью существова-
ния ландшафта. Для того чтобы определить общее содержание элемента x в золе
растений данного вида, очевидно, необходимо помножить lx --- содержание эле-
мента x в золе на количество золы, которое обозначим М (в тоннах на 1 га или в
других величинах). Отсюда получаем:
Нетрудно показать, что bх = R.nx , где R --- общее количество в ландшафте гор-
ных пород и почв, находящихся в сфере достигаемости корней растений. Отсюда
получаем:
Так как величина М/R постоянна для данного ландшафта, то интенсивность
биологического поглощения элементов в ландшафте прямо пропорциональна
коэффициенту биологического поглощения А х .
Используя выполненные ранее расчеты (Перельман, 1975), а также современ-
ные оценки фонового распределения элементов в растениях, средний состав золы
живого вещества, определены средние коэффициенты биологического поглоще-
ния, точнее кларки концентрации элементов в растениях континентов. При Ах > 1
элементы накапливаются в растениях, а при Ах < 1 только захватываются. По
интенсивности биологического поглощения все элементы делятся на четыре груп-
пы, как это показано на рис.3.3 и в таблице 3.3.
Встречаются разные обозначения (Кб, КБП) и модификации коэффициента био-
логического поглощения. А. Л . Ковалевский отношение элемента в золе растений
к почвам, на которых эти растения произрастают, назвал растительно- почвенным
коэффициентом, к содержанию в водах --- растительноводным, а к газообразным
формам элементов в подземной атмосфере --- растительно- газовым коэффициен-
том. Особенно интенсивно элементы поглощаются из газов, слабее --- из раствора
и еще слабее --- из твердой фазы. Все же главным источником элементов для
растений является твердая фаза почв. Только для наиболее растворимых соедине-
ний (Cl, SО42-) главным источником служат воды. Для некоторых газообразных
соединений основным источником служит воздух (СО2 возможно, NO2 и другие
газы).
Химический элементный состав организмов. Элементный состав конкретного
организма зависит от его систематической принадлежности, возраста, места оби-
тания, индивидуальных особенностей жизни и многих других причин. В процессе
эволюции, смены поколений этот состав закрепился наследственностью и приоб-
рел черты относительных биогеохимических констант. Так, в ряске малой 2,5% С,
лишайнике кладония --- 21,8%, в белой мыши --- 12,5, в бабочке- капустнице ---
20,5%. Клевер содержит 0,01% Na, солянки 1,5---2,0 и более процентов; во многих
низших животных --- 0,02---0,5% (все данные в % от живой массы). Это позволяет
ввести понятие "биогеохимические особенности организмов" --- содержание
элементов в систематических единицах разного таксономического ранга (вида,
рода, семейства и т .д.). Можно говорить о геохимии растений (фитогеохимии),
животных (зоогеохимии), человека (антропогеохимии), микроорганизмов. Можно
говорить и о биогеохимической классификации организмов, зачатки которой
наметились еще в прошлом столетии.
Способность вида накапливать химические элементы, выраженная в суммарных
кларках концентрации называется биогеохимической активностью вида (А.Д.
Айвазян). Она вычисляется отдельно для катионогенных и анионогенных элемен-
тов. А .А. Кист, С .М. Ткалич, У. Шоу и другие установили связь биогеохимиче-
ской роли элементов с их положением в периодической системе. Возможен и
надорганизменный уровень исследования --- геохимическая характеристика сооб-
ществ растений и животных, биоценозов в целом.
Согласно А.П. Виноградову, элементный состав организма хранит признаки
своего происхождения. Он предположил, что виды наземных животных и расте-
ний, обогащенные Na и Cl, сформировались на засоленных территориях, что
грубые почвы гор, пески, вулканические почвы --- области первичного распро-
странения злаков, богатых Si, что роды субтропической флоры, богатой Al, воз-
никли на латеритах. Изучая флору юго- западного Алтая, А.Д. Айвазян показала,
что виды растений, сформировавшиеся в гумидных ландшафтах, где преобладают
кислые почвы, энергично накапливают катионогенные микроэлементы (Pb, Zn,
Cu, Ni, Co и др.) и слабее --- анионогенные (Mo, V, Cr, As и др.). Такие растения
она предложила именовать гумидокатными. В аридных ландшафтах почвы ней-
тральные и щелочные, в них легче мигрируют анионогенные микроэлементы и
слабее --- катионогенные. Поэтому виды, возникшие в аридных ландшафтах,
энергичнее накапливают анионогенные микроэлементы. Это ариданитные расте-
ния. Закрепляясь наследственностью, гумидокатность может проявиться и в арид-
ных ландшафтах (при миграции гумидокатных видов), а ариданитность --- в гу-
мидных. Рационально также выделять гумидокатные и ариданитные виды живот-
ных.
Таблица 3.3
Фоновые содержания в (%) и кларки концентрации (
КК)
химических элементов в золе растений
I. Элементы очень интенсивного накопления (КК > 100)
J 3.10-5 5.10-3 0,8
---
---
--- 3,0 1000n
Br 2,1.10-4 1,5.10-2 0,3
---
---
--- 0,9 4500
Cl 1,7.10-2 1,0 4,0
---
---
--- 2,5 147
S 4,7.10-2 5,0 6,8
---2---16---7,0140
II. Элементы интенсивного и среднего накопления (КК = 10---100)
B 1,2.10-3 4,2.10-2 10,0 5,0 4---16 --- 7,0 58
P 9,3.10-2 7,0 4,6
--- 0,8---0,6 --- 5,0 55
As 1,7.10-4 30.10-4 40,0 30,0 20---40 4-40 30,0 18
Sr 3,4.10-2 0,2 0,5
---0,8---0,517
Mo 1,1.10-4 2.10-3 1,8
1,21---2---1,616
Zn 8,3.10-3 9.10-2 20,0 10,0 5---32 7,4 12,5 15,6
Ag 7.10-6 1.10-4 1,2
0,6 0,05---2,0 --- 1,0 14
III.Элементы среднего накопления и сильного захвата (КК = 0,7---10)
Mn 0,1 0,75 1,3
0,5 0,1---0,6 --- 0,7 7,0
K 2,5 15,0 2,8
--- 4---36 --- 12,5 7,0
Cu 4,7.10-3 2.10-2 2,8
2,0 1---2 1,6 2,0 4,2
Sn 2,5.10-4 5.10-2 6.10-4**
---15---8,73,5
Ca 2,96 3,0 3,6
---6---36---9,03,0
Rb 1,5.10-2 1.10-2 4,0
---4---14---4-53,0
Mg 1,87 7,0 6,4
---2---6---5,52,9
Pb 1,6.10-3 1.10-3 5,4
5,0 4,0 1,8---2,63---4 1,9---2,5
Ga 1,9.10-3 5.10-3 0,12? --- 0,3---3,0 --- 2,3 1,2
Ni 5,8.10-3 5.10-3 6,0
4,0 5---10 6,0 5,6 1,0
Ba 6,5.10-2 1,2.10-2 3,0
4,0 4---6 --- 6,0 0,9
Co 1,8.10-3 1,5.10-3 1,0
2,0 2---3 0,7 1,5 0,8
Na 2,5
2,0 2,4
--- 0,6---2,0 --- 2,0 0,8
Cs 3,7.10-4 2.10-4 4,0
---
---
--- 3,0 0,8
IV. Элементы среднего, слабого и очень слабого захвата (КК < 0,7)
Be 3,8.10-4 2,1.10-4 2,0
---3---6---2,70,7
V 9.10-3 6,1.10-3 3,2
3,0 2---10 6,0 4,8 0,5
Cr 8,3.10-3 --- 0,5.10-3** 3,5 2---4 2,6 2,8 0,3
Si 29,5
n 0,4-10 --- 0,4---11 ---
--- 0,1---0,3
Al8,051,41---8---0,4---1,50,2
U 2,5.10-4 5.10-5 7,0
4,0 ---
--- 5,0 0,2
Li 3,2.10-3 1,1.10-3 0,2
---0,2---0,50,1
Ti 0,45 0,1 0,002 --- 0,005---0,13--- 0,05 0,1
Fe 4,65 1,0 0,28 --- 0,01---0,1 --- 0,3 0,06
F 6,6.10-2 --- 0,1.10-2** --- 0,5 --- 0,3 0,04
Sb****5.10-5 0,5.10-5 12,0? 1,0 12,0150---170?8---1601,5---32
Cd****1,3.10-50,1.10-5 120? 1,0 20---4014---200?30---7020---50
Hg 8,3.10-6 --- 0,3.10-4** 0,25 0,04---1,60,1---0,30,9 10
Химические элементы, добавление подвижных форм которых в ландшафт уве-
личивает биомассу, называются дефицитными. К ним в разных ландшафтах отно-
сятся O, N, P, K, F, B, J, Cu и многие другие элементы. В большинстве случаев
недостает именно подвижных форм, в то время как общее (валовое) содержание
элемента может быть достаточно велико. Элементы, удаление которых из ланд-
шафта увеличивает продукцию живого вещества, называются избыточными. К
ним в разных ландшафтах относятся Cl, S, Na, Cu, Ni, Fe, F и др. Один и тот же
элемент может быть дефицитным в одном ландшафте и избыточным в другом.
Резкий дефицит или избыток элементов приводит к заболеваниям животных, растений, а
иногда и человека. Такие болезни А.П. Виноградов назвал биогеохимическими эндемиями, а
районы их распространения --- биогеохимическими провинциями. Известны биогеохимиче-
ские провинции с дефицитом J в почвах и кормах, дефицитом и избытком F в питьевой воде,
избытком В в кормах, избытком и дефицитом Cu, Co и т.д. Развивая учение о биогеохимиче-
ских провинциях, В.В. Ковальский предложил понятие геохимическая экология, задача кото-
рой состоит в изучении взаимодействия организмов и их сообществ с геохимической средой,
а также организмов между собой.
Информация по биогеохимии растений очень велика. При расчете "на живую массу" все
растения концентрируют О, Н, С, N, а считая "на золу" отдельные виды также накапливают
Li,Be,Na,Mg,Al,Si,P,S,Cl,K,Ca,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ge,Se,Sr,Mo,Ag,J,Au,
Pb, Ra, U. Следовательно, растительный покров является биогеохимическим барьером, на
котором концентрируются воздушные мигранты --- С, О, Н, N, J, в некоторых ландшафтах и
многие водные мигранты. Если считать на золу, то на биогеохимическом барьере накаплива-
ются Р, S, Cl, Br, B, в отдельных ландшафтах и отдельными видами также Са, Mg, Na, Zn, Cu,
Mo и другие элементы.
Морские водоросли по сравнению с наземными растениями обогащены Mg, Na,
K,S,Cl,Si,Fe,Sr,F,Ba,Br,J,Se,B,Li,Ti,As,Ag,W,PbиобедненыCa,Mn,Al,
Rb, Cs (при расчете на сухое вещество). Многие из этих закономерностей легко
объясняются особенностями состава морской воды. Но и при более дробной сис-
тематике четко вырисовывается своеобразие отдельных систематических единиц.
Так, диатомовые водоросли северных озер концентрируют Si --- их скелет состоит
из кремнезема. Морская трава, водяной орех содержат 0,2---0,4% Mn. Говоря о
концентрации, часто имеют в виду накопление элемента в золе, т . е. величину Ах .
В агрономии еще в ХIХ столетии установили, что зола злаков богата SiO2, зола
бобовых --- Са, а зола картофеля и подсолнечника --- К. Позднее были выделены
" алюминиевые растения" (плауны, чай), "железные" (мхи), "иодные" (водоросли),
солянки (Na, Cl и др.), гипсофиты, селитрянки (NO3) и т.д. Известны виды, в золе
которых повышено содержание Zn, Cu, Se, Li, Mo и других редких элементов.
Особенно большой способностью к поглощению редких элементов обладают мхи
и лишайники.
А.Л. Ковалевский, изучая растения Сибири, предложил ряд биогеохимических
параметров --- ОСВР, ОСОР и др. ОСВР --- относительное содержание химических
элементов в видах, растущих в сопоставимых условиях (т . е . в одном элементар-
ном ландшафте):
ОСВР = СI/СТ,
где СI --- содержание элемента в изучаемом виде, а СТ --- в эталонном. Для некоторых
элементов ОСВР не зависит от ландшафтных условий. Так, если содержание Мо в золе
березы плосколистной принять равным 1 (эталон), то ОСВР лиственницы и кедра сибирских
в среднем составит 1,1, багульника болотного --- 1,2, ивы --- 0,8, брусники --- 5 и т.д. Если
ОСВР превышает 2,5, то такие растения Ковалевский относит к концентраторам, а если менее
0,4 --- к деконцентраторам:
Концентраторы
Деконцентраторы
Слабые --- 2,4 --- 4,0
Слабые --- 0,4 --- 0,25
Умеренные --- 4,0 --- 25,0
Умеренные --- 0,25 --- 0,04
Интенсивные --- 25 --- 400,0 и более Интенсивные --- 0,04 --- 0,0025
Химический состав органов растений также не одинаков: наиболее высоко со-
держание металлов в листьях и тонких ветвях, меньше --- в корнях и коре, мини-
мально --- в древесине. Зола листьев и хвои содержит больше Mg, K, P и S и
меньше --- Са, Sr, Ba, Ra, чем зола ветвей. Параметр ОСОР --- отношение содер-
жания элементов в органах растений:
ОСОР = СО/СТ.О,
где Сo --- содержание изучаемого элемента в исследуемом органе, а СТ.О --- в
эталонном (главным образом, в старых ветвях, древесине, корнях). ОСОР меняет-
ся на два математических порядка, например, ОСОР Se в астрагалах (надземные
органы: корни) достигает 30---50, ОСОР Мо и W в деревьях Сибири (хвоя: древе-
сина) колеблется от 3 до 0,03.
Химический состав организмов периодически меняется. Так, по Д.П. Малюге,
от весны к осени содержание Со, Ni и Cu в листьях деревьев увеличивается в 2---3
раза. Такая же направленность отмечена Н.П. Ремезовым для Si, Fe, Ca. Содержа-
ние К и Р в золе трав от весны к осени уменьшается. Эти закономерности уста-
новлены для определенных видов и не являются универсальными. В целом, наи-
большая сезонная изменчивость характерна для молодых растущих органов (ли-
стья) и наименьшая --- для старых (ствол, крупные корни). С возрастом состав
растений также меняется, в частности увеличивается зольность.
Параметр ОИС характеризует относительное содержание элементов:
ОИС = СI/СФ.С,
где С I --- содержание данного элемента в золе, в промежуточной фазе, а СФ.С
--- в фазе созревания или в зимний период (для деревьев и кустарников). ОИС не
превышает обычно 3---10, иногда возрастая до 20---40.
Элементный состав растений зависит и от условий среды: растения одного и
того же вида, рода, семейства в разных ландшафтах имеют разный состав. В ряде
случаев наблюдается прямая пропорциональность между содержанием элемента в
растении и питающем субстрате (для Ra, Mo, Co и других элементов).
Однако накопление элементов небесконечно, существует "физиологический
барьер поглощения". Если для Ra он достаточно высок и содержание этого эле-
мента растет с увеличением его концентрации в почве, то для U предел низок,
организмы быстро насыщаются и перестают поглощать U из окружающей среды.
Следовательно, химический состав растений зависит от их систематического
положения и геохимических особенностей ландшафта. Для макроэлементов ве-
дущее значение имеет систематическое положение: физиологические особенности
организмов в период видообразования закрепились наследственностью и в даль-
нейшем растения стали в любых условиях брать то, что им необходимо, даже из
бедной почвы, бедного водоема. Для многих микроэлементов ведущее значение
имеют геохимические особенности ландшафтов.
Высокое (относительное) содержание элементов в среде вызывает нередко раз-
личные изменения в физиологии и морфологии, которые со временем закрепляют-
ся наследственностью. Так появляются расы, вариететы, а затем и новые виды:
"цинковая", "литиевая", "серпентиновая", "селеновая" и прочие флоры, сформи-
ровавшиеся в районах развития пород, обогащенных соответствующими элемен-
тами. Это пример "естественного отбора на химической основе".
Поглощая из атмосферы СО2 и обогащая ее О2, растения частично изменяют
состав надземной атмосферы. Поэтому в лесах на высоте кустарников СО2 в
воздухе значительно меньше, чем в приземном слое, а на высоте крон деревьев
наблюдается уже его дефицит за счет интенсивного фотосинтеза. Летнее "цвете-
ние" озерной воды в результате фотосинтеза обогащает ее О и обедняет СО2.
Реакция воды становится более щелочной. Энергично поглощая N, Р, К и другие
дефицитные элементы, растения уменьшают их содержание в поверхностных
водах.
Выделяя летучие органические бактерицидные соединения --- фитонциды, рас-
тения предохраняют себя от болезней. Это первая внешняя линия обороны расте-
ний ("химическое оружие") против своих врагов --- микроорганизмов, животных,
других растений. Особенно велика роль фитонцидов в реках и озерах. Так, сине-
зеленые водоросли во время цветения выделяют более 10 различных фитонцидов,
многие из которых токсичны для одних видов растений и животных (например,
для зеленых водорослей, ракообразных) и играют роль стимуляторов для других.
Некоторые фитонциды вредны и для высших животных, в том числе для млекопи-
тающих (для крыс ядовиты фитонциды лавровишни и черемухи, для человека ---
багульника и т .д.). Н.Г. Холодный предположил, что летучие вещества растений
могут активировать физиологические процессы у животных. Эти активаторы он
назвал атмовитаминами (позднее некоторые из них и получили наименование
фитонцидов). Через легкие человека в течение суток проходит 3---4 кг воздуха,
что обеспечивает в определенных условиях поступление в организм нескольких
миллиграммов атмовитаминов. По Б.П. Токину, "благоприятное действие на наш
организм соснового бора заключается, в частности, в выделении фитонцидов".
Благотворные ароматы лимонных и апельсиновых рощ, полынной степи, горных
лугов --- все это примеры положительной роли фитонцидов в жизни человека.
Состав и количество фитонцидов --- важный геохимический параметр ландшафта.
Ему придается большое значение при санитарно- гигиенической оценке ландшаф-
та, озеленении городов, курортном строительстве.
Вместе с транспирируемой водой растения выделяют в атмосферу U, P, Ca, Mg,
K, Cu, Hg, J, Zn и другие элементы. Дожди смывают их соединения с листьев, и
содержание многих металлов в листьях после дождя уменьшается в 2---5 раз, а
дождевая вода становится более минерализованной (до 100---300 мг/л), ее рН
понижается до 2,5---4,5. Американские геохимики в летучих выделениях хвойных
деревьев установили Si, Be, B, Na, Mg, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Sr, Zr,
Mo, Ag, Pb, Bi, Cd, Sn, Sb, Ba. Поэтому определение металлов в составе органиче-
ских паров атмосферы предложено использовать для поисков рудных месторож-
дений. Так были открыты руды Cu, Pb, Zn, Ag, редких металлов (в том числе и
слепые рудные тела).
Колоссальное число видов животных (одних насекомых более миллиона) опре-
делило еще большее разнообразие их биогеохимии по сравнению с растениями.
По Г. Боуэну, сухое вещество наземных животных по сравнению с сухим вещест-
вом морских животных обеднено как и у растений Mg, Na, K, S, Cl, Fe, Sr, Br, J,
B, Si, Ti, Ag, но в отличие от растений также Mn, Co, Ni, Cu, Mo, Sb и другими
элементами. По сравнению с растениями животные в целом беднее большинством
элементов и только Р содержат больше (при расчете на сухое вещество). Но это
средние величины, у конкретных видов содержание элементов может значительно
превышать средние значения для растений. Среди животных также обнаружены
концентраторы и деконцентраторы. Многочисленные группы сухопутных и мор-
ских животных с известковым скелетом концентрируют Са (моллюски и др.).
После их смерти скелеты образуют известковые осадки --- толщи озерных и мор-
ских известняков. Диатомовые водоросли, концентрируя SiO2, образуют огром-
ные скопления кремнезема в озерах и морях (трепел, диатомиты). Известны жи-
вотные, обогащенные Cu --- моллюски, раки, пауки.
Хорошо изучены и явления дефицита у животных химических элементов, соот-
ветствующие биогеохимические провинции. Дикие животные частично уменьша-
ют дефицит, поедая грунт, используя воду минеральных источников. Такие места
именуются "зверовыми солонцами". А.М. Паничев детально рассмотрел с геохи-
мических позиций эту проблему "литофагии". Он установил, что в Приморье
" зверовые солонцы" приурочены к ландшафтам зон разломов, рудных полей ме-
сторождений, распространения гидротермально измененных пород.
В геохимическом отношении наиболее разнообразны бактерии, среди которых
известны виды, накапливающие S, Fe, Cu, Mn, Mo, Ba, Li, Ag, Pb, U в значительно
больших количествах, чем растения и животные. Некоторые микроорганизмы
концентрируют элементы в количестве, в сотни раз превышающем их содержание
в окружающей среде. Детально изучена роль микроорганизмов не только в поч-
вах, илах, поверхностных и подземных водах, но и в более частных системах
биосферы, например в ландшафтах сульфидных месторождений (Н.Н. Медведева).
Многие виды разделяют изотопы легких элементов, возможно, эта способность
присуща всем или почти всем организмам. Так, при фотосинтезе растения отдают
предпочтения легкому изотопу 12С, поэтому в организмах и их производных
(углях, нефти) содержание тяжелого изотопа 13С понижено, а в СО2 морских
карбонатах --- повышено. Отношение 34S : 32S также колеблется: микроорганиз-
мы, восстанавливающие сульфаты, накапливают легкий изотоп 32S, и в осадочных
сульфидах его больше. Сера морской воды, солончаков и соляных озер, напротив,
тяжелая.
Биогеохимические методы поисков рудных месторождений. Эти методы ста-
ли разрабатываться в конце 30-х годов в СССР А.П. Виноградовым, Д.П. Малю-
гой, С.М. Ткаличем и в Швеции --- Н. Брундиным. В ландшафтах рудных полей
установлены повышенные содержания в растениях Mo, Cu, Pb, Be, Ni, Co, Zn, Cd,
Ag, Au и других элементов. Опробование растений позволяет обнаружить биогео-
химические ореолы, а по ним и сами месторождения. Биогеохимические методы
особенно важны при поисках рудных тел, перекрытых мореной, эоловыми песка-
ми и другими аллохтонными отложениями. В последние десятилетия теория
методов разработана детально Р. Бруксом, А.Л. Ковалевским, Г . Уорреном и
другими геохимиками. Хорошо изучены закономерности накопления растениями
элементов индикаторов руд, особенности рудных биогеохимических ореолов,
способы интерпретации биогеохимических аномалий, методика составления осо-
бых биогеохимических карт. Большое значение имеет выбор объекта опробова-
ния: например, в степях Казахстана наиболее пригодно опробование полыней и
менее --- злаков. Практическое значение данных методов пока невелико, хотя в
СССР был накоплен значительный положительный опыт их применения (А.Л.
Ковалевский, В.П. Иванчиков, П.В. Ивашов, Р.М . Талипов и др.). Анализ коры
сосны, например, привел к открытию месторождений Мо и Sr. На основе анализа
хвои и ветвей были открыты молибденовые месторождения в Канаде. Методика
биогеохимических поисков не одинакова в разных ландшафтах --- выявилась
важная роль геохимии ландшафта в разработке их теории и практики.
3.2. Разложение органических веществ в ландшафте
Минерализация органических веществ. Наряду с биогенной аккумуляцией
элементов в ландшафте протекают противоположные процессы разложения орга-
нических веществ --- переход химических элементов из органических соединений
в неорганические, идущий с выделением энергии. Эти процессы протекают и в
самих растениях, когда в результате дыхания сложные органические соединения
разлагаются до СО2 и Н2О. Однако в растениях синтез органических веществ
намного превышает их разложение и в целом растения накапливают эти вещества.
Интенсивно разлагают органические вещества животные, для которых растения
являются единственным первоисточником химической энергии. В организме
животных окисляется большое количество органических веществ, конечными
продуктами разложения которых служат в основном СО2 и Н2О. Однако СО2,
выделяемый животными при дыхании, не компенсирует поглощение его расте-
ниями при фотосинтезе. Основную роль в разложении остатков растений и живот-
ных играют микроорганизмы. Особенно много их в почвах и илах --- до миллиарда
в одном грамме, меньше в поверхностных водах, еще меньше в подземных водах и
воздухе. За миллиарды лет микроорганизмы приспособились к самым различным
условиям --- они живут и в горячих источниках, и в холодных мерзлотных почвах,
и в сильнокислых, и в сильнощелочных водах. Некоторым микроорганизмам
необходим для дыхания свободный О2 (аэробные бактерии), другие существуют в
бескислородной среде, используя для дыхания О химических соединений (ана-
эробные бактерии).
Микроорганизмы превращают белки, жиры, углеводы и другие богатые энерги-
ей органические соединений в более простые, бедные энергией, вплоть до конеч-
ных продуктов --- СО2 , Н2О. С той или иной скоростью разлагаются все органи-
ческие вещества, даже такие устойчивые, как смолы, воск, хитин. Так, микробы
очищают ландшафт от остатков организмов. При этом образуются новые формы
живого вещества в виде самих микроорганизмов и , следовательно, появляются
новые органические соединения. Однако общее количество органических веществ
сильно уменьшается, так как часть их минерализуется полностью.
Микроорганизмы, растения и животные образуют единую систему, они нахо-
дятся в сложных взаимоотношениях, включающих как элементы "борьбы", анта-
гонизма, так и "взаимопомощи". Поэтому для каждого ландшафта характерна
вполне определенная комбинация растений, животных и микроорганизмов.
Совокупность процессов разложения органических веществ, в ходе которых
химические элементы высвобождаются из сложных, богатых энергией органиче-
ских соединений, и снова образуют более простые и более бедные энергией мине-
ральные соединения (СО2, Н2О, СаСО3, Nа2 SО 4 и т .д.), называется минерализа-
цией органических веществ. При этом одна часть энергии выделяется в виде теп-
ла, другая --- в химической работоспособной форме. Носителями последней явля-
ются преимущественно природные воды, которые, обогащаясь такими продуктами
минерализации, как СО2, органические кислоты и др., приобретают высокую
активность и выполняют в ландшафте большую работу (растворение, гидролиз и
т .д.). Так, процессы минерализации обогащают ландшафт свободной энергией,
делают его неравновесной системой. Например, в речных водах тайги, тундры и
влажных тропиков содержатся и растворенный О2, и органические вещества.
Согласно законам термодинамики, система стремится к равновесию и гумусовые
вещества окисляются О2, растворенным в воде. Однако равновесие никогда не
достигается, так как новые порции гумусовых веществ и О2 поступают в воду на
место израсходованных.
Хотя ландшафт богат свободной энергией и является неравновесной системой,
он может быть устойчивым в течение длительного геологического времени. Одна-
ко это объясняется не термодинамическим равновесием, а стационарностью про-
цессов. Ландшафт --- это стационарная система, устойчивость которой связана
с тем, что она непрерывно получает свободную энергию из среды в количестве,
компенсирующем ее снижение в системе. Биогенный ландшафт --- это саморегу-
лирующаяся неравновесная, но стационарная (устойчивая) система.
В ландшафте минерализация органических веществ уменьшает сложность, упо-
рядоченность, разнообразие, более сложную биологическую информацию и уве-
личивает неорганическую. Это процесс уменьшения негэнтропии и увеличения
энтропии.
В отличие от процессов образования живого вещества для разложения органи-
ческих веществ характерна повторяемость и во времени, и в пространстве. Так,
болотные воды с высоким содержанием растворенного органического вещества
(РОВ), интенсивной миграцией Fe, Mn и многих других металлов характерны для
современных влажных тропиков и для болот влажных тропиков палеозоя, мезозоя,
кайнозоя. Живое вещество в эти эпохи, напротив, резко различалось. В различных
типах ландшафтов одной эпохи водная миграция также может быть близкой,
относиться к одному классу. Например, и в равнинной тундре, и на таежных
равнинах, и на равнинах влажных тропиков речные воды относятся к кислому
кислородному классу, они богаты РОВ и мало минерализованы ("черные тропиче-
ские реки" --- Рио Негро и др., "черные" реки и озера полесий нашей страны). В
лесостепи, черноземных и сухих степях речные воды относятся к слабощелочному
кислородному классу. То есть процессы разложения органических веществ и
обусловленная ими водная миграция значительно однообразнее процессов
образования живого вещества: как ни разнообразны живые организмы, после
смерти их остатки превращаются в одни и те же простые минеральные
соединения --- СО2, Н2О и т .д., а также в вещества гумусового типа.
Накопление в ландшафтах неразложившихся и полуразложившихся остатков
растений и животных М.А. Глазовская назвала детритогенезом. Его количествен-
ные характеристики имеют важное геохимическое значение. Это следующие
параметры: О1 --- ежегодный растительный опад в целом, его количество колеб-
лется от 765 ц/га в тугаях и 250 ц/га во влажных тропиках до 10 ц/га в арктиче-
ских тундрах и 1 ц/га --- на такырах; О2 --- зеленая часть опада (от 10 до 90% от
О1); О3 --- лесная подстилка и степной войлок (15 ц/га в сухих степях, 20 --- во
влажных
тропиках, 450 ---
в
средней тайге, 835 ---
в кустарничковой тундре). К продуктам детритогенеза относятся также торф,
сапропель и гумус. Запасы последнего в почвах России изменяются от 1000 ц/га в
тайге до 8000 ц/га в луговых и черноземных степях.
Об интенсивности разложения органических веществ хорошее представление
дает отношение массы подстилки к зеленой части опада (в %). Для заболоченной
тайги Западной Сибири оно равно 3000, для кустарничковых тундр --- 2000---5000,
для сухих степей --- 100, влажных тропиков --- 10% (Н.И. Базилевич).
Биогенное минералообразование. При разложении органических веществ в телах расте-
ний и животных образуются минералы, которые входят в состав клеточных выделений,
скелета, панциря, раковин и т.д. Все эти минералы --- "биолиты" обычно имеют органоморф-
ную структуру, т.е. сохраняют форму тех клеток, органов и организмов, в которых они воз-
никли. После смерти растений и животных биолиты поступают в илы и почвы, где постепен-
но теряют органоморфную структуру и приобретают землистый вид. Так, изучая почвы
пойм Дона и Аксая, Б.Б.Полынов обнаружил, что в верхних, наиболее молодых
горизонтах аллювия содержатся раковины пресноводных моллюсков, часть кото-
рых разрушена. В глубоких горизонтах аллювия (более старых) остатки раковин
уже не встречаются, но зато там много скоплений порошковатой углекислой
извести, нередко еще сохранивших форму былой раковины или ее части.
Карбонат кальция образуется и в тканях многих растений --- в виде кристалли-
ков кальцита в древесине, землистых выделений на поверхности листьев, извест-
кового материала, пропитывающего клеточную ткань, и т .д. В дальнейшем все эти
образования, попадая в почву, обогащают ее кальцитом.
Е.И . Парфенова и Е.А. Ярилова описали многочисленные фитолитарии --- опа-
ловые тельца, находящиеся в растениях. Из опала состоят и стенки клеток диато-
мовых водорослей. После разложения растительных остатков опал поступает в
почву, теряет воду, органоморфную структуру и постепенно превращается в хал-
цедон, а затем и во вторичный кварц (SiO2 при этом частично растворяется и
переосаждается). Фитолитарии характерны для черноземных степей, горных
лугов, тайги, влажных тропиков.
Другая группа биогенных минералов возникает вне тел организмов из продук-
тов их жизнедеятельности или в процессе минерализации остатков. Такое биоген-
ное происхождение Полынов предположил для монтмориллонита и других глини-
стых минералов. Он писал, что все растения содержат в золе некоторое количест-
во глинозема и кремнезема. Вместе с тем в большинстве почв не обнаруживается
свободных соединений глинозема, которые должны были бы образоваться при
минерализации растительных остатков. Ученый полагал, что при минерализации
глинозем вступил во взаимодействие с кремнеземом, образуя глинистые минера-
лы. То есть так же, как из С, N, Н и других воздушных мигрантов при разложении
растительных остатков в почве образуются гумусовые вещества, так из SiO2,
Al2O3 , Fe2O3, входивших ранее в состав организмов, образуются глинистые
минералы. Эти идеи Полынова основаны на его исследованиях первых стадий
почвообразования на изверженных породах. Выяснилось, что часть мелкозема
примитивных почв на гранито- гнейсах образовалась не за счет прямого разруше-
ния первичных минералов, а за счет минерализации накипных лишайников. Кол-
лоидная фракция такого мелкозема содержит глинистые минералы, в том числе
монтмориллонит, отсутствовавший в изверженных породах. Теория Полынова о
биогенном генезисе глинистых минералов в почвах хорошо объяснила одну осо-
бенность кристаллохимии алюмосиликатов --- различия структуры минералов,
образующихся на земной поверхности и при застывании магмы. Al в магматиче-
ских минералах находится в кислородных тетраэдрах, окружен четырьмя атомами
О. Межатомное расстояние Al---О составляет 0,16---0,175 нм (нанометр = 1.10-9
м). Во многих глинистых минералах осадочных пород и почв Al находится в
кислородных октаэдрах, окружен шестью атомами О и расстояние Al---О достига-
ет 0,18---0,2 нм. Следовательно, при образовании глинистых минералов расстоя-
ние между атомами Al и О увеличивается, на что должна затрачиваться энергия,
так как между атомами существуют силы притяжения. Поэтому глинистые мине-
ралы земной поверхности, по Н.В. Белову и В.И. Лебедеву, обладают большим
запасом внутренней энергии, чем алюмосиликаты магматических пород. Одним из
механизмов ее поглощения кристаллическим веществом, очевидно, служат про-
цессы минерализации растительных остатков, о которых писал Полынов. Эти идеи
Полынова коренным образом изменили представления о природе глинистых мине-
ралов почв, которые оказались не менее биогенными, чем коралловые известняки,
гумусовые вещества или угли.
По М.А. Глазовской, в еловых лесах Тянь- Шаня склоновые отложения имеют
двучленное строение. Верхний глинистый и суглинистый горизонт мощностью в
несколько десятков сантиметров обычно не содержит щебенки пород, в то время
как подстилающий горизонт переполнен щебнем. Если бы отложения склонов
образовались за счет постепенного разрушения подстилающих пород, то они
содержали бы щебенку по всему профилю, количество ее постепенно возрастало
бы книзу. Глазовская предположила, что верхний мелкоземистый горизонт посте-
пенно нарастает снизу вверх за счет минерализации растительного опада, чем и
объясняется отсутствие в нем крупных камней. Химический состав мелкозема
близок к химическому составу золы тяньшанской ели и других растений. Иссле-
дования в нивальном поясе Тянь-Шаня показали, что и здесь первичный мелкозем
в трещинах представляет собой продукт минерализации лишайников. На высотах
более 4200 м , где уже нет видимых признаков жизни, в корочках на скалах Гла-
зовская обнаружила микроорганизмы, количество которых в грамме вещества
достигает одного миллиона. Эти микроорганизмы --- активные агенты химическо-
го разрушения пород, ими обусловлен "высокогорный загар", который в виде
темной "лакированной" пленки покрывает поверхность скал. Пленки "загара"
включают отмершие клетки зеленых и синезеленых водорослей. Глазовская про-
следила различные стадии образования загара от эластичной пленки из живых
водорослей до мертвой корки, состоящей в основном из минеральных соединений
и включающей лишь реликты былых организмов. Следовательно, и здесь, в пер-
вичных почвах- пленках, мощность которых не превышает нескольких миллимет-
ров, имеют место те же явления создания и разрушения органического вещества,
образования вторичных минералов, что и в развитых ландшафтах.
Итак, грубодисперсная (камни, песок, пыль) и тонкодисперсная (глина) части
почв, сформировавшиеся на скальных породах, имеют, вероятно, различное про-
исхождение: первые образовались за счет механического разрушения пород, а
вторые --- за счет разложения остатков организмов. Вероятно, этим объясняется
сходство глинистых минералов в почвах, сформировавшихся на различных горных
породах.
Однако, не все мелкоземистые продукты выветривания биогенны, часть их об-
разовалась за счет прямого разрушения горных пород, в ходе которого элементы
вторичных минералов не проходили через тела организмов. Но и в этом случае
организмы участвовали в выветривании, поставляя в окружающую среду СО2,
органические кислоты и другие агенты разложения пород.
Геохимия почв, отличие элювиальных почв от коры выветривания. Почва
--- верхний горизонт литосферы, вовлеченный в биогенную миграцию при участии
растений, животных и микроорганизмов. Это область наивысшей геохимической
энергии живого вещества. "Именно здесь, в почвах, --- писал Б.Б. Полынов, ---
наиболее сосредоточена геологическая работа живого вещества; именно в почвах
готовится тот материал континентальных и морских отложений, из которого в
дальнейшем образуются новые породы. Но в то же время в почвах в наибольшей
степени сосредоточены и те процессы, совокупность которых обуславливает
эволюцию органического мира. Здесь разыгрываются многообразные формы
борьбы за существование и приспособление организмов к изменяющимся услови-
ям их жизни, создаются многообразные сообщества (биоценозы) и формируются
новые виды многочисленных низших организмов и высших растений".
Геохимическая сущность почвообразования заключается в разложении органи-
ческих веществ микроорганизмами. Разлагая остатки растений и животных, мик-
роорганизмы поставляют в почвенные растворы СО2, органические кислоты и
другие химически высокоактивные соединения. Чем больше разлагается органи-
ческого вещества, тем богаче почва химически работоспособной энергией, тем
дальше она от равновесия. Почвы --- это особенно неравновесные, чрезвычайно
динамичные биокосные системы.
Основная масса растений расположена над почвой или в ее верхнем горизонте,
Рис. 3.4. Соотношение биогенной аккумуляции, выщелачивания и испарительной концентрации в
почвах (схема, по А.И.Перельману): 1 --- биогенная аккумуляция, 2 --- выщелачивание, 3 --- испари-
тельная концентрация из грунтовых вод.
где сосредоточены самые толстые корни. Поглощение химических элементов
происходит из всей массы почвы, в том числе и из более глубоких горизонтов, в
которых располагаются наиболее тонкие и разветвленные корни. Поэтому после
минерализации растительных остатков в верхнем горизонте почв аккумулируются
те элементы, коэффициент биологического поглощения которых превышает еди-
ницу. Чем больше Ах , т. е . чем интенсивнее растение поглощает элементы, тем
больше и биогенная аккумуляция их в верхнем горизонте. Наибольшее биологиче-
ское накопление характерно для Р и S, Ах которых превышает 100. Биогенным
путем накапливаются также Са, К, Mn и многие редкие элементы. Таким образом,
растение как своеобразный насос перекачивает химические элементы из нижних
горизонтов почвы в верхние (рис. 3.4). Это механизм отрицательной обратной
биокосной связи, способствующий стабилизации почвы. Накапливая биогенным
путем Р, S, Са и другие жизненно важные элементы, растения улучшают условия
своего существования, создают наиболее благоприятную для себя среду. Биоген-
ное накопление Be, Co, Ni, Zn, Ge, As, Cd, Sn и других редких элементов в гуму-
совом горизонте лесной почвы впервые обнаружил в 30-х годах В.М. Гольдшмидт.
Наряду с биогенной аккумуляцией, направленной снизу вверх в элювиальных
почвах, наблюдается и нисходящая миграция водных растворов. Поэтому реаль-
ное распределение элементов в почвах водоразделов и склонов определяется не
только биогенной аккумуляцией, но и выщелачиванием (рис.3.4).
В подзолистых, черноземных, каштановых и других почвах биогенная аккуму-
ляция и выщелачивание протекают с различной интенсивностью. В верхней части
почвы может преобладать или концентрация элементов, или вынос. В результате
почва расчленяется на горизонты с особыми физико-химическими условиями.
Имеются почвы, в которых верхний горизонт кислый, нижний --- щелочной, в
верхнем горизонте господствует окислительная среда, в нижнем --- восстанови-
тельная и т .д. Так, богатство почв свободной энергией определило чрезвычайно
резкую дифференциацию химических элементов по профилю, огромный рост
разнообразия (информации). В результате почвообразования верхний горизонт
литосферы мощностью 1---2 м расчленяется на горизонты (А0, А1, А2, В1, В2 и
т .д.), причем каждый из них представляет собой особую физико- химическую
систему.
Сказанным определяется отличие элювиальной почвы от расположенной под ней коры
выветривания, в которой за счет растворов, поступающих из почвы, также развивается вы-
ветривание минералов и выщелачивание подвижных соединений. Однако в коре нет биоген-
ной аккумуляции элементов под влиянием растений. Следовательно, по процессам выветри-
вания минералов и выщелачиванию подвижных соединений почва и кора выветривания еди-
ны, что в прошлом нередко приводило к отождествлению почвы и коры выветривания.
Принципиальное отличие почвы от коры состоит в биогенной аккумуляции элементов под
влиянием растительности, которая отсутствует в коре.
Формирование химического состава поверхностных и грунтовых вод. Во
влажном климате значительная часть растворенных веществ поступает в воды за
счет деятельности организмов, как находящихся непосредственно в водной массе,
так и населяющих область формирования вод, питающих данный водоем или
водоносный горизонт. Основное значение имеет разложение растительных остат-
ков в почвах. В ходе разложения из воды извлекается О2, а в воду поступают
СО2, НСО3-, Са, Mg, P, S, Na, гумусовые вещества. Состав таких вод довольно
однообразен и слабо зависит от геологического строения района. Например, во
многих гумидных ландшафтах речные, почвенные и грунтовые воды имеют гид-
рокарбонатно- кальциевый состав (Са2+ --- НСО3-). Преобладание в водах Са2+
объясняется тем, что это главный металл живого вещества, который при разложе-
нии растительных остатков в наибольшем количестве поступает в воды. Меньшее
содержание в живом веществе Mg и Na определяет их меньшее содержание в
водах. Накопление гидрокарбонат- иона (НСО3-) обязано растворению СО2 ---
продукта минерализации растительных остатков. Б .Б. Полынов писал: "Я пола-
гаю, что состав природных речных вод обуславливается не простыми абиотиче-
скими реакциями действия воды на минералы магматических пород, то есть гид-
ролизом и растворением, как это придумано в учебниках, а более сложным, хотя и
более быстро текущим процессом извлечения элементов из минералов организма-
ми и растворением в воде зольной части организмов при их минерализации".
Таким образом, главной "фабрикой" формирования химического состава поверх-
ностных и грунтовых вод в гумидных ландшафтах является почва --- та среда, где
наиболее энергично идет разложение растительных остатков. Этот вывод впервые
в 1926 г . сделал В.И. Вернадский и позднее развил Б.Б. Полынов.
В сухом климате в формировании химического состава вод важная роль при-
надлежит растворению солей почв и горных пород, испарительной концентрации
и метаморфизации вод. В результате образуются различные типы вод (а не только
гидрокарбонатно- кальциевые), в том числе хлоридные, сульфатные. Среди катио-
нов часто преобладает не Са2+, а Na+ или Mg2+, среди анионов --- SO42- и Cl-, а
не НСО3-. Следовательно, в сухом климате формирование химического состава
вод имеет преимущественно физико- химический характер, т . е . протекает без
ведущей роли живого вещества. Эти же процессы преобладают в районах влажно-
го климата, сложенных карбонатными, соленосными и гипсоносными толщами,
породами, богатыми сульфидами. В целом влияние живого вещества на формиро-
вание химического состава вод соответствует количеству живого вещества и
интенсивности разложения его остатков.
Если в водах содержится О2, то микробы разлагают органические вещества
особенно полно, в результате окисления образуются Н2О, СО2, соли азотной,
серной, фосфорной и других кислот. При отсутствии О2 (в болотах, озерных илах,
солончаках, частично в грунтовых водах) разложение органических веществ
протекает медленнее, но и в анаэробных условиях происходит минерализация
органических веществ. Кислород, необходимый для их окисления, микроорганиз-
мы отнимают у различных минеральных и других соединений --- NaNO3, Fe2O3,
Na2SO4. В результате Fe, S, N и прочие элементы восстанавливаются. Так, боль-
шое значение имеет микробиологическое восстановление сульфатов: если суль-
фатные бескислородные воды соприкасаются с органическими веществами почв
или пород, то в них развиваются сульфатредуцирующие бактерии, окисляющие
органические вещества за счет отнятого у сульфатов кислорода. У бактерий этот
процесс играет роль дыхательного акта, т . е . таким путем они получают энергию,
необходимую для жизнедеятельности. Схематически восстановление сульфатов
можно изобразить следующим образом:
С6H12O6 + 3Na2SO4 3СO2 + 3Na2CO3 + 3H2S + 3H2O + Q Дж.
Как видим, микроорганизмы окислили углевод (С6Н 12О6) за счет кислорода
Na2SO4 . В результате С и Н окислились до СО2 и Н2О, а S восстановилась до
Н2 S. Подобные процессы протекают всюду, где разложение органических веществ
происходит при наличии сульфатов и отсутствии свободного кислорода: в илах
морей и соленых озер, в засоленных почвах, в глубоких горизонтах подземных
вод и т.д. В результате воды обогащаются Н2S, СО2, местами Na2CO3, в них
понижается содержание SО42- (иногда он исчезает полностью).
При анаэробном окислении органических веществ часто возникают различные
промежуточные продукты типа низко- и высокомолекулярных кислот и других
органических соединений, а также СН4 и Н2 (водородное брожение клетчатки и
прочие процессы).
Газовый и ионный состав вод ландшафта во многом обязан деятельности ор-
ганизмов, как тех, которые находятся непосредственно в водоеме или почве, так
и тех, которые населяют область формирования вод, питающих данный водоем
или почву.
Это не исключает роли таких процессов, как растворение солей, ионный обмен,
и др. (см. главу 4). Но, несомненно, многие особенности элементарного химиче-
ского состава вод определяются именно процессами разложения органических
веществ.
Химический состав вод зависит и от растворимости соединений, возникающих
при минерализации растительных остатков. Например, кремнезем сравнительно
малорастворим, поэтому его поступление в воды невелико, хотя в золе содержит-
ся много. Большое значение имеет также дефицитность элемента. Так, раствори-
мых форм К и Р для организмов, как правило, не хватает, в связи с чем эти эле-
менты жадно ими поглощаются и в малых количествах поступают в воды. К,
кроме того, поглощается коллоидными системами (интенсивнее, чем Na). Именно
поэтому, несмотря на близкие величины кларков, содержание К в природных
водах значительно уступает Na, Ca и Mg.
Таким образом, существуют две группы биогеохимических и физико-
химических процессов формирования химического состава вод. В первой группе
химический элемент, прежде чем перейти в раствор, проходит через тело орга-
низма, для второй группы характерно растворение минералов, ионный обмен и
другие реакции, в которых организмы выступают лишь как косвенный фактор,
влияющий на растворяющую способность вод. Обе группы развиты во всех ланд-
шафтах, но в одних ведущее значение имеют первые процессы, в других --- вто-
рые.
Ионный сток. Это количество главных ионов, ежегодно выносимых поверхно-
стными и грунтовыми водами с водосбора. Он сопоставим с их количеством в
растительных остатках, что также указывает на важную роль разложения органи-
ческих веществ в формировании химического состава вод (табл. 3.4). Таблица 3.4
Количество минеральных веществ в растительных остатках,
поступающих в почву и ионный сток (ц/га)
Ландшафты и реки
Са
MgКS
О42-
По М.А. Глазовской, "коэффициент биогеохимической активности" (КВ) для
тропических лесов равен 4---4,5, для пустынь --- 1, для тайги --- 0,4---0,5.
Разложение органических веществ и состав атмосферы. Особенно велико
влияние этих процессов на состав почвенного и грунтового воздуха. Подземная
атмосфера богаче надземной СО2, водяными парами и беднее О2, местами содер-
жит повышенные количества СН4 и других газов. Но и надземная атмосфера
ландшафта отличается от остальной тропосферы. В результате разложения орга-
нических веществ происходит изменение состава приземного и особенно подзем-
ного воздуха ландшафта. В каждом ландшафте этот состав имеет специфические
особенности.
3.3. Биологический круговорот элементов (бик)
Противоположные процессы образования живого вещества и разложения орга-
нических веществ образуют единый биологический круговорот атомов (сокра-
щенно бик) (рис. 3.5). Часть органических веществ минерализуется не полностью
и захороняется в почвах и илах.
В озерных илах, грунтовых водах фотосинтез отсутствует, однако образование
живого вещества происходит и там, но уже не из СО2 и Н2О, а за счет органиче-
ских соединений или тел других организмов. В отличие от земной поверхности
здесь минерализация преобладает над образованием живого вещества, расходуют-
ся те органические вещества, которые были накоплены в верхних ярусах ланд-
шафта.
История любого химического элемента в ландшафте складывается из кругово-
ротов, различных по масштабу и продолжительности. Так, в пределах почвенного
горизонта микроорганизмы поглощают из раствора минеральные соединения,
которые возвращаются в раствор в процессе обмена веществ микроорганизмов
или после их смерти. Более крупные круговороты осуществляются во всей почве,
в биоценозе, охватывая почву и ярусы растительности (почва --- ярус мхов, почва
--- ярус деревьев и т .д.), наконец во всем ландшафте, когда в круговорот вовлека-
ются также кора выветривания и грунтовые воды. В результате каждого цикла
часть вещества надолго изымается из круговорота, закрепляясь в почве в форме
Рис. 3.5. Биологический круговорот химических элементов в ландшафте (бик)
труднорастворимых соединений или поступая в реки. Поэтому для миграции
химических элементов в ландшафте характерна не только цикличность (бик), но и
направленность. В результате круговороты являются одной из форм поступатель-
ного развития, они --- конкретное выражение развития по спирали. Это также одна
из форм обратной связи. Приведенное положение составляет один из основных
законов геохимии ландшафта: "
закон биологического круговорота химических
элементов" . Он был установлен благодаря трудам В.И. Вернадского, Б.Б. Полы-
нова и В.Р. Вильямса. В нашей формулировке данный закон сводится к следую-
щему: в ландшафте химические элементы, поглощаясь живыми организмами,
входят в состав органических соединений, их тела "организуются". Это процесс
негэнтропийный (энтропия системы уменьшается), и химические элементы
заряжаются энергией, становятся геохимическими аккумуляторами. При разло-
жении органических веществ (в телах самих организмов и после их смерти) энер-
гия выделяется,
"геохимические аккумуляторы разряжаются". Носителями
энергии в основном становятся природные воды, приобретающие агрессивность
и совершающие в ландшафте большую химическую работу. Это процесс энтро-
пийный. Поступательное развитие ландшафта осуществляется через систему
таких круговоротов, в ходе которых закономерно изменяется также информа-
ция.
По Б.Б. Полынову, символом бика служит циклоида --- линия, описываемая
точкой, находящейся на ободе движущегося колеса (а не круг, как следует из
буквальной трактовки термина).
3.4. Биосфера
Для оценки геохимической деятельности организмов за геологическую историю
необходимо суммировать количество живого вещества, которое было на Земле за
4 миллиарда лет. Согласно Н.И . Базилевич, Л.Е. Родину и Н.Н. Розову, в совре-
менную эпоху сухое вещество биомассы Земли составляет 2,4.1012 т , т . е.
0,00001% массы земной коры (2.1019 т). Ежегодная продукция равна 2,32.1011 т .
Если принять, что за последний миллиард (109) лет ежегодная продукция была
близка к современной (отклоняясь в обе стороны), то общее ее количество за 109
лет составит 2.1011.109 = 2.1020 т , т .е . в 10 раз больше массы горных пород зем-
ной коры. Так как живое вещество --- это химически чрезвычайно активная "дей-
ствующая масса", то становится понятна и грандиозная геохимическая роль живо-
го вещества, о которой писал Вернадский. Именно поэтому область жизни нашей
планеты представляет особую систему --- биосферу. Ниже ее на материках распо-
лагаются горные породы, формирование которых прямо или косвенно связано с
жизнью. Это осадочные породы и гранитный слой --- область "былых биосфер",
по Вернадскому, "метабиосфера", по Н.Б. Вассоевичу. Выше биосферы располага-
ется безжизненная зона газообразных продуктов жизни --- "апобиосфера", по
Вассоевичу. Совокупность биосферы, метабиосферы и апобиосферы этот ученый
назвал "мегабиосферой", или "панбиосферой".
Элементы современной концепции биосферы были развиты в начале Х IХ столе-
тия великим французским натуралистом Ж.Б. Ламарком. В 1875 г . австрийский
геолог Э. Зюсс наряду с атмосферой, гидросферой и литосферой выделил в каче-
стве самостоятельной оболочки Земли биосферу --- сферу жизни. Однако пробле-
мой биосферы Зюсс не занимался, и последующие 40 лет, вплоть до работ Вер-
надского, эта сфера не привлекала внимания исследователей.
Биосфера --- это сложная динамическая система с огромным числом случайных
факторов и вероятностным характером многих процессов. В ее состав входят
тропосфера, Мировой океан, литосфера до слоев с температурой, ограничивающей
деятельность бактерий. В формировании биосферы несомненна роль солнечной
энергии, поднятий и опусканий земной коры, горообразования, ледников и других
внешних факторов. Все они приводят в движение мощные внутренние "механиз-
мы" биосферы, которая развивается по специфическим законам. Главный меха-
низм, определяющий единство и целостность биосферы, --- биологический круго-
ворот атомов --- бик (рис. 3.6). Большую роль играет и круговорот воды, который
до известной степени можно сравнить с биком, так как источником энергии обоих
круговоротов служит Солнце. Только круговорот воды --- главный агент механи-
ческой работы, а бик --- химической. Вода тоже выполняет химическую работу
(растворение, выветривание и т .д.), но эта работа в основном осуществляется при
участии живого вещества --- или за счет организмов, находящихся в водах, или за
счет таких продуктов их жизнедеятельности, как СО2, гумус и другие химически
активные вещества.
О грандиозной энергетической роли живого вещества, как аккумулятора сол-
нечной энергии, уже говорилось. Аккумуляторами являются и сульфиды: чтобы
восстановить серу (SO42-ХS2-) и железо (Fe3+ХFe2+), надо затратить энергию, и
она в скрытом виде содержится в пирите и других сульфидах. Пирит (FeS2) ---
наиболее распространенный сульфид и поэтому главный геохимический аккуму-
лятор среди данных минералов. Меньшую роль играют сульфиды Cu, Zn, Pb, Ag и
других металлов. Но и они также "зарядились" энергией, которую отдают окру-
жающей среде при окислении в ландшафтах. Поэтому в зоне окисления сульфид-
ных руд повышается температура, в Сибири даже тает вечная мерзлота, во многих
странах на участках разработки сульфидных руд известны "колчеданные пожары".
Энергия выделяется и в химической форме, так как при окислении пирита образу-
ется серная кислота, разрушающая окружающие породы.
Богатство свободной химической энергией определяет неравновесность био-
сферы, присутствие в ней веществ с противоположными свойствами, как, напри-
мер, сильных окислителей --- свободного кислорода и сильных восстановителей
--- органических веществ. В биосфере в соответствии с законами термодинамики
окисление органических веществ и другие процессы направлены на достижение
равновесия, однако оно никогда не достигается, так как новые порции активных
соединений все время поступают в систему или образуются в ней за счет солнеч-
ной и другой энергии. Особенно характерна неравновесность для живых организ-
мов, поверхностных вод и почв, т . е . для ландшафта и верхних слоев Мирового
океана. Это не исключает полностью равновесия, которое, однако, имеет частное
значение. Неравновесна биосфера и в механическом отношении, о чем говорит
течение рек, перемещение водных масс в океанах, воздушных --- в атмос-
фее.
Биосфера представляет собой гигантский "химический комбинат", на котором
из смеси веществ (изверженные породы, морская вода и т .д .) получаются простые
и сравнительно чистые соединения, состоящие из двух- трех главных элементов.
Продукцией этого комбината являются и целые горы поваренной соли (Na и Cl) и
толщи известняков (Са, С, О), латериты тропиков (Fe, Al, O, H). Следовательно,
преобразование в биосфере солнечной энергии в энергию геохимических процес-
сов приводит к дифференциации химических элементов, росту разнообразия,
накоплению информации, уменьшению энтропии.
В ходе длительной эволюции организмы приспособились к различным условиям
среды и исключительно чутко реагируют на их изменение. Поэтому наблюдается
множество форм биологического круговорота и биогенная миграция значительно
разнообразнее физико- химической и механической. Это подтверждает изучение
всех типов ландшафтов. Например, в тундре, северной тайге бик резко различен, а
физико- химическая миграция почти одинакова.
Чрезвычайное разнообразие биосферы затрудняло в прошлом восприятие ее
единства (целостности). Почему атмосфера, почвы, океан и другие большие при-
родные системы являются частями целого? Есть ли процессы, характерные для
всех частей биосферы? Таким процессом является разложение органических
веществ: и в организмах, и в почвах, и в илах, и в поверхностных водах, и в глу-
боких водоносных горизонтах аккумулированная в органических веществах сол-
нечная энергия выделяется. В результате в окружающую среду поступает химиче-
ская энергия, носителями которой по преимуществу являются природные воды.
Отсюда понятно геохимическое сходство почв, илов, кор выветривания, водонос-
Рис. 3.6. Биологический круговорот атомов в биосфере (по А.И. Перельману)
ных горизонтов и поверхностных вод. Все эти биокосные системы характеризуют-
ся одинаковыми или близкими термодинамическими условиями --- температурой и
давлением, в них развивается бик, основной средой миграции служит вода. По
существу, во всех случаях классифицируют одно и то же образование --- природ-
ные воды в их различных формах. Поэтому, отмечая существование в биосфере
отдельных биокосных систем, необходимо учитывать не только их различия, но и
то общее, что их объединяет в одну категорию образований. Принципиально
иными биокосными системами являются ландшафты суши и верхние горизонты
океана, где протекает не только разложение органических веществ, но и их обра-
зование из минеральных соединений --- фотосинтез. Поэтому по процессам разло-
жения органических веществ биосфера едина, а по процессам их образования
разделяется на две части (А.И . Перельман). Верхнюю часть, куда проникает сол-
нечный свет и где возможен фотосинтез, Е.М . Лавренко предложил именовать
фитосферой (фитогеосферой), а Н. Б. Вассоевич --- фотобиосферой. В нижнюю
часть биосферы солнечный свет не проникает, там фотосинтез невозможен и
биомасса из минеральных соединений практически не образуется. Это область
почвенных, грунтовых, иловых подземных вод на материках, темных глубин
морей и океанов. А.И. Перельман предложил именовать эту зону редусферой, Н.Б.
Вассоевич --- афотобиосферой, А. В. Лапо --- мелонобиосферой.
Большой интерес представляет вопрос о центре биосферы, т . е . такой ее части,
которая играет ведущее значение, определяет своеобразие биосферы в целом,
"управляет" этой сложной системой. Нетрудно доказать, что таким центром слу-
жат ландшафты суши, а точнее --- лесные ландшафты. Это объясняется тем, что в
них сосредоточена основная масса живого вещества планеты --- главного геохи-
мического агента биосферы. Именно в ландшафтах протекают процессы разложе-
ния органических веществ, формирующие химический состав поверхностных и
грунтовых вод. Сток этих вод оказывает глубокое влияние и на моря и океаны.
Ландшафт --- это "клеточка биосферы", для которой характерны основные осо-
бенности данной системы. Вместе с тем ландшафт невелик по размерам, легко
доступен для исследования, что определяет большое методологическое значение
геохимии ландшафта для изучения других биокосных систем, характеристики
биосферы в целом. Возможно, что к центру биосферы следует отнести и верхние
горизонты океана, где протекает фотосинтез.
Три аспекта геохимической деятельности организмов. Закон Вернадского.
Геохимическая деятельность организмов имеет, таким образом, следующие аспек-
ты:1. Организмы как непосредственные концентраторы элементов, в результате
деятельности которых образуются горные породы с органоморфной структурой и
текстурой: угли, коралловые известняки, диатомиты, торф и др.
2. Живое вещество как фактор, определяющий физико- химические условия ми-
грации элементов в данной биокосной системе --- почве, ландшафте, водоносном
горизонте и т .д. (восстановительная среда в местах гниения органических ве-
ществ, резко окислительная в зоне фотосинтеза водных растений и т .д.).
3. Суммарный эффект деятельности живого вещества за геологическую исто-
рию. Организмы выступают в качестве важнейшего фактора миграции элементов,
определяющего всю геохимию земной коры --- формирование кислородной атмо-
сферы, образование известняков, гранитов и других горных пород.
Первый аспект признавался всегда, роль второго часто недооценивалась, а тре-
тий был установлен только исследованиями В.И. Вернадского. Именно он пока-
зал, что миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при
непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она
протекает в среде, геохимические особенности которой (О2 , СО2 , Н 2S и т .д.)
обусловлены живым веществом --- как тем, которое в настоящее время населяет
данную биокосную систему, так и тем, которое действовало в биосфере в тече-
ние геологической истории. Это положение было предложено именовать законом
Вернадского (формулировка А .И. Перельмана).
Контрольные вопросы
1. Чем отличается концепция Вернадского о геологической роли организмов от
ранее имевшихся представлений?
2. Дайте определение понятию "живое вещество", чем оно отличается от
" живого существа"?
3. Охарактеризуйте фотосинтез с геохимических позиций.
4. Каковы закономерности кларков живого вещества? Что такое биофиль-
ность?
5. Дайте определения понятиям "гумидокатность", "ариданитность", "дефи-
цитные" и "избыточные" элементы.
6. Приведите пример разделения изотопов организмами.
7. На чем основаны биогеохимические методы поисков руд?
8. Что такое биокосная система, приведите примеры, кто ввел в науку это
понятие?
9. Что такое биогенное накопление элементов в почвах, кто из геохимиков
впервые открыл и объяснил это явление?
10. Охарактеризуйте Закон бика.
11. Дайте определение понятию "биосфера".
12. Какие процессы в биосфере характерны для всех ее частей?
13. Каковы две группы биокосных систем биосферы?
14. В чем состоит Закон Вернадского?
Глава 4
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МИГРАЦИЯ
Атом в сотнях своих видоизменений, как
своеобразный кирпич мироздания, строит его,
и неумолимые законы физики и химии управля-
ют его судьбами.
А.Е. ФЕРСМАН
Использование законов физики и химии для познания миграции атомов в зем-
ной коре приобрело исключительное значение в геохимии. Этому вопросу посвя-
щено большинство трудов А.Е. Ферсмана, В .М. Гольдшмидта и их многочислен-
ных последователей. Велика роль подобного подхода и для геохимии ландшафта.
4.1. Общие особенности физико- химической миграции
В ландшафте, как и в земной коре, распространены все основные типы химиче-
ской связи: ионная, ковалентная, металлическая, молекулярная и водородная.
Первые 50 лет развитие геохимии происходило преимущественно в рамках "ион-
Рис. 4.1. Химический характер элементов в зависимости от
отношения валентности к радиусу иона (по В.М. Гольд-
шмидту с дополнениями В.В. Щербины).
ной концепции".
Ионы в ландшафтах. Даже при низком содержании ионы могут играть в ланд-
шафтах важную роль. Так, если в воде лишь 10-4 г/л водородного иона (Н+), он
определяет условия миграции других элементов, это ландшафт "кислого класса".
Особенно важно, что разновалентные ионы одного элемента ведут себя как раз-
личные элементы. Например, Fe2+ похож на Са2+, Mg2+, а Fe3+ --- на Al3+, Cr3+.
Чем больше валентных состояний у элемента, чем разнообразнее его ионы, тем
разнообразнее его миграция.
Основоположником ионной концепции в геохимии был В .М. Гольдшмидт, ко-
торый предположил, что ионы в кристаллах можно рассматривать как несжимае-
мые шарики. На основе данных рентгеновского анализа и ряда допущений он в
1926 г . вычислил радиусы большинства ионов и объяснил на этой основе многие
природные явления. В конце 20-х --- начале 30-х годов геохимия во многом разви-
валась под влиянием этих идей, проблема "ионы в геохимии" стала одной из
центральных, начался особый "кристаллохимический этап" в истории этой науки,
расцвет которого пришелся на 30 --- 50-е годы. В СССР данное направление раз-
вивали А.Е. Ферсман и его последователи --- А.А. Сауков, В.В. Щербина, К.А.
Власов и др. Геохимики начали широко использовать новые константы --- разме-
ры атомов и ионов. Они научились оперировать этими малыми величинами (n.10-
10 м), от которых, как выяснилось, зависят многие важные явления природы.
Ионы характерны для горных пород, почв, природных вод и атмосферы, т . е . это
широко распространенная форма нахождения элементов, и только живые орга-
низмы и связанные с ними органические соединения (гумус и т .д.) составляют в
этом отношении исключение. Ионные радиусы --- это не физические константы, и
использовать эти величины нужно осторожно, но все же прав был А. Е. Ферсман,
говоря об огромном значении радиусов ионов в геохимии.
Щелочные и щелочно- земельные металлы, теряя валентные электроны, стано-
вятся ионами с электронной конфигурацией благородных газов, а галогены, при-
обретая электроны, при ионизации получают такую же конфигурацию. Поэтому
ионы этих и некоторых других элементов именуются "ионами типа благородных
газов". По Гольдшмидту, их способность вести себя как катионы (катионоген-
ность) или анионы (анионогенность) зависит от соотношения радиуса ионов и их
заряда (валентности). При малых значениях этой величины ("ионного потенциа-
ла") элемент ведет себя как типичный катион (например, щелочной металл), а при
больших --- образует типичный анион (например, хлор) (рис. 4.1). Катионоген-
ность и анионогенность не синонимы понятий "металлы" и "неметаллы". Хотя для
металлов характерно образование катионов, они могут образовывать и анионы,
например, Мо образует анион МоО42-
---
аналог сульфат- иона SO42-
. С другой
стороны, типичный неметалл N, помимо
наиболее характерных для него анионов
(NO3- и др.), образует и катион
(аммоний
---
NH4+).
И
катионогенностью и анионогенностью
обладает большая группа элементов.
В ландшафтах, как и в земной коре,
элементы мигрируют и в ионной, и в неионной форме. Поэтому, несмотря на
огромную роль "ионной концепции", она не объяснила все особенности физико-
химической миграции. Многие элементы мигрируют в составе недиссоциирован-
ных молекул, коллоидных мицелл. Неионная форма преобладает в органических
соединениях, из которых многие растворимы в воде (фульвокислоты и др.). В
комплексе с органическими веществами мигрируют и многие металлы. Использо-
вание в подобных случаях понятий о радиусах и других характеристиках ионов
методологически неоправданно.
Термодинамика физико- химической миграции. При изучении обратимых ре-
акций и равновесных систем или систем, стремящихся к равновесию, большое
значение приобрела химическая термодинамика, методы которой позволили ре-
шить такие важные задачи, как определение форм нахождения элементов и усло-
вия образования минералов. На законах термодинамики основан принцип Ле Ша-
телье, согласно которому изменения в равновесных системах происходят в на-
правлении, противодействующем внешнему воздействию. Например, из вод соле-
ного озера осенью при понижении температуры осаждаются минералы, образова-
ние которых сопровождается выделением тепла. Весной при повышении темпера-
туры эти минералы растворяются, так как растворение связано с поглощением
тепла.
Принцип Ле Шателье позволяет определить направление процесса при измене-
нии внешних условий --- давления, температуры и концентрации. Он применим
только к равновесным системам, его использование при анализе неравновесных
систем ведет к ошибкам. Так считалось, что минералы изверженных пород, обра-
зовавшиеся при высоких температурах и давлениях, попав на земную поверх-
ность, в условия низких давлений и температур, "по принципу Ле Шателье"
должны выветриваться с выделением тепла и увеличением объема. Однако поле-
вые шпаты и другие магматические минералы образовались в условиях, отличных
от земной поверхности, при выветривании внешние факторы действуют не на
равновесную систему, и поэтому здесь принцип Ле Шателье неприменим.
Термодинамические барьеры (Н). Эти барьеры широко распространены в ланд-
шафтах. Они возникают в результате изменения основных термодинамических
параметров --- давления Р и температуры Т. Н барьер формируется в местах рез-
кого понижения давления СО2 в подземных и грунтовых водах, на нем осаждают-
ся кальцит и другие карбонаты:
Так образуются кальцитовые травертины в местах выхода на земную поверх-
ность углекислых источников, кальцитовые горизонты в почвах и континенталь-
ных отложениях.
Принцип торможения химических реакций. Различия в кларках определяют не-
стехиометричность большинства природных реакций. Поэтому химический эле-
мент (ион, молекула) в ландшафтах чаще всего находится относительно других
элементов, способных вступать с ним в реакцию, или в избытке, или в дефиците.
Имеются в виду именно термодинамическая дефицитность или избыточность, т . е .
эти термины используют в ином смысле, чем при характеристике биогенной ми-
грации.
В случае "термодинамической избыточности" количество элемента в системе
достаточно для реализации всех возможных реакций, после завершения которых
остается неизрасходованная часть. В ландшафтах часто избыточен свободный
кислород и реакция окисления не лимитируется его содержанием. В поверхност-
ных и грунтовых водах избыточна вода, которая не лимитирует реакцию гидрата-
ции. В некоторых грунтовых водах избыточны Н2 S, CO2, SO42- и т .д . Избыточны
в основном элементы с высокими кларками, способные давать газообразные и
растворимые соединения. Шире распространен дефицит элементов, при котором
их содержание не обеспечивает реализацию всех термодинамически возможных
реакций. Дефицитны почти все редкие элементы и многие распространенные.
Например, свободный кислород дефицитен в болотах, поэтому там реализуются
далеко не все реакции окисления. Местами дефицитны Н 2S, CO2 и другие реаген-
ты, в пустынях --- Н2О . Именно дефицитом реагентов объясняется малое число
минералов и их редкость у элементов с низкими кларками.
Согласно принципу торможения химических реакций, если в системе один из
реагентов присутствует в количестве, недостаточном для реализации всех воз-
можных реакций, то будут осуществляться лишь те реакции, для которых харак-
терно максимальное химическое сродство. Эти реакции, расходуя "на себя" дефи-
цитные реагенты, препятствуют реализации других возможных реакций --- с
меньшим сродством, часто и с меньшим тепловым эффектом (А.И. Перельман).
Для труднорастворимых соединений химическое сродство часто симбатно произ-
ведению растворимости (ПР), поэтому из всех возможных реакций образования
минералов в первую очередь протекают те, для которых характерна наименьшая
величина ПР.
Дефицитные реагенты, как правило, поступают в ландшафт извне и общее их
количество может быть значительным. Однако в каждый данный момент они
дефицитны, что и обеспечивает действие принципа торможения. Отметим, что
этот принцип давно применяется в лабораторной практике при дробном осажде-
нии. Например, если к раствору, содержащему равные концентрации Cl- и J-,
приливать по каплям AgNO3 (дефицитный реагент), то сначала начнет осаждаться
чистый AgJ, так как растворимость его ниже, чем у AgCl. Следовательно, осажде-
ние AgJ будет "тормозить" осаждение AgCl (при отсутствии в растворе J- стал бы
осаждаться AgCl). По мере расходования J- концентрация Ag+ в растворе будет
расти, так как ПР AgJ --- величина постоянная. Наконец, наступит такой момент,
когда вместе с AgJ начнет осаждаться AgCl. Когда все ионы J- будут связаны в
осадке, начнется осаждение чистого AgCl. В ландшафте в условиях стационарного
процесса израсходование ионов может не произойти в связи с их постоянным
поступлением извне, например за счет притока вод. Поэтому динамическая обста-
новка здесь создает более благоприятные условия для проявления принципа тор-
можения, чем обстановка дробного осаждения в лаборатории. Дефицит реагентов
определяет многие особенности физико- химической миграции, ее отличие от
лабораторных реакций.
Физико- химическое компьютерное моделирование. Новые возможности приме-
нения химической термодинамики появились на основе использования вычисли-
тельной математики и оптимального программирования. С помощью ЭВМ стали
рассчитывать состав равновесных систем, включающих большое число минераль-
ных фаз. По И.К. Карпову, изучение моделей минералообразования на термоди-
намической основе с помощью ЭВМ --- ведущая тенденция развития физико-
химического направления в геохимии, позволяющая решать такие задачи, которые
ранее были совершенно недоступны. С этой целью были созданы программные
комплексы, например, программа "Селектор". Так, И.К. Карпов, С.А. Кашик и
другие рассмотрели формирование коры выветривания, причем число фаз при
расчетах превышало 20, а число зависимых компонентов --- 100. Рассматривалось
взаимодействие чистой дождевой воды с породами, влияние парциального давле-
ния СО2, окислительно-восстановительного потенциала и других параметров на
формирование коры. Были получены результаты, количественно объясняющие
особенности профиля выветривания. В.А. Копейкин моделировал выветривание и
бокситообразование. Им рассмотрена система, состоящая из 16 независимых
переменных (K, Na, Mg и т.д.) и 144 зависимых компонентов (Na2CO3, NO3-,
NH4+ и др.). Моделируя выветривание сиенита, автор получил латеритный про-
филь, в нижней части которого установил восстановительный геохимический
барьер. А.А. Дроздовская моделировала на ЭВМ эволюцию состава атмосферы,
океана, химического осадкообразования, начиная с докембрия. При изучении
эволюции атмосферы были учтены 13 химических элементов (независимые ком-
поненты) и 63 растворенные формы этих элементов, 10 газов, 46 --- твердых ве-
ществ (зависимые компоненты). Преимущество данного метода состоит в возмож-
ности анализа очень сложных систем, включающих огромное число компонентов,
что было недоступно ранее. Большое значение имеет и быстрота расчетов. Вместе
с тем необходимо учитывать и ограничения данного метода. Так, при изучении
ландшафтных процессов нельзя игнорировать роль разнообразных органических
соединений, образующих сложные растворимые комплексы со многими элемента-
ми, роль микроорганизмов, т .к . и органические соединения, и бактерии в боль-
шинстве случаев определяют своеобразие процессов. Все это заставляет осторож-
но относиться к выводам, получаемым на основе физико- химического моделиро-
вания, на что обратил внимание и И.К . Карпов. Наиболее надежны такие методы
при изучении соляных озер.
Ограниченность термодинамического подхода, необходимость изучения хими-
ческой кинетики и динамики миграции. Несмотря на большой вклад, который
внесли термодинамические методы в познание физико- химической миграции, их
возможности не универсальны. Поэтому при решении части геохимических задач
используются и другие разделы физической химии, в частности химическая кине-
тика. Последняя изучает механизм процессов, скорости реакций. Установлено,
что состав вод, минералов во многом определяется не равновесием (или не только
им), а главным образом кинетикой процессов. Так, в полярных районах нередко
на поверхности встречаются невыветрелые выходы сульфидных руд. В условиях
кислородной атмосферы пирит и другие сульфиды термодинамически неустойчи-
вы, но они устойчивы фактически, так как низкие температуры сильно замедляют
окисление.
Механизм массопереноса: диффузия и конвекция. Физико- химическая ми-
грация осуществляется путем диффузии, конвекции или их сочетаний (конвектив-
ной диффузии). Диффузия --- это самопроизвольный и необратимый перенос
вещества, приводящий к установлению равновесных концентраций в результате
беспорядочного ("теплового") движения атомов, ионов, молекул и коллоидных
частиц. Процесс ведет к уменьшению разнообразия, дифференциации и не требует
затраты энергии извне, энтропия системы увеличивается. Но диффузия возможна
и при действии внешних факторов, создающих градиенты температуры, давления,
электрического потенциала (термодиффузия, бародиффузия, электродиффузия).
Скорость диффузии растет с температурой. Диффузия имеет место в застойных
или очень малоподвижных водах. В ландшафте это главным образом болотные и
иловые воды, частично растворы элювиальных почв, коры выветривания, водо-
носных горизонтов. Диффузионные процессы особенно характерны для глин, они
нередко приводят к их обессоливанию (диффузионное выщелачивание), при этом
ионы мигрируют с различной скоростью (например, хлориды диффундируют
быстрее сульфатов).
Конвекция --- это миграция массовых потоков газа или жидкости. При этом в
отличие от диффузии мигрируют не только растворенные частицы (атомы, ионы,
молекулы и т .д.), но и сам растворитель. В пористой среде конвекция называется
фильтрацией, которая значительно быстрее диффузии и особенно характерна для
ландшафтов; скорость фильтрации зависит от многих факторов и сильно колеб-
лется. При фильтрации воды взаимодействуют с почвами и породами, в которых
развиваются явления выщелачивания, сорбции, ионного обмена, осаждения эле-
ментов на геохимических барьерах.
Радиоактивные процессы в ландшафтах. Изучение радиоактивности имело
большое значение для наук о Земле, в этом явлении стали искать разгадку многих
проблем развития земной коры. Возникла радиогеология, основы которой были
заложены Вернадским.
Радиоактивность --- результат превращений в атомных ядрах, которые не зави-
сят от давления, температуры, окислительно- восстановительных, щелочно-
кислотных и прочих параметров миграции земной коры. Важная геологическая и
социальная роль радиоактивности выявилась уже в начале ХХ в . Так, в 1910 г .
В.И . Вернадский писал, что изучение радиоактивности может могущественным
образом отразиться на общественной и государственной жизни, так как в явлени-
ях радиоактивности наблюдаются огромные эффекты ничтожных масс. О порази-
тельной интуиции ученого свидетельствуют его слова, звучающие вполне совре-
менно, хотя они были произнесены в начале ХХ столетия, когда о практическом
использовании атомной энергии не задумывались даже физики: "Мы подходим к
великому перевороту в жизни человечества, с которым не может сравниться все
им раньше пережитое. Недалеко то время, когда человек получит в свои руки
атомную энергию, такой источник силы, который даст ему возможность строить
свою жизнь, как он захочет. Это может случиться в ближайшие годы, может слу-
читься через столетия. Но ясно, что это должно быть. Сумеет ли человек восполь-
зоваться этой силой, направить ее на добро, а не на самоуничтожение? Дорос ли
он до умения использовать ту силу, которую неизбежно должна дать ему наука?
Ученые не должны закрывать глаза на возможные последствия их научной рабо-
ты, научного процесса. Они должны связать свою работу с лучшей организацией
человечества".
Для геохимии ландшафта важны ядерно-физические методы определения эле-
ментов, которые отличаются огромной чувствительностью. Один из таких мето-
дов --- нейтронно- активационный анализ, суть которого состоит в облучении
изучаемых образцов тепловыми нейтронами в ядерных реакторах и определении
искусственной радиоактивности, вызванной образованием нестабильных изото-
пов. Высокая чувствительность метода (10-6 --- 10-11 % и более) позволяет
использовать его для определения многих редких и рассеянных элементов.
Из 17 известных в земной коре долгоживущих радиоактивных изотопов наибо-
лее велико геохимическое значение 238U, 235U, 232Th, 40К. При радиоактивном
распаде U и Th последовательно образуются промежуточные продукты --- различ-
ные радиоактивные изотопы, а также конечные продукты --- стабильные изотопы.
Так, при распаде 238U образуются радиоактивные изотопы Pa, Th, Ra, Rn, At, Bi и
т .д., а конечными продуктами являются стабильные элементы --- Не и Pb.
В ландшафтах хорошо изучена геохимия U и других естественных радиоактив-
ных элементов. В последние годы много внимания уделяется искусственным
радионуклидам, особенно после чернобыльской катастрофы.
4.2. Воздушная миграция
Газовый состав атмосферы. Роль газов в ландшафте зависит от их кларков и
химической активности. Активные элементы с высокими кларками образуют
ведущие газы --- О2, СО2, водяной пар Н2О, Н2S. Растворяясь в водах, они опре-
деляют условия миграции многих элементов, становятся "геохимическими дикта-
торами". Поэтому по составу ведущих газов именуются важнейшие геохимиче-
ские обстановки в водах --- окислительная, сероводородная и т .д. Большинство
газов в силу химической инертности (N2, Ar) или низкого содержания (G2, H2Se и
т .д.) не относятся к ведущим. Геохимическая классификация газов биосферы и
ландшафтов учитывает их геохимическую активность, роль в ландшафте, распро-
страненность (табл. 4.1).
Таблица 4.1.
Геохимическая классификация газов биосферы
(по А.И. Перельману)
А. Активные газы
1. Неорганические газы.
Окислители (некоторые влияют и на щелочно- кислотные условия):
О2, О3, NО2, H2O2, NO.
Восстановители (некоторые влияют и на щелочно- кислотные условия): H2S, H2,
H2Se, NH3, N2, N2O, CO, Hg.
Полярные газы, влияющие преимущественно на щелочно- кислотные условия
(некоторые влияют и на окислительно- восстановительные условия): СО2, Н2О,
HCl, HF, SO2, SO3.
2. Органические газы.
Углеводороды и их производные: СН4, С2Н6, С4Н10, С2Н4 и другие органиче-
ские соединения (в том числе элементоорганические).
Б. Пассивные газы (инертные): Ar, He, Ne, Kr, Xe, Rn.
Газы образуются в результате физико- химических, биогенных и техногенных
процессов. Хотя происхождение современной атмосферы в основном обязано
биогенной миграции (см. гл. 3), а тропосфера и атмосфера --- это биокосные сис-
темы, все же ведущую роль в ней играют физико- химические и механические
процессы, особенно круговорот воды и движение воздушных масс. Постоянный
приток солнечной энергии определяет исключительную динамичность и неравно-
весность атмосферы.
К физико- химическим процессам относится огромное число реакций образова-
ния СО2, водяного пара, Н2S и других газов. К этой группе процессов относятся и
радиоактивный распад U, Th и К , генерирующий Не, Ar и Rn, а также ядерные
реакции, возникающие в атмосфере под действием космических лучей. С послед-
ними связано образование нейтронов (n) и последующие реакции:
14N + n Ф 12C + 3H (радиоактивный изотоп водорода --- тритий Т).
Под влиянием космических лучей в атмосфере протекают и другие ядерные ре-
акции с образованием радиобериллия (10Ве), радионатрия (22Na), радиоалюминия
(26Al), радиохлора (36Cl) и других радиоактивных изотопов.
Почти весь О2, N2, СН4, а также часть СО2, H2S, многие другие газы --- био-
генны. С техногенезом связано образование большого количества СО2, SО2 , NO2
и прочих газов.
На уровне моря сухой воздух (за вычетом паров воды) содержит 78,09% N и
20,95 объемных процентов О, т . е . атмосфера имеет азотно- кислородный состав, и
этим она принципиально отличается от атмосфер других планет. Третий главный
компонент тропосферы --- Ar (0,93%). В тропосфере также содержится водяной
пар (0,021 --- 4%), СО2 (0,03%). Значительно меньше оксидов N, NH3, O3, H2,
CH4, He, Kr, Xe, Rn, Hg и т .д. Так, содержание Nе равно 1.10-3, СН4 --- 2.10-3, Не
--- 5,2.10-4, Н2 --- 5.10-5, Rn --- 10-21 объемных процента. Очень мало содержание
трития --- Т (3Н).
Т претерпевает b --- распад и превращается в изотоп Не с массовым число 3
(3Не). За 12,262 лет распадается половина его атомов. Интенсивность синтеза Т
мала, и его атомный кларк в атмосфере близок 4.10-15%, в атмосферных осадках
--- 3.10-18%. Казалось бы, при столь ничтожных кларках Т не представляет прак-
тического интереса. Однако, изучая содержание Т в природных водах, можно
установить скорость проникновения атмосферных осадков в земные недра, решать
другие проблемы наук о Земле. Под влиянием космических лучей N атмосферы превра-
щается не только в Т, но и в радиоактивный изотоп 14С. В этом случае в ядерной реакции
участвуют и нейтроны, и протоны. Содержание 14С в атмосфере больше, чем Т, но все-таки
ничтожно --- около 2.10-10% (а нерадиоактивного С, входящего в состав СО2, в 40 миллио-
нов раз больше).
Радиоактивные излучения, космические лучи и другие факторы частично иони-
зируют тропосферу, приводят к образованию положительно и отрицательно заря-
женных частиц --- групп молекул размером около 10-7 см. Это так называемые
легкие аэроионы.
Взвешенные частицы воды и пыли размером около 10-5 см также несут элек-
трические заряды --- это тяжелые аэроионы. Их обычно значительно больше, чем
легких ионов (n.102 --- n.105 в 1 см3 против n.10 --- n.103 легких ионов). Легкие,
отрицательно заряженные ионы полезны для здоровья, чем объясняют благотвор-
ность пребывания на морском берегу, у водопадов, фонтанов, на берегу бурных
горных рек, где образуется много таких аэроионов. Высокое содержание положи-
тельно заряженных легких ионов для здоровья вредно.
Существенное влияние на состав атмосферы оказывает вулканизм. Вулканы по-
ставляют Н2О и СО2, а также Н2, СО, N2, SO2, Cl2, H2S, HCl, B(OH)3, NH3, CH4
и другие газы. В течение года действующие вулканы выделяют в атмосферу мил-
лионы тонн HF и HCl. В вулканических ландшафтах идут "кислые дожди" с рН
2,4---2,5 и минерализацией до 250 мг/л .
В стратосфере и мезосфере в результате фотохимических реакций образуется озон: О2 + О
= О3. Его общая масса невелика и при нормальном давлении (105 Па) составила бы слой
мощностью лишь 1,7---4,0 мм. Но и такое количество задерживает губительную коротковол-
новую радиацию Солнца. Поэтому жизнь на земной поверхности могла развиться только
после образования озонового экрана (в начале PZ?). Рост антропогенных выбросов оксида
углерода, метана, оксидов азота ведет к увеличению концентрации озона в приземной атмо-
сфере. Учитывая сезонную и суточную изменчивость, В.И. Егоров и В.А. Павлов считают,
что концентрация озона в нижних слоях атмосферы равнинных районов изменяется от 2 до
160 мкг/м3, увеличиваясь в горных районах до 200 мкг/м3. В последние десятилетия установ-
лен и противоположный процесс --- уменьшение концентрации озона над Антарктидой на
площади в миллионы квадратных километров. Менее выражено данное явление в Арктике.
Происхождение "озоновой дыры" не полностью ясно: ведущую роль отводят фреонам (хло-
ристым соединениям, входящим в состав антропогенных аэрозолей), вулканизму, изменению
солнечной активности, изменению атмосферной циркуляции.
Химический состав атмосферных осадков. Основные ионы --- НСО3, SO4 2-, Cl-,
Ca2+, Mg2+, Na+ поступают в осадки за счет растворения газов воздуха, приноса
ветром солей с моря, растворения солей и пыли континентального происхожде-
ния, вулканических эксгаляций и других источников. Общее количество раство-
ренных веществ, как правило, не превышает 100 мг/ л , часто оно меньше 50 мг/л .
Это ультрапресные воды, но местами минерализация осадков повышается до 500
мг/л и более. Дождевая вода содержит также некоторое количество перекиси
водорода (вблизи Москвы в грозовом дожде около 1 мг/л , в затяжных дождях ---
0,0n мг/л).
В результате физического испарения солей, а также разбрызгивания морской
воды при волнении в зоне прибоя и последующего испарения водяных капель
морской воздух обогащен элементами морской воды, а ветры, дующие с моря,
приносят на сушу морские соли. Большая часть Cl, Li, Na, Rb, Cs, B в речных
водах, вероятно, имеет морское происхождение. Это "циклические соли", которые
на сушу попадают с атмосферными осадками и затем со стоком снова поступают в
океан. Л.К . Блинов рассчитал, что ветры с поверхности Каспийского моря выно-
сят 30% ионного стока его бассейна. При этом соли переносятся на тысячи кило-
метров (пример отрицательной обратной связи, стабилизирующей солевой баланс
ландшафта). По В .Д. Корж и В.С . Савенко, в среднем до 15% солей речного стока
привнесены в реки из океана через атмосферу. Не отрицая роли циклических
солей в солевом балансе суши, следует признать, что формирование химического
состава поверхностных и подземных вод в большинстве ландшафтов происходит
за счет химических элементов горных пород, поступающих в воды при выветри-
вании, разложении растительных остатков и других процессах, и только для неко-
торых элементов основным источником служит океан.
Важное геохимическое значение имеет близость моря. Так, по А.А . Колодяж-
ной, на Черноморском побережье ежегодно с осадками выпадает 60 т солей на 1
км2, большая часть которых имеет морское происхождение. В атмосферных осад-
ках морских побережий содержание Cl может превышать 100 мг/л . Однако уже на
небольшом расстоянии от берега содержание морских солей резко снижается до
1--3 мг/л (В .П. Зверев). Все же по сравнению с морской водой дождевые осадки в
прибрежных районах относительно обогащены кальцием, калием и сульфатным
ионом, образующими менее растворимые и менее гигроскопические соли, обедне-
Рис. 4.2. Распределение микроэлементов во фракциях
атмосферного аэрозоля (по А.З. Миклишанскому). Фракции:
1 --- субмикронная (< 2 мкм); 2 --- мелкодисперсная; 3 ---
крупнодисперсная.
ны натрием и хлором (Я. Мияки).
В атмосферных осадках внутриконтинентальных районов преобладают не "мор-
ские ионы" --- Cl- (не более 2---3 мг/л) и Na+ , а "континентальные" --- Ca2+,
HCO3- и SO42-
. По Г.А. Максимовичу, минерализация осадков европейской Рос-
сии колеблется от 25 до 206 мг/л , причем морские соли составляют 3---7 мг/л , а
континентальные --- 23---200 мг/л . Только в прибрежной зоне количество морских
солей возрастает до 200 мг/ л . Особенно высоко содержание "континентальных
солей" в степях и пустынях, где почвы легко развеваются. В гумидных внутри-
континентальных областях минерализация осадков (без учета роли техногенеза)
низкая, около 20---30 мг/л , в них преобладают НСО3- и Са2+. Вода в туманах
обычно более минерализована, чем дождевые осадки.
Кроме главных ионов в дождевой воде растворены серная, азотная кислоты, пе-
рекись водорода, органические вещества, микроэлементы, пестициды, углеводо-
роды и др., содержание которых возрастает в промышленных районах и крупных
городах.
Атмосферный аэрозоль. Важную роль в формировании химического состава
атмосферы играют атмосферные аэрозоли --- взвешенные твердые коллоидные и
жидкие частицы в газообразной среде размером от нескольких микрометров до их
сотых и тысячных долей. Над континентами преобладают крупные частицы, над
океанами --- более мелкие, и в последнем случае их концентрация на порядок
ниже. Максимальны концентрации аэрозолей в приземном слое атмосферы и над
промышленными регионами. Геохимической сущностью аэрозолей является их
способность конденсировать на своей поверхности рассеянные химические эле-
менты. Содержание некоторых из них выше, чем в почвах и приповерхностной
литосфере.
Для оценки степени аккумуляции
элементов
в
аэрозолях В.В .
Добровольским
предложен
коэффициент
аэрозольной
концентрации , где А --- содержание в
твердой фазе аэрозоля, К --- кларк
элемента
в
"
гранитном"
слое
литосферы. Оказалось, что аэрозоли
обогащены
многими
металлами,
прежде всего кадмием (Ка > 100),
свинцом, оловом (50---100), цинком,
медью, никелем, хромом (10---50),
ванадием (до 10), т . е . элементами, для
которых большая часть поступления в
атмосферу связана с выбросами
промышленных предприятий. Это
указывает
на
преимущественно
техногенное происхождение обогащенности аэрозолей тяжелыми металлами.
Литофильные элементы (титан, алюминий, цирконий и др.) не накапливаются в
аэрозолях. Железо, марганец, медь, цинк, хром больше связаны с крупно-
мелкодисперсным аэрозолем; мышьяк, сурьма, свинец, кадмий, никель концен-
Рис. 4.3. Принципиальная схема
распределения элементов, поступаю-
щих из атмосферы в гумидных и
аридных ландшафтах (при промывном
и непромывном режимах) (по А . И .
Перельману):
А --- в почвах и коре выветривания
гумидных ландшафтов, где преоблада-
ет транзитная миграция, частичная
задержка и аккумуляция в почвах J, F,
Cl, SO4 2-, Ca, Na и других элементов
без образования самостоятельных
минеральных фаз;
Б --- в почвах и коре выветривания аридных
ландшафтов (сухие степи и пустыни), где
поступающие из атмосферы элементы
задерживаются в почве с образованием
самостоятельных минералов --- кальцита,
гипса и других; 1---5 --- минералы, образовав-
шиеся или накопившиеся в результате
атмосферной миграции (1 --- отсутствуют, 2
--- кальцит, 3 --- силикаты, алюмосиликаты и
другие минералы, 4 --- гипс частично с
примесью легкорастворимых солей, 5 ---
легкорастворимые соли).
трируются в субмикронной фракции (рис. 4.2). Последняя представляет собой уже
не взвешенную, а паро- газовую форму нахождения элементов, что влияет на их
растворимость, скорость вымывания из атмосферы и дальность воздушной мигра-
ции.
При экологическом мониторинге получены сведения о содержании металлов,
пестицидов, углеводородов в аэрозолях фоновых и промышленных районов (С.
Бутрон, А. А. Волох, А.З . Миклишанский и др.). Выявилась общая тенденция: в
фоновых районах значительная доля элементов существует в атмосфере в паро-
газовой форме, вблизи техногенных источников, в крупных городах элементы
больше связаны с крупными частицами (Ф.Я. Ровинский и др.). Особенно низки
концентрации металлов и других загрязнителей в атмосфере приполярных облас-
тей и над океанами.
Взаимодействие приземной атмосферы с земной поверхностью. В формиро-
вании приземного слоя воздуха большую роль играют почва и растительный
покров. Микроорганизмы почвы, растения и животные выделяют в приземную и
почвенную атмосферу помимо СО2, Н2О, N2, О2 (только растения) также разно-
образные летучие органические вещества, среди которых установлены как про-
стые по составу --- СН4 и другие, так и весьма сложные, вплоть до элементорга-
нических соединений. По Л.Г. Бондареву, масштабы фитогенного выноса мине-
ральных веществ того же порядка, что вулканизм и сжигание минерального топ-
лива.
Для характеристики атмосферной миграции и ее соотношения с биогенной и
водной миграцией М.А. Глазовская предложила два показателя: КА --- коэффици-
ент атмогеохимической активности, равный отношению количества элемента,
поступающего с осадками, к их количеству, потребляемому растениями, и КИ ---
коэффициент гидрогеохимической активности, равный отношению количества
элементов, выносимых ионным стоком, к их количеству, поступающему с атмо-
сферными осадками.
Судьба элементов, принесенных с атмосферными осадками, различна: в гумид-
ных ландшафтах они в основном выщелачиваются из почв и со стоком поступают
в моря, а в аридных --- накапливаются в почвах. Поэтому чем древнее аридные
ландшафты, тем больше в них атмосферных аккумуляций --- солей и пыли (рис.
4.3).
В аридных областях основными механизмами поступления вещества из атмо-
сферы являются осаждение пыли, легкорастворимых солей, атмосферных осадков.
По Н.Ф. Глазовскому, осаждение пыли в аридных районах составляет 5---50 т/км2
в год на суше и 30---100 т/км2 во внутренних морях (Каспийском, Аральском).
Вместе с пылью осаждаются легкорастворимые компоненты (десятки т/км2 в год).
Подземная атмосфера ландшафта --- почвенный и грунтовых воздух по составу
значительно отличается от надземной: в ней больше СО2, часто выше влажность,
иное содержание микрокомпонентов. СО2 образуется за счет дыхания корней,
животных, микроорганизмов, его содержание колеблется от 0,15 до 0,65%, может
достигать 2% и более. Между подземной и надземной атмосферами существует
постоянный газообмен, подчиняющийся законам диффузии. За счет такого "дыха-
ния почвы" в атмосферу поступает СО2, обогащающий приземные слои воздуха.
Почвенный воздух тайги, тундр, степей, пустынь и других ландшафтов разли-
чается по количеству СО2, Н2О, микрокомпонентов. Так, в гумидных болотах
повышено содержание СН4 ("болотный газ"), солончаках и аридных болотах ---
Н2S, в других ландшафтах N2O, NH3 и прочих газообразных продуктов бика.
Ландшафты на разных горных породах также имеют разный почвенный и грунто-
вый воздух: на участках развития гранитоидов и радиоактивных руд он обогащен
Rn, на участках развития нефтеносных пород и углей --- углеводородами (главным
образом СН4), на некоторых рудных месторождениях --- парами Hg. На основе
изучения состава подземной атмосферы ландшафта ищут урановые руды, нефть и
другие ископаемые.
По зонам разломов, рифтам, через вулканы осуществляется миграция в ланд-
шафты глубинных газов. Их выделение иногда приводит к катастрофическим
последствиям. Например, в 1986 г . на берегах озер Ниос (Камерун) погибло более
1700 человек в результате выброса со дна озера удушливых газов (в основном
СО2). Придонные слои воды и после катастрофы были насыщены СО2 (30%).
Происхождение СО2 связывают с магматическими процессами.
Велико влияние подземной атмосферы на эксплуатацию рудников и шахт. Так,
при отработке угольных залежей в шахтах накапливается СН4, смесь которого с
воздухом в определенных пропорциях взрывоопасна. Еще опаснее в шахтах смесь
воздуха с водородом.
4.3. Водная миграция
Большинство химических элементов мигрирует в ионных, молекулярных или коллоидных
растворах. Вода --- это "кровь ландшафта", она находится в сложных обратимых взаимоот-
ношениях с организмами, горными породами, атмосферой. Важнейшими компонентами вод
являются растворенные газы, особенно О2, СО2, Н2S. Значительная часть растворенных
веществ находится в форме ионов, среди которых преобладают Са2+, Mg2+, Na+ ,
HCO3- , SO42-, Cl- ("шестикомпонентный состав"). Все воды содержат также ионы
Н+ и ОН-, роль которых, несмотря на низкое содержание (обычно 10-5 --- 10-8 г/л), чрез-
вычайно велика. Мало содержание распространенных в литосфере элементов --- K,
P, Si, Al, Ti, Ni, Co, Cu, Mo, Zn, U и других (обычно не более 10-5 --- 10-7 г/л).
Кроме ионов растворенные неорганические соединения находятся в форме молекул и колло-
идных частиц. Велика роль и растворенного органического вещества (РОВ). Характерна
также миграция тонкой мути и более крупных взвешенных частиц. Таким образом, воды
ландшафта --- это сочетание ионных, молекулярных и коллоидных растворов с суспензиями.
Почти все воды --- биокосные тела, т.е. содержат живое вещество.
В биосфере протекает грандиозный круговорот воды, связывающий материки и
океаны. Проявляется круговорот и в пределах отдельных ландшафтов. При этом
происходит поглощение солнечной энергии, которая затрачивается на испарение,
а после конденсации водяных паров и выпадения осадков потенциальная энергия
переходит в кинетическую энергию рек и ручьев. Круговорот воды можно срав-
нить с биком, причем бик в ландшафте является основным источником химиче-
ской энергии, а круговорот воды --- механической. Конечно, и вода совершает
химическую работу (выветривание, растворение и т .д.), но эта работа осуществля-
ется преимущественно за счет биогенной энергии: или за счет организмов, нахо-
дящихся в воде, или за счет продуктов их жизнедеятельности --- СО2, Н2S, гумуса
и т .д. Как и бик, круговорот воды в геологическом времени не замкнут, большие
массы воды поступают в биосферу при вулканизме, горообразовании и покидают
ее при прогибании осадочных толщ (гидратные воды минералов).
В аридных ландшафтах при испарении воды формируется испарительный гео-
химический барьер F в соляных озерах, засоленных почвах, на котором концен-
трируются Са, Na, K, Mg, F, S, Sr, Cl, Zn, Li, N, U, Mo и другие элементы.
Химизм почвенных и грунтовых вод зависит от их подвижности. Поровые воды,
к которым относится часть почвенных, иловых и горных (породных) растворов,
относительно неподвижны. Они связаны с твердой фазой поверхностными силами
капиллярного или коллоидного характера (пленочная вода, капиллярная вода и
т .д.). Эти воды длительное время соприкасаются с породами, часто находятся в
равновесии с ними. В поровых растворах обнаружены бактерии, окисляющие
сульфиды. Это дало основание П.А. Удодову сделать вывод о преимущественно
биогенном характере формирования состава поровых растворов. По химическому
составу поровые растворы разнообразны и часто сильно отличаются от гравита-
ционных вод. С помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) показано, на-
пример, что часть поровой воды в опале замерзает лишь при температуре ---73°С.
Свободные гравитационные воды находятся в трещинах, крупных полостях. Они
легко стекают под влиянием силы тяжести, относительно быстро перемещаются
по почвенным и водоносным горизонтам.
Существует проблема равновесности природных вод. К равновесным системам
(или системам, стремящимся к равновесию) применим хорошо разработанный
аппарат равновесной термодинамики, позволяющий рассчитывать условия осаж-
дения минералов, строить так называемые Eh --- pH-диаграммы, решать другие
задачи. Однако термодинамическое равновесие имеет место только в некоторых
поровых растворах, в соленых озерах и других бедных живым веществом систе-
мах. Все это ограничивает применение равновесной термодинамики к изучению
водной миграции. Выход из затруднения был предложен Д.С. Коржинским, кото-
рый ввел понятие о "локальном", "мозаичном" равновесии, когда система в целом
неравновесна и в ней протекают стационарные процессы, связанные с изменением
температуры, давления, концентрации веществ. Однако в каждой конкретной
точке эти параметры приобретают постоянное значение, что и определяет воз-
можность на отдельных участках локального равновесия. По Д.С. Коржинскому,
оно возникает при более медленном изменении параметров, чем устанавливается
равновесие. Все же для ландшафта наиболее характерны неравновесные воды.
Особенно это относится к гумидным ландшафтам, к почвенным, речным и грунто-
вым водам лесных и тундровых ландшафтов, в которых живое вещество все время
" накачивает" в воды свободную энергию, поддерживая неравновесность. При
изучении таких систем необходимо использовать более сложную неравновесную
термодинамику, а также химическую кинетику.
Интенсивность водной миграции химических элементов. О ней нельзя су-
дить только по содержанию элементов в водах. Допустим, что в воде реки содер-
жится 10-2 г/л Si и 5.10-5 г/л Zn. Следует ли из этого, что Si более энергичный
мигрант, чем Zn? Если судить по содержанию в воде, то Si мигрирует энергичнее,
но, с другой стороны, его намного больше в горных породах и почвах, откуда Si
поступает в воды. Американский ученый Смит в 1917 г . разработал метод количе-
ственной оценки интенсивности водной миграции элементов, сопоставив средний
состав речных вод с составом горных пород. Таким путем была установлена по-
следовательность выноса отдельных элементов при выветривании. В дальнейшем
Б.Б. Полынов вывел широко известные ряды миграции химических элементов в
коре выветривания, которые позволили ученому разработать геохимию коры
выветривания и геохимию ландшафтов. Развивая эти идеи, А.И. Перельман для
характеристики интенсивности водной миграции элементов предложил коэффици-
ент водной миграции (Кх), равный отношению содержания элемента х в мине-
ральном остатке воды к его содержанию в горных породах или почвах, дренируе-
мых этими водами. Так как содержание элемента х в водах (mх) обычно измеряет-
ся в граммах на литр, а содержание в породах (nx) в процентах, то расчетная
формула имеет следующий вид:
где а --- сумма минеральных веществ, растворенных в воде (в г/ л). Чем больше Кх ,
тем сильнее элемент выщелачивается из пород и почв, тем интенсивнее его вод-
ная миграция. Вернемся к примеру с Si и Zn. Примем, что оба элемента содержат-
ся в горных породах речного бассейна в кларковых количествах (29,5 и 8,3.10-
3%). Тогда, принимая сумму минеральных веществ речной воды в 0,5 г/л , получа-
ем, что Zn мигрирует в 17 раз интенсивнее Si, хотя Si в воде больше, чем Zn:
Коэффициент водной миграции можно вывести из уравнения интенсивности
миграции. Член этого уравнения можно рассматривать как количество элемента
х , вынесенное речными или подземными водами в течение года (это величина
бесконечно малая по сравнению с "b" --- всем содержанием элемента х в горных
породах бассейна). Время в один год также бесконечно мало (dt) по сравнению с
возрастом ландшафта. Поэтому, обозначив среднегодовой расход поверхностного
или подземного потока через Q, получаем:
= mx.Q,
где mx --- содержание элемента х в воде в г/л.
Äëÿ bx ñïðàâåäëèâî ðàâåíñòâî bx
=
nx .M, ãäå Ì --- îáùàÿ ìàññà
ãîðíûõ
ïîðîä,
äðåíèðóåìûõ
ïîòîêîì,
à
nx
---
ñðåäíåå
ñîäåðæàíèå ýëåìåíòà õ â ïîðîäàõ.
Èñïîëüçóÿ
óðàâíåíèå
èíòåíñèâíîñòè ìèãðàöèè, ïîëó÷àåì
äëÿ äàííîãî ëàíäøàôòà:
Так как величины Q и М общие для всех элементов, то интенсивность миграции
y и z будет составлять:
Отсюда, используя формулу для К х , получаем:
.
Следовательно, в ландшафте коэффициенты водной миграции элементов от-
носятся друг к другу как интенсивности их миграции.
Коэффициенты водной миграции определены для многих ландшафтов. Приве-
дем для примера результаты изучения горно- степного ландшафта Тянь- Шаня,
сложенного гранитами (табл. 4.2). mx --- содержание химических элементов в воде
источника, вытекающего из гранитов, а nх --- их содержание в гранитах. Сумма
минеральных веществ воды источника = 0,228 г/л . Сходные результаты получены
и для других ландшафтов Средней Азии, сложенных изверженными породами.
Таблица 4.2
Интенсивность выноса химических элементов из коры
выветривания гранитов горно- степного ландшафта Тянь-Шаня
СимволSiO2 CaO MgO K2O Na2O P2O5 SO3 Cl F
nx
71,0 1,05 0,70 4,84 4,09 0,06 0,12 0,02 0,02
mx 0,02 0,074 0,016 0,004 0,015 4.10-5 0,028 0,014 7.10-5
Кх
0,1 31 10 0,3 1,6 0,2 102 307 1,5
Когда из коры выветривания выносится определенное количество Cl, то одно-
временно выносится эквивалентное количество Na (или другого катиона). Однако
на миграционной способности Nа его вынос вместе с Cl почти не отражается, так
как содержание Nа в граните составляет 4,09%, в то время как количество Cl лишь
0,02%. Даже при выносе из коры выветривания всего Cl эквивалентное количест-
во Nа будет менее 0,05%, что по отношению к его валовому содержанию составит
незначительную величину. Поэтому различия содержаний в породах Cl и S, с
одной стороны, Са,Mg, Na, K, с другой, обусловливают кажущееся пародоксаль-
ным положение: несмотря на то, что вместе с Cl и S мигрирует эквивалентное
количество катионов, миграционная способность первых в десятки раз больше
вторых.
Коэффициент водной миграции можно использовать и для изучения миграции
элементов в других частях ландшафта --- грунтовых водах, почвах, а также для
характеристики миграции за пределами ландшафта, в глубоких горизонтах под-
земных вод.
Так как химический состав вод формируется не только в результате прямого
растворения или выщелачивания горных пород и почв, но и за счет разложения
растительных остатков, т . е. в ходе бика, то расчет Кх на содержание элемента x в
данной породе или почве не всегда методически оправдан. Вернее определять Кх
на кларк элемента в литосфере, в связи с чем рационально использовать два вида
коэффициентов: Кx1 --- на кларк и К х2 --- на конкретную породу, почву. Хотя в
целом величины Кх приближенные, они дают ясное представление об интенсивно-
сти миграции к концентрации элементов.
Поступление ряда циклических элементов в ландшафт с атмосферными осадка-
ми из морей и океанов является источником ошибок при вычислении Кх, Cl, S,
Na, B, J, Li, Rb, Cs: вычисленные величины Кх больше истинных. Эти ошибки в
расчетах особенно велики для приморских районов. Однако поправки на цикличе-
ские соли не изменяют положение Cl и S в рядах миграции: поправки только
изменяют абсолютную величину Кх. Источником Са, Fe, P, K и других элементов
в атмосферных солях являются горные породы суши. Поэтому их содержание в
атмосферных осадках не может существенно повлиять на точность определения
Кх .Воды часто взаимодействуют со многими горными породами, как, например,
крупные реки со сложным геологическим строением бассейна, многие грунтовые
воды. В этих случаях методически особенно правильно в качестве величины nх
использовать не состав конкретной породы, а кларки земной коры или групп
пород (кислых, основных и т .д.).
С.Л. Шварцев, используя тысячи анализов, вычислил среднее содержание эле-
ментов в подземных водах зоны гипергенеза. В основном это кислородные грун-
товые и трещинно-грунтовые воды, т . е . воды ландшафта. Естественно, в этом
случае при расчете Кх в качестве величины nх использовать кларки земной коры.
В таблице 4.3 приведены Кх для некоторых распространенных и редких элементов
(величина а --- средний минеральный остаток вод, по Шварцеву составляет 0,43
г/л). Как видим, несмотря на резко различные содержания в водах Cl, Br и J, они
мигрируют с близкой интенсивностью. То же относится к Са, Mg, Na, Zn, Sr и Мо.
Таким образом, Кх позволяет сравнивать интенсивность миграции распростра-
ненных и редких элементов.
Таблица 4.3
Интенсивность миграции элементов
в подземных водах зоны гипергенеза
Содержание Кларки земной Коэффициент
элементов в водах
коры по
водной
Ряды Элемент (mx) по
Виноградову, миграции, Кх
Шварцеву, г/л
(%)
I
Cl
4,7.10-2
1,7.10-2
644
Br
1,83.10-4
2,1.10-4
203
J
1,61.10-5
4.10-5
99
II
Mo
2,06.10-6
1,1.10-4
4,4
Na
4,55.10-2
2,50
4,2
Ca
4,3.10-2
2,96
3,3
Mg
1,86.10-2
1,87
2,3
F
4,5.10-4
6,6.10-2
1,6
Sr
1,85.10-4
3,4.10-2
1,2
Zn
3,4.10-5
8,3.10-3
0,94
III
K
4,59.10-3
2,50
0,43
Cu
5,58.10-6
4,7.10-3
0,27
P
5,75.10-5
9,3.10-2
0,14
Ni
3,31.10-6
5,8.10-3
0,13
Mn
4,94.10-5
0,1
0,11
IV Cr
2,9.10-6
8,3.10-3
0,08
Th
4,2.10-7
1,3.10-3
0,07
V
2,06.10-6
9.10-3
0,05
Fe
5,47.10-4
4,65
0,02
Zr
1,30.10-6
1,7.10-2
0,017
Al
2,79.10-4
8,05
0,008
Ti
1,07.10-5
0,45
0,005
Использование Кх позволило модернизировать ряды водной миграции, состав-
ленные Б.Б. Полыновым, дополнить их редкими элементами, выразить результаты
в более контрастной форме (табл. 4.4).
Таблица 4.4
Ряды миграции элементов в кислородных водах
биосферы (по А.И. Перельману)
I. Очень сильная n.10 --- n.100 S, Cl, B, Br, J
II. Сильная
n---n.10
Ca, Na, Mg, F, Sr, Zn, U, Mo,
Se, Au
III. Средняя
0,n---n
Si, K, Mn, P, Ba, Rb, Ni, Cu,
Li, Co, Cs, As, Tl, Ra
IV. Cлабая и очень
слабая
0,0n и менее Al, Fe, Ti, Zr, Th и др.
Для вод с активной циркуляцией Кх характеризует интенсивность миграции
элементов, а для застойных вод --- интенсивность накопления, так как он пред-
ставляет собой кларк концентрации элементов (КК) в минеральном остатке вод.
Поэтому К х можно использовать для определения степени концентрации элемен-
тов в озерных и болотных водах, глубоких горизонтах подземных вод.
Определяя К х , можно сравнивать интенсивность водной миграции элементов в
разных ландшафтах. На правой части рис. 4.4 показаны ряды миграции для серо-
водородных вод. Здесь многие элементы, мигрирующие в коре выветривания (Cu,
Zn, Co, Ni, U и т .д.), становятся практически неподвижными. Отсюда следует
понятие о контрастности миграции, т . е . о различии поведения элементов в раз-
ных частях ландшафта или разных ландшафтах. Одни элементы обладают высокой
контрастностью (Zn, U), другие --- низкой. Малоконтрастные элементы везде или
энергично (S, Cl), или очень слабо (Zr, Th и т .д.) мигрируют. Мерой контрастно-
сти служит отношение Кх разных процессов.
Ионный сток. Важным геохимическим параметром ландшафта служит показа-
тель ионного стока Pu --- годовой ионный сток с 1 км2 площади бассейна реки,
измеряемой в т/км2:
где Ru --- ионный сток в т/год (Rn --- mx . Q; mx --- концентрация данного иона
в речной воде, Q --- водный сток в тоннах), F --- площадь бассейна. Величина Ru
резко колеблется для небольших рек. Так, в верховьях Камы (таежная зона) сред-
негодовой химический сток с 1 км2 колеблется от первых десятков до первых
сотен тонн в год (в районах распространения соленосных пород). Это показывает,
что показатель ионного стока не столько характеризует отдельные зоны, сколько
ландшафты, т . е . является константой ландшафта. Ионный сток можно рассчиты-
вать для отдельных химических элементов, для различных сезонов года. Ионный
сток и показатель ионного стока конкретных элементов характеризует интенсив-
ность их миграции, они связаны с коэффициентом водной миграции Кх и интен-
сивностью водной миграции Рх . Напомним, что . Из формулы получаем:
,а.
Если в качестве характеристики интенсивности водной миграции выбрать при-
веденный показатель ионного стока --- Iх , равный отношению Pu к кларку лито-
сферы или содержанию элемента в горных породах бассейна реки , то получим
следующее выражение: .
Cледовательно, приведенный показатель ионного стока прямо пропорционален
интенсивности водной миграции элементов, выраженной через Рx или Кх . Это
позволяет использовать в геохимии ландшафта обширные сведения об ионном
стоке, накопленные гидрологами (табл. 4.5).
Таблица 4.5
Характеристика ионного стока
Характеристика
Ионы
стока
Са2+
Mg2+ Na+ + K+ SO42-
Cl_
р.Онега (таежная зона)
Ru
392
156
86,2 427
61,9
Pu
9,47
3,77 2,08 10,3
1,50
Ix
3,2
2,0
0,4
---
88
р.Южный Буг (степная зона)
Ru
187
51,7 70,8 56,4
31,8
Pu
4,04
1,12 1,52 1,22
0,69
Ix
1,3
0,6
0,3
---
40
Как видим, Pu у Cl для обеих рек меньше, чем у Са и Mg. Однако если мы уч-
тем низкое содержание Cl в литосфере (кларк 0,017%), то станет понятной более
интенсивная водная миграция этого элемента: ICl --- 88 и 40 в десятки раз больше
ICа---3,2;1,3иIMg---2,0;0,6.
Сток растворенных веществ. Этот геохимический параметр кроме ионного
стока включает и неионную составляющую, как, например, растворенное органи-
ческое вещество (РОВ), неорганические молекулы. Источником стока растворен-
ных веществ служат как горные породы, так и атмосферные осадки, разложение
органических веществ. В последние годы все большую роль приобретает техноге-
нез --- минеральные удобрения, промышленные отходы и т . д .
Сток растворенных веществ складывается из денудационной и неденудацион-
ной части. Первая обуславливает химическую денудацию и выражается в т/км2 в
год. По В.И. Мозжерину и А.Н. Шарифуллину, на востоке Русской равнины хими-
ческая денудация колеблется от единиц до ста т/км2. На составленной ими карте
химической денудации гумидных равнин России в тундре, тайге и лесостепи
Западносибирской низменности химическая денудация не превышает 5 т/км2 в
год, а на равнинах, сложенных карбонатными породами (карст!), --- более 50.
Средняя химическая денудация на гумидных равнинах умеренного пояса России
19,9 т/ км2 в год (для гумидных и семигумидных равнин Земли --- 12 т/км2 год). В
общем стоке растворенных веществ гумидных равнин около половины составляет
денудационная часть. Она зависит от геологического строения, климата и релье-
фа, т . е . это функция природного ландшафта.
Изменение горных пород в ландшафте; химическое выветривание и цементация. В
геохимическом отношении выветривание --- это вынос из пород и минералов преимущест-
венно водных мигрантов Ca, Mg, K, Na и др. и присоединение воздушных, в первую очередь
Н2О, О2, СО2. Наиболее энергично выветривание в почве, слабее --- в коре выветривания и
еще слабее в илах и водоносных горизонтах. Химическое выветривание начинается с гидра-
тации, т.е. присоединения к минералу Н2О. Все вторичные силикаты, а также большинство
других вторичных минералов содержат сорбированную и кристаллизационную воду. Это
глинистые минералы, гидроксиды Fe, Al и Mn, водные фосфаты (вивианит и др.), арсенаты,
ванадаты, гидраты кремнезема (опал), мирабилит, гипс и другие растворимые соли. Чем
дальше развивается выветривание, чем меньше сохраняется первичных минералов, тем
больше продукты выветривания содержат химически связанной воды. Максимальное ее
количество в наиболее зрелых ферралитных корах выветривания.
Присоединение О, т.е. окисление, особенно характерно для выветривания пород и руд, бо-
гатых сульфидами, а также для пород, обогащенных двухвалентными Fe и Mn, --- базальтов,
дунитов, пироксенитов, сидеролитов и т.д.
В восстановительных условиях происходит оглеение пород, которое приводит к
выносу из них железа, марганца и кобальта, никеля, цинка и других микроэлемен-
тов. Морфологически оглеение лучше всего выражено в красноцветных породах,
которые за счет этого приобретают пестроцветный или сероцветный облик (А.И.
Перельман, Е.Н. Борисенко).
Карбонатизация --- присоединение СО2, наблюдается преимущественно в за-
сушливом климате --- лесостепи, саваннах, степях и пустынях.
Как показано в главе 3, продукты выветривания --- простые соли и коллоидные
минералы частично образуются в живых организмах или в процессе минерализа-
ции их остатков, т . е . биогенным путем. Однако существуют и чисто химические и
физико- химические реакции, при которых отдельные компоненты будущего мине-
рала не проходят через организмы. Например, гипс и другие соли в солончаках
образуются при испарении грунтовых вод. Выветривание полевых шпатов, слюд,
амфиболов и других алюмосиликатов и силикатов происходит не только в почвах,
но и в коре выветривания на глубине в десятки метров. Нередко изверженная
порода почти нацело превращена в каолинит, галлуазит и другие глинистые мине-
ралы. Непосредственное участие растений в данном случае исключается, и боль-
шинство исследователей считает, что здесь под действием воды и растворенных в
ней СО2, О2, органических кислот протекают различные химические и физико-
химические реакции.
При формировании коры выветривания не исключена и деятельность микроор-
ганизмов типа силикатных бактерий. По Б.Б. Полынову, при окрашивании эритро-
зином слабо выветрелой поверхности полевых шпатов обнаруживаются в большом
количестве тела бактерий в форме различных кокков и палочек. Это позволило
ему предположить возможность биогенного происхождения не только почвенных
глинистых минералов, но и всех глинистых минералов вообще, но этот вопрос
еще недостаточно изучен. Поэтому пока приходится считать, что биогенный
синтез глинистых минералов, вероятно, характерен для почв, а для коры выветри-
вания с уверенностью можно говорить только о химических и физико- химических
реакциях выветривания. Хотя и при этих процессах живое вещество обуславлива-
ет Eh, pH и другие особенности среды, но здесь его роль в выветривании косвен-
ная, в то время как при биогенезе организмы являются и средой, и исходным
веществом минералообразования. Отметим, что одни и те же минералы могут
образоваться как биогенным, так и физико- химическим путем (кальцит в ракови-
нах моллюсков и в отложениях озер).
Наряду с выветриванием в ландшафтах протекает аккумуляция водных мигран-
тов. В результате образуются плотные горизонты в почвах, корах выветривания,
континентальных отложениях. Таковы иллювиальные горизонты подзолистых,
солонцовых, черноземных почв, окремненные горизонты коры выветривания и
континентальных отложений (силькриты), железистые панцири латеритов (кира-
сы), известковые калькреты и гипсовые коры пустынь. Процессы цементации, по
В.В. Добровольскому, часто развиваются путем гипергенного метасоматоза, когда
неустойчивые минералы замещаются устойчивыми без существенного изменения
объема. При этом растворение старых минералов протекает одновременно с отло-
жением из раствора новых: твердое состояние системы сохраняется. Гипергенный
метасоматоз распространен во всех ландшафтах, но наиболее энергичен во влаж-
ном климате, где гидроксиды Fe и Mn замещают глинистые минералы (кварц и
полевые шпаты изменяются меньше). В результате из силикатов в подвижное
состояние переходят многие химические элементы. В аридных ландшафтах мета-
соматоз проявлен слабее, здесь кальцит замещает глинистые минералы, полевые
шпаты и даже кварц.
Горизонты выветривания и цементации представляют собой единую систему,
которая должна изучаться на основе представлений о прямых и обратных связях.
Окислительно- восстановительные условия вод. В химии, как известно, окис-
лением называется отдача электронов, а их присоединение --- восстановлением.
Поэтому окисление одного элемента, отдающего электроны, сопровождается
восстановлением другого, их приобретающего. В результате возникают окисли-
тельно- восстановительные реакции. Элементы и ионы, принимающие электроны,
являются окислителями, а отдающие --- восстановителями. Важнейший окисли-
тель --- О (О2, Н 2О2 и др.), что связано с его высоким кларком и химической
активностью. К важным окислителям относятся S (в форме SО42-), С (СО2), N
(NO3-, NO2 - и др.), Fe (Fe3+), Mn (Mn4+, Mn3+). Менее велика роль в связи с
низкими кларками Ti (Ti4+), V (VO43- и др.), Cu (Cu2+), Cr (CrO4 2-, Cr3+), U
(U6+), Mo (Mo6+) и совсем ничтожна --- Se (SeO, SeO32-, SeO42-) и других рассе-
янных элементов. Важнейшими восстановителями являются Н 2, Н2 S, СН4 и дру-
гие органические соединения, Fe (Fe2+), Mn (Mn2+, Mn3+). Как видим, в зависи-
мости от степени ионизации один и тот же элемент может быть и окислителем, и
восстановителем (Fe3+ --- окислитель, Fe2+ --- восстановитель, Mn4+ --- окисли-
тель, Mn2+ --- восстановитель). В лабораториях можно окислить и восстановить
любые элементы, но в ландшафте возможны лишь вполне определенные окисли-
тельно- восстановительные реакции. Многие соединения, полученные в лаборато-
рии, в ландшафте отсутствуют. Например, искусственно получены соединения
Mn7+ (KMnO4), в то время как в ландшафте реакции окисления приводят только к
образованию соединений Mn4+ (например, MnО2 --- пиролюзита). И в природе, и
в лаборатории окисление сопровождается восстановлением, но в геохимии приня-
то говорить отдельно об окислительных и восстановительных реакциях, имея в
виду конкретные атомы или ионы. Часто окисление связано с присоединением
газообразного О 2 из воздуха и воды (отсюда и происхождение термина), хотя
одновременно имеет место восстановление кислорода. Аналогично говорят о
восстановлении сульфатов или соединений трехвалентного Fe, не упоминая об
одновременно протекающем окислении органических веществ.
Каждая система, в которой протекают окислительно- восстановительные реак-
ции, может быть охарактеризована по уровню окисленности (восстановленности).
Говорят об окислительной среде, слабоокислительной, резко восстановительной и
т . д. С этой целью для водных растворов используют количественный показатель
--- окислительно- восстановительный потенциал Eh, измеряемый в вольтах.*
Окислительно- восстановительные условия характеризует и содержание в ланд-
шафтах ведущих элементов, ионов и соединений, особенно О2, Fe2+, Fe3+, H2S и
др.Окислительно- восстановительные условия имеют важное таксономическое зна-
чение для геохимической классификации вод и ландшафтов. Это объясняется
огромным энергетическим эффектом окислительно- восстановительных реакций,
коренным образом меняющим геохимическую обстановку в водах. Данные Eh
природных вод позволяют судить о миграционной способности элементов, и ,
наоборот, по условиям миграции хотя бы одного элемента с переменной валент-
ностью можно говорить о величине Eh вод (а следовательно, и о миграции в них
других элементов). Так, низкая величина Eh в северных болотах определяет ми-
грацию в них Fe2+, Co2+, Ni2+. Кислородные щелочные почвенные и грунтовых
воды степей и пустынь неблагоприятны для миграции Fe2+, который в них нахо-
дится в форме Fe3+, образующей труднорастворимые минералы. Такие воды
благоприятны для миграции Se, Mo, U, входящих в состав комплексных анионов.
В ландшафте Eh обычно колеблется от +0,7 до -0,5 В . Поверхностные и грунто-
вые воды, содержащие свободный О2, чаще всего имеют более узкий интервал Eh
--- от +0,150 до +0,700 В. Трещинно- грунтовые воды изверженных пород даже на
глубине 250---300 м имеют Eh более О. Eh солончаков, илов соляных озер, болот
часто значительно ниже О, местами до -0,5 В. В этих условиях развиваются про-
цессы восстановления SO42-, Fe3+ и других ионов.
Для каждого элемента окисление и восстановление связано с различным Eh.
Имеют значение также концентрация элемента в водах, температура, рН. Напри-
мер, при Eh 0,7 В сильнокислая среда восстановительна для трехвалентного желе-
за (Fe3+ Х Fe2+) и окислительна для Cu2+, так как для восстановления Cu2+ в
сильнокислой среде необходим более низкий Eh.
По окислительно-восстановительным условиям в ландшафтах выделяются три класса вод.
Они зависят от содержания в воде О2, Н2, Н2S и других газов, Fe2+, Fe3+, S2-, HS-, H+, OH-
и других ионов, молекул органических веществ.
Для кислородных вод характерно присутствие свободного О2, поступающего из
воздуха или за счет фотосинтеза водных растений. Eh выше 0,15 В, часто выше
0,4 В, Fe чаще всего находится в форме Fe3+. Кислородные воды обладают высо-
кой окислительной способностью, в них действуют аэробные бактерии, окисляю-
щие органические вещества до СО2 и Н2 О, протекает и окисление неорганических
веществ. S, Cr, V, Se здесь в высоких степенях окисления и образуют раствори-
мые соединения --- сульфаты, хроматы, ванадаты, селенаты. В ландшафтах с
преобладанием окислительной среды эти элементы имеют высокую миграционную
способность. Например, в пустынях встречаются легкорастворимые сульфаты Na,
Mg (Na2 SO4, MgSO4), хроматы К (минерал тарапакаит --- K2CrO4), ванадаты,
селенаты. Fe и Mn в окислительной обстановке образуют труднорастворимые
соединения Fe3+ и Mn4+, что и объясняет их слабую миграцию в таких ландшаф-
тах.
Для каждого ландшафта можно установить определенную глубину кислородной
поверхности, глубже которой вода уже не содержит О2. Местами она совпадает с
уровнем грунтовых вод, часто расположена выше или ниже его.
Почвы и осадочные горные породы, сформировавшиеся в окислительных усло-
виях, обычно имеют красную, бурую, желтую окраску за счет соединений Fe3+.
Приведенные величины Eh характерны для равновесных условий, однако в
ландшафтах широко распространены неравновесные условия с ассоциацией окис-
лителей и восстановителей (например, О2 и Н2 S в некоторых источниках или О2
и органические кислоты в реках болотистых низменностей). В этом случае чаще
всего показателем окислительной обстановки служит свободный кислород.
Важнейшими агентами восстановительных реакций в водах являются анаэроб-
ные бактерии, окисляющие органические вещества за счет кислорода минераль-
ных соединений --- SO42-, Fe2O3.nH2O, MnO2.nH2O, NO3-
---ит.д.ПриэтомEh
понижается, нередко выделяется Н2, элементы переходят в состояние низшей
валентности: Fe3+ Х Fe2+, Mn4+ Х Mn2+ и т .д.
Главным критерием восстановительных обстановок служит двухвалентное Fe и
отсутствие О2. Eh обычно ниже +0,4 В в кислой среде и ниже 0,15 В --- в щелоч-
ной. Существенно также присутствие других восстановителей, особенно Н2S и
его производных HS- и S2-
. При этом большая группа элементов может осаждать-
ся с образованием нерастворимых сульфидов. При отсутствии Н2S и его произ-
водных (HS-, S2-) многие из названных элементов в кислой среде легко мигриру-
ют. Поэтому выделяют два основных класса вод с восстановительной обстанов-
кой.
Класс глеевых вод --- восстановительных без Н2S формируется там, где мало О2
и много органических остатков. Анаэробные бактерии здесь окисляют органиче-
ские вещества за счет О неорганических соединений. В водах появляются СН4 ,
Fe2+, H2, Mn2+ и другие ионы и соединения. Так как воды содержат мало SО42-,
то Н2S не образуется или образуется в очень малых количествах; высокую под-
вижность приобретают Fe и Mn, отчасти и другие металлы, входящие в состав
органических комплексов. В почвах, осадках и коре выветривания развивается
оглеение. Эти воды особенно характерны для болот тундр, тайги, широколиствен-
ных лесов, влажных тропиков и лесостепи (Eh ниже +0,4 В, местами ниже 0). Цвет
оглеенных почв и пород белый, сизый, серый, зеленый, пестрый (с охристыми
пятнами).
Класс сероводородных (сульфидных) вод содержит Н2 S, HS-, местами S2-; Fe и
многие другие металлы часто не мигрируют, так как образуют труднорастворимые
сульфиды. Цвет пород и почв --- черный, серый, зеленый. Такие условия создают-
ся в бескислородных водах, богатых SO42-, где анаэробные бактерии окисляют
органические вещества за счет восстановления сульфатов (десульфуризации).
Появление в водах Н2S (иногда до 2 г/л и более) приводит к осаждению металлов.
Оглеение не развивается, и в геохимическом отношении данная обстановка про-
тивоположна предыдущей. Величины Eh низкие, часто ниже 0 (до -0,5 В), причем
Eh может быть таким же, как и во втором классе. Следовательно, только величина
Eh не определяет условий миграции элементов: при одном и том же Eh, но при
разном содержании Н2S элемент может и мигрировать, и осаждаться. Сероводо-
родные воды характерны для солончаков и илов соленых озер степей и пустынь,
для глубоких подземных вод некоторых районов, для побережий, подпитываемых
морскими водами (например, для мангров), и других условий.
В различных частях ландшафта окислительно- восстановительные условия не
одинаковы. Выше кислородной поверхности преобладают кислородные воды,
обладающие окислительной способностью и величиной Eh = 0,15---0,5 В (при
рН=6-8). Ниже этой поверхности воды восстановительные, величин Eh менее 0,4
В (в щелочных водах степей "пограничный Eh" значительно снижается).
Геохимический анализ почвообразования позволил А. И. Перельману выделить
по окислительно- восстановительным условиям три основных ряда почв. Почвы
первого ряда --- с окислительной обстановкой. Они образуются там, где атмо-
сферный воздух легко проникает в почву, где глубоко залегают грунтовые воды.
Это горные почвы, многие водораздельные почвы равнин. К ним относятся черно-
земы, красноземы, каштановые почвы, буроземы, большинство почв пустынь. Еще
В.В. Докучаев объединил их в особый класс "сухопутно- растительных почв".
Позднее были предложены термины "автоморфные", "элювиальные" почвы. Поч-
вы второго ряда --- с глеевой обстановкой пользуются огромным распространени-
ем на заболоченных равнинах в районах влажного климата, как, например, на
Западно-Сибирской низменности, в Белорусском и Украинском полесьях. Почвы
третьего ряда --- с восстановительной сероводородной обстановкой распростране-
ны не столь широко. К ним относятся многие солончаки.
Щелочно-кислотные условия вод. Они характеризуются рН --- отрицательным лога-
рифмом концентрации водородных ионов (Н+). Mg, Ca, Sr, Ba, Cu, Zn, Cd, Fe, Mn, Co и др.
катионогенные элементы образуют более растворимые соединения в кислых водах и менее
растворимые в нейтральных и щелочных. В связи с этим важное геохимическое значение
имеет рН начала выпадения гидроксидов металлов из разбавленных растворов их солей и
произведение растворимости (ПР) гидроксидов. Для t = 250С эти данные приведены в табли-
це 4.6. Осаждение зависит и от концентраций металлов. Например, Al3+ при содержании 1
г/л осаждается из раствора с рН = 3,6, а при содержании 1.10-5 г/л --- уже с рН = 5,3. Поэтому
осаждение гидроксидов обычно заканчивается при рН на 0,5---1,5 единицы выше, и правиль-
нее говорить об интервале рН осаждения, который для Mg2+ составляет 10,5---11, для Ni2+
--- 6,7---8, для Al3+ --- 4,1---6,5 и т.д. При осаждении могут возникать сравнительно устойчи-
вые коллоидные растворы металлов, повышающие их миграционную способность. Сущест-
венные коррективы вносятся также сорбцией, образованием комплексных ионов и другими
явлениями. Все же данные о "рН осаждения" во многих случаях объясняют особенности
миграции элементов. Например, концентрация Fe3+ в воде при рН = 4 равна 2.10-6 г/л, т.е.
очень мала. Поэтому катион Fe3+ существует лишь в очень кислых водах сернокислых
ландшафтов. При повышении рН до 4 Fe3+ осаждается в виде гидроксида. Al3+ также суще-
ствует только в сильнокислых водах, при рН = 5 его концентрация понижается до 5.10-5 г/л.
Co3+, Cr3+, Bi3+, Sn2+, Th4+, Zr4+, Ti4+, Sc3+ также существуют только в очень кислых
водах, мало распространенных в природных ландшафтах. Поэтому данные катионы легко
выпадают из природных вод и имеют низкую миграционную способность. Напротив, Ni2+,
Co2+, Zn2+, Mn2+, Ag+, Cd2+, Pb2+ в относительно значительных количествах могут нахо-
диться в растворе даже при рН = 8 (Ni2+ --- 9,3.10-3 г/л; Со2+ --- 1,5.10-2; Zn2+ --- 2,9.10-3 и
т.д.).
Таблица 4.6
рН начала осаждения гидроксидов из разбавленных растворов солей
и ПР гидроксидов (при 25оС)
ГидроксидырН
ПР
Гидроксиды рН ПР
Sn(OH)4 2
1.10-57 La(OH)3 8,0 1.10-20
Zr(OH)4 2
8.10-52 Be(OH)2 5,7 1.10-20
Th(OH)4 3,5
1.10-50 Ni(OH)2 6,7 8,7.10-19
Co(OH)3 ---
2,5.10-46 Cu(OH)2 5,4 1,6 .10-19
Sb(OH)3 0,9
4.10-42 Zn(OH)2 5,2 4,5.10-17
Fe(OH)3 2,5-4,5 4.10-38 Fe(OH)2 5,5 4,8.10-16
Ga(OH)3 3,5
5.10-37 Pb(OH)2 6,0 7.10-16
Al(OH)3 4,1
1,9.10-42 Co(OH)2 6,8 1,3.10-15
In(OH)3 3,7
1.10-33 Mn(OH)2 9,0 4,10.10-14
Cr(OH)3 5,3
7.10-31 Cd(OH)2 6,7 2,3.10-14
Ti(OH)4 1,4-1,6 1.10-30 Mg(OH)2 10,5 5.10-12
Bi(OH)3 4,5
1.10-30 Ag(OH) 9,0 2.10-8
Sn(OH)2 3,0
1.10-27 Ce(OH)3 7,4 ---
Sc(OH)3 4,9
1.10-27 Nd(OH)3 7,0
Hg(OH)2 7,0
3.10-26 UO2(OH)2 4,2 ---
Y(OH)3 6,8
1.10-24 NbO2OH 0,4 ---
Полужирным шрифтом выделены ведущие гидроксиды ландшафтов
В водах ландшафта их содержание, как правило, много ниже и поэтому гидроксиды не
осаждаются. Осаждение этих металлов связано с образованием нерастворимых сульфидов,
фосфатов, арсенатов, карбонатов и т.д. или с сорбцией. Влияние рН может быть лишь кос-
венным. Данные о "рН осаждения" объясняют, почему Fe2+ обнаруживается в менее кислых
водах, чем Fe3+, а гидроксиды Mg выпадают из раствора только в мало распространенных
сильнощелочных водах содовых озер и солонцов. Становится понятной интенсивная мигра-
ция Fe2+ в болотах тундры и тайги (кислые воды) и слабая --- в болотах степей и пустынь
(слабощелочные воды), редкость минерала брусита (гидроксида Mg) и многие другие явле-
ния. Na, K, Rb, Cs в ландшафтах не образуют гидроксидов, и для оценки их миграции данные
о рН вод имеют лишь косвенное значение как фактора, влияющего на сорбцию, раствори-
мость солей и т.д. Таким образом, при оценке рН как фактора миграции металлов необходи-
мо учитывать растворимость гидроксидов и кларки элементов, их содержание в водах. Для
многих редких элементов роль рН незначительна, так как концентрация этих металлов в
водах ниже их содержания в растворе после осаждения гидроксидов.
Комплексообразование. Сильно изменяет условия осаждения многих металлов образова-
ние гидрокcокомплексов, полимерных ионов и комплексных анионов. Так, например, шести-
валентный U в кислородных водах обычно находится в форме катиона уранила UО22+, рН
выпадения гидроксида которого 4,2. Таким образом, в нейтральных и слабощелочных средах
U должен был бы осаждаться в форме гидроксида UO2(ОН)2, карбонатов и других солей.
Однако этот металл легко мигрирует в таких водах, т.к. образует растворимые комплексные
анионы типа [UO2(CO3)3]4-
. Cu, Ag, Be, Sc, Y и редкие земли иттровой группы образуют
аналогичные комплексные анионы и мигрируют в ландшафтах с содовыми водами (напри-
мер, в степях с солонцами). Напротив, Fe, Co, Ni, Cd, редкие земли группы Се, не дающие
растворимых комплексных соединений с карбонатами и бикарбонатами щелочей, малопод-
вижны в этих водах. Огромную роль в миграции металлов играют и комплексные органиче-
ские соединения, которые характерны для тайги, тундры и других ландшафтов влажного
климата. Здесь значительная, а часто и подавляющая часть Fe, Ni, Cu, Zn мигрирует в ком-
плексной форме. В общем, образование растворимых комплексных соединений увеличивает
миграционную способность элементов. Таким образом, для правильной оценки рН как фак-
тора миграции необходимо учитывать ряд условий. В противном случае возможно резкое
расхождение теоретических выводов с действительностью.
Организмы чувствительны к рН; для них наиболее благоприятна реакция, близкая к ней-
тральной. Сильнокислые и сильнощелочные воды вредны для большинства культурных
растений, домашних животных и человека.
Органические соединения живых организмов и гумус обладают буферной способностью
усреднять сильнокислую и сильнощелочную среду. В сильнощелочных условиях слабые
органические кислоты нейтрализуют щелочи и переводят реакцию из сильнощелочной в
слабощелочную, а в сильнокислой среде слабые органические основания нейтрализуют
сильные кислоты и реакция становится слабокислой. Таким образом, в ландшафте имеется
механизм, с помощью которого создается реакция вод, наиболее благоприятная для жизни.
Однако этот механизм действует только в определенных условиях. Ландшафты, содержащие
мало живого вещества, буферной способностью не обладают. Для них характерны резкие
отклонения от нейтральной реакции. Примером служат Серные Бугры в Каракумах, где А.Е.
Ферсманом в 1925 г. обнаружена свободная серная кислота, образующаяся при окислении S.
Отсутствие нейтрализаторов в виде карбонатов или органических соединений обусловило
сильнокислую реакцию, не свойственную пустыням.
По щелочно-кислотным условиям выделяется 4 класса вод ландшафта.
Сильнокислые воды имеют рН < 3---4, они распространены широко, но, как правило, на
небольших площадях. Кислотность таких вод обычно обязана окислению пирита и других
дисульфидов, приводящему к образования Н2SО4. В сернокислых водах легко мигрирует
большинство металлов, в том числе Fe, Cu, Al, Zn и др. В вулканических районах известны и
солянокислые воды. Большее распространение сильнокислые воды получили в техногенных
ландшафтах.
Слабокислые --- это воды, рН которых колеблется от 3---4 до 6,5; чаще всего их кислот-
ность обусловлена разложением органических веществ, приводящим к поступлению в воду
СО2, фульвокислот и других органических кислот. Если в горных породах мало подвижных
сильных катионов, то кислотность нейтрализуется неполностью, и в почвах и коре выветри-
вания господствует слабокислая среда. В таких водах легко мигрируют металлы в форме
бикарбонатов и комплексных соединений с органическими кислотами. Подобные воды
распространены исключительно широко в гумидных ландшафтах.
Нейтральные и слабощелочные воды имеют рН от 6,5 до 8,5. Их реакция часто определя-
ется отношением бикарбоната Са к его карбонату или же бикарбоната к СО2. Эти воды менее
благоприятны для миграции большинства металлов, которые осаждаются в форме нераство-
римых гидроксидов, карбонатов и других солей. Анионогенные элементы, напротив, мигри-
руют сравнительно легко (Si, Ge, Ag, V, U, Mo, Se и др.). Такие воды особенно характерны
для аридных ландшафтов, вод известняков и изверженных пород, морей и океанов. При
разложении органических веществ в них тоже образуются СО2 и органические кислоты,
которые, однако, полностью нейтрализуются СаСО3 и другими минералами Са, а также Mg,
Na, K, которыми богаты почвы и породы.
Сильнощелочные воды с рН > 8,5 обычно обязаны своей реакцией присутствию соды
(NaНСО3, реже Nа2СО3, вернее ионов Na+, HCO3, CO32-, OH-). В щелочных содовых водах
легко мигрируют кремнезем, гуматы, Al (AlO2-), Мо (МоО42-). Большая группа элементов,
соединения которых трудно растворимы в нейтральной и слабощелочной среде, в содовых
водах обладает высокой миграционной способностью, так как в этих условиях возникают
карбонатные растворимые комплексы (Cu, Zn, Be,Y и редкие земли иттровой группы, Sc, Zr и
др.).
Основные геохимические классы вод. В каждом из трех классов вод, выделенных по
окислительно-восстановительным условиям, щелочно-кислотные условия могут быть раз-
личными. Так, выделяется 12 основных классов вод (таблица 4.7).
Для каждого класса характерны подвижные и "запрещенные" элементы. Например, в
сильнощелочных кислородных водах легко мигрируют Na, Li, F, Mo, U, Y, Be, B, но эти воды
"запрещены" для Са, Mg, Ba, Sr, Fe.
Таблица 4.7.
Основные геохимические классы вод ландшафта и биосферы
(по А.И. Перельману)
ым классам --- в почве к одному, в
ретьему, в илах --- к четвертому и
изонтах растворы нередко относят-
горизонте А воды слабокислые, в
Рис. 4.5. Е h --- рН- х арактеристики поверхностных и грунтовых вод (по данным
Гаррелса, Баас Бекинг и др.)
1 --- дождевые воды, 2 --- речные воды, 3 --- обычные морские воды.
Рис. 4.6. Устойчивость некоторых соединений и
ионов ванадия в воде при t = 25оС и 101,325 кПа
общего давления (по Р. Гаррелсу и Н. Эвансу).
Поля устойчивости минералов и ионов. Еh и рН являются важнейшими гео-
химическими параметрами природных вод ландшафта и биосферы. На рис. 4.5
показаны значения этих параметров для отдельных природных систем по данным
нескольких тысяч определений, суммированных американскими геохимиками.
Методы термодинамики позволяют рассчитать соотношение между компонентами
после достижения термодинамического равновесия. Их результаты выражают в
форме "Eh-pH-диаграмм", на которых по оси абцисс откладывают рН, а по оси
ординат Еh. В таких координатах четко ограничиваются поля существования
различных минералов и ионов. На рис. 4.6 изображены поля устойчивости соеди-
нений V. При отрицательном Eh в водах и породах устойчивы соединения V3+
(V2О3 и др.). Они, например, встречаются в болотах и солончаках. Металличе-
ский V (VО) и двухвалентный V2+ [V(OH)2] существовать не могут, так как столь
низкие Eh в ландшафтах отсутствуют. В лесных ландшафтах с кислой средой в
окислительной обстановке почв и коры выветривания устойчивы соединения V4+
и V3+. Могут возникать и соединения V5+, но они более характерны для почв
степей и пустынь с их высокими рН и Eh. Поэтому ванадаты встречаются пре-
имущественно в аридных ландшафтах. На рис. 4.7 показаны поля устойчивости
ионов и гидроксидов металлов VIII и Iб группы Периодической системы. Стано-
вится понятной причина существования самородной Cu в некоторых кислых боло-
тах Урала (Eh до 0,2 В) и отсутствие самородных Ni и Со (столь низкие Еh в
ландшафтах
отсутствуют).
Видно,
что
реакция
Сu 2+Cu+ осуществляется в более восстановительных условиях, чем Fe3+ Fe2+,
Mn4+Mn2+, V4+V3+. Поэтому такие восстановленные соединения, как FeCO3,
MnCO3, V2O3, встречаются вместе с окисленными соединениями Cu (CuSO4 и
др.).
Eh --- рН-диаграммы наглядно показывают изменение границы между окисли-
тельной и восстановительной
средами в зависимости от рН:
окисление в щелочных условиях
протекает при более низких
значениях Еh, чем в кислых. Так,
если в сильнокислых водах при Еh
+0,5 В Fe
находится
в
двухвалентной форме (FeSO4), то
в почвах степей при рН 7---8
подобный Еh уже определяет
окисление Fe2+ до Fe3+. Иначе
говоря, в сильнокислых водах
окислительно- восстановительная
граница для Fe лежит в пределах
Еh +0,4 --- +0,3 В, а в щелочных
средах она ниже нуля.
"Еh --- рН-диаграммы" построены
путем расчетов для
строго
определенных
условий
Рис. 4.7. Поля устойчивости ионов и гидрокси-
дов редких металлов в группах VIII и Iб
Периодической системы Д.И. Менделеева.
Температура 25оС, давление 101,325 Па,
концентрация ионов редких металлов 10-7
моль/л (по К. Краускопфу).
температуры, концентрации и давления. В реальной природной среде могут
встречаться и значительные отклонения. Кроме того, диаграммы характеризуют
равновесные условия и указывают, в каком направлении пойдет реакция, если она
начнется. Термодинамика не позволяет судить о скорости реакции и не утвержда-
ет, что возможная реакция обязательно произойдет в действительности. Напри-
мер, из данных Еh --- рН-диаграмм следует, что пирит неустойчив при соприкос-
новении с кислородными водами. Однако в тундре температуры настолько низки,
что пирит в течение длительного времени, соприкасаясь с этими водами, не окис-
ляется, так как низкие температуры затормаживают термодинамически возмож-
ную реакцию окисления. Подобные явления торможения в тундре широко распро-
странены, и поэтому здесь часто встречаются "термодинамически запрещенные"
ассоциации (например, пирит и гематит в речных песках).
Полевые
шпаты
термодинамически
неустойчивы на земной поверхности, но
скорость их выветривания в сухом климате
очень мала, и аркозовые пески существуют
неопределенно долгое время. Таким образом,
минерал может быть термодинамически
неустойчив, но устойчив фактически и
присутствовать в ландшафте. Следовательно,
данные
"
Е h --- рН- диаграмм"
надо
корректировать наблюдениями в природе,
учитывая скорости реакций и возможность
ложного "заторможенного" равновесия. Иначе
говоря, наряду с термодинамикой надо
учитывать и кинетику процессов, которая
часто имеет ведущее значение.
Зоны выщелачивания. Процесс удаления
из почв и горных пород подвижных элементов
называется выщелачиванием. При этом почвы
и породы обогащаются менее подвижными
элементами и минералами (кварцем, каолинитом и др.). Выщелачивание играет
важную роль в формировании химического
состава вод. Ранее выщелачивание изучалось
представителями разных наук в зависимости
от объектов исследования --- почвоведами,
литологами, гидрогеологами, минералогами и
т .д . Однако, независимо от объекта во всех
случаях имеет место взаимодействие вод с литосферой, что позволяет рассматри-
вать выщелачивание с общих геохимических позиций (С.Л . Шварцев). Практиче-
ское значение подобных исследований очень велико, в частности, при охране
окружающей среды, подземном выщелачивании руд, строительстве.
В соответствии с классами вод выделяется 12 классов выщелачивания. Хорошо
изучено сернокислое выщелачивание на выходах сульфидных руд, кислое выще-
лачивание в тропических корах выветривания и почвах. С ним связано удаление
из почв и пород преимущественно Ca, Mg, Fe, Ni, Cu, Co, Zn, Sr и др. Для щелоч-
ного выщелачивания характерен вынос Si, Ge, Mo и др. анионогенных элементов.
Важное значение имеют также кислое- глеевое, содовое и прочее выщелачивание
(рис. 4.8 и 4.9).
По И.С. Гольдбергу и др., в процессах выщелачивания играют роль и электро-
химическое перераспределение металлов: вынос их из вмещающих пород и осаж-
дение на геохимических барьерах. В лабораторных экспериментах электрохими-
ческое выщелачивание было установлено на порошках песчаников, кварцитов и
др. При этом в анолите накапливались анионогенные элементы и часть катионо-
генных (Si, Al, Mg, Fe, Pb, Cu), а в католит поступали Ca, Al, Mg, Fe и другие
катионогенные элементы. Для микроэлементов степень извлечения достигала
десятков процентов.
Окислительно- восстановительная и щелочно- кислотная зональность в
почвах, корах выветривания, илах, водоемах.
Рис. 4.8. Зона кислого глеевого выщелачивания в колочно- западинных ландшаф-
тах Северного Казахстана (по Н.С. Касимову),: 1---6 --- солевой профиль: 1.
Са2+; 2. Mg2+; 3. Na+ + K+; 4. HCO3-; 5. Cl-; 6. SO42-); 7 --- суглинок, 8 --- оже-
лезнение, 9 --- оглеение, 10 --- омарганцевание, 11 --- фракция < 0,001 мм, 12 ---
емкость поглощения, 13 --- березовый колок.
В результате смены окислительно- восстановительных условий образуется окис-
лительно- восстановительная зональность. Наиболее восстановительные условия
возникают в местах энергичного разложения органических веществ (в верхней
части почв и илов, в местах захоронения органических остатков в водоносных
горизонтах и т .д.). В сторону от этих горизонтов Еh растет, причем нередко более
окислительные условия наблюдаются глубже восстановительных (в горизонте В
Рис.4.9. Зона содового глеевого выщелачивания в луговых солончаковатых осолоделых почвах
Северного Казахстана (по Н.С. Касимову).
почв, в глубоких частях илов и т.д.). Окислительно- восстановительная зональ-
ность характерна для всех биокосных систем, особенно наглядна она в тех случа-
ях, когда окислительная обстановка сменяется восстановительной --- глеевой или
сероводородной. Это характерно для многих болотных, луговых, солончаковых,
солонцовых и прочих супераквальных почв.Выражена такая зональность и в элю-
виальных почвах, особенно в таежной и тундровой зонах. Главный элемент-
индикатор зональности Fe (Fe2+ Fe3+). Но окислительно- восстановительная
зональность может проявиться и в восстановительной среде, когда, например,
резковосстановительная обстановка верхних горизонтов болотных почв книзу
сменяется менее восстановительной. В этом случае по анализу распределения
химических элементов, а также замерам Еh нетрудно доказать, что окислительно-
восстановительные условия по профилю меняются и зональность существует. К
микроэлементам- индикаторам окислительно- восстановительной зональности на
общем восстановительном фоне относятся Cu, Mo, Ag, Sn, Au, Hg, U. Во многих
почвах степей и пустынь господствует окислительная обстановка и зональность
выражена в изменении Еh в пределах окислительной среды, смене резкоокисли-
тельной обстановки на слабоокислительную. Например, не исключено, что боль-
шую часть года в черноземах преобладает окислительная обстановка по всему
профилю, но в отдельные периоды разложение органических веществ протекает в
восстановительных условиях (или в менее окислительных). В каштановых почвах
более окислительная среда, чем в черноземах, но и в них в отдельные периоды
возможно развитие более восстановительных (или менее окислительных) условий.
Для почв пустынь характерна еще более окислительная обстановка. Однако сам
факт разложения в них органических веществ указывает на изменение окисли-
тельно- восстановительных условий,
на
существование
окислительно-
восстановительной зональности в отдельные (очень кратковременные?) периоды
года. Это может быть и микрозональность, проявляющаяся не во всем почвенном
профиле, а на строго локальном участке, например вокруг гниющего корешка.
Однако ее геохимическая сущность от этого не меняется. Индикаторами окисли-
тельно- восстановительной зональности в пределах окислительной среды служат
многие элементы и в первую очередь Mn, перераспределение которого в условиях
преобладания Fe3+ указывает на слабоокислительную обстановку. Другие харак-
терные элементы --- V, Cr, Se.
Рис. 4.10. Окислительно- восстановительная зональность в почве, ландшафте и био-
сфере в целом (по А . И . Перельману):
1 --- окислительная среда, 2 --- восстановительная среда, 3 --- водоносные горизонты.
Аналогичная окислительно- восстановительная зональность характерна и для
илов, кор выветривания, озер. Так, в верхней зоне озер, где развит фотосинтез,
водные растения выделяют в воду О2, который насыщает ее полностью, а местами
и пересыщает. На глубине фотосинтеза нет, и там происходит только разложение
органического вещества, потребляющее О2. В результате его количество умень-
шается и одновременно в воде растет содержание СО2, Еh понижается. В илах
местами О2 исчезает полностью и развивается глеевая или сероводородная вос-
становительная среда. Так, в озерах формируется окислительная зона вверху,
восстановительная внизу. Для биосферы в целом характерна принципиально та же
зональность (рис. 4.10): на земной поверхности за счет фотосинтеза, протекавше-
го в течение геологической истории, накопился О2 , преобладает окислительная
среда, хотя и здесь имеются очаги восстановления в илах и болотах. В глубоких
горизонтах биосферы, где захоронено органическое вещество, уже нет О2 или его
не хватает для окисления органического вещества, поэтому там развиваются
анаэробные процессы, создается резко восстановительная среда с Н2S, сульфида-
ми, метаном и другими восстановленными соединениями. Следовательно, биоло-
гический круговорот создал резко окислительные условия на земной поверхности
и резко восстановительные в болотах, илах и особенно в подземных водах.
Итак, окислительно- восстановительная (О- В) зональность --- особенность не
только ландшафтов, но и всех биокосных систем, включая биосферу. Эта зональ-
ность отражает важнейшие геохимические черты данных систем --- процессы
разложения органических веществ. Отсюда следует и методологический вывод о
необходимости изучения окислительно- восстановительных процессов и отвечаю-
щей им зональности в профиле всех биокосных систем.
Окислительно- восстановительная зональность в почвах является моделью более
грандиозных процессов, протекающих в других биокосных системах, в том числе
в биосфере в целом. Поэтому изучение геохимии почв позволяет анализировать
многие процессы, протекающие в корах выветривания, артезианских бассейнах и
других системах. Преимущество почв как модели состоит в том, что зональность в
них проявляется в пределах 1---2-метровой толщи, в то время как в коре выветри-
вания зональность распространяется на десятки метров, в артезианских бассейнах
и биосфере в целом --- на километры и десятки километров.
С изменением О-В условий связано формирование различных геохимических
барьеров. При резком увеличении Еh формируется окислительный геохимический
барьер А, для которого особенно характерна концентрация Fe, Mn, Co, S. Окисли-
тельный барьер может возникнуть и в условиях восстановительной среды, напри-
мер, при смене резко восстановительной обстановки на восстановительную, а
также при смене слабоокислительной на окислительную (лишь бы увеличился Еh).
Барьер А, как правило, является кислородным (например, в местах выхода на
поверхность глеевых вод, обогащенных Fe2+ и Mn2+, где осаждаются их гидро-
ксиды, образуя "ожелезнение в зонах разломов", железомарганцевые конкреции,
болотные и озерные руды).
При резком уменьшении Еh образуются восстановительные барьеры В и С, для
которых характерно накопление Cu, Au, Ag, S, Se, U, Mo и других элементов. Эти
барьеры также могут возникать как в восстановительных условиях (слабовосста-
новительные --- резковосстановительные), так и в окислительных (ультраокисли-
тельные --- окислительные).
Там, где кислородные или глеевые воды контактируют с сероводородной сре-
дой, возникает восстановительный сероводородный барьер В , на котором осажда-
ются многие металлы, образующие нерастворимые сульфиды. В связи с высоким
кларком Fe (4,65%) особенно широко распространены его сульфиды --- пирит,
марказит (FeS2), гидротроилит (FeS.nH2O). Реже встречаются сульфиды Cu ---
халькозин, ковеллин, Pb --- галенит, Zn --- сфалерит. Сероводородный барьер В
характерен для степей и пустынь, но встречается и в гумидном климате, в ланд-
шафтах, сформировавшихся на породах, богатых сульфидами, в техногенных
сернокислых ландшафтах, в приморских болотах.
При встрече кислородных вод с глеевой средой возникает глеевый барьер С,
широко распространенный в краевой зоне болот гумидных ландшафтов. Для этого
барьера характерна концентрация Mo, U, Se, Au, Cu и др. элементов (U6+ Х U4+;
Se6+ХSeo;Au+ХAuo;Cu2+ХCu+ХCuoит.д.).
Напомним, что элементы, образующие сильные катионы (К + , Na+ , Ca2+, Mg2+,
Fe2+ и др.), имеют значительно более высокие кларки, чем элементы, образующие
сильные анионы (Cl, F, S, C, V, P и др.) (гл. 1).
Поэтому кислые растворы, образующиеся в результате окисления органических
веществ и сульфидов по мере взаимодействия с глубокими горизонтами почв и
породами, усредняются, становятся менее кислыми или даже щелочными. В ре-
зультате в почвах, корах выветривания, водоносных горизонтах по мере фильтра-
ции вод рН повышается, возникает щелочно-кислотная зональность. Так, в выще-
лоченных черноземах, бурых лесных и других почвах кислая или слабокислая
реакция в горизонте А сменяется нейтральной или слабощелочной в горизонте В.
В кислых корах выветривания влажных тропиков нижние горизонты также имеют
нейтральную или щелочную реакцию. Повышение рН связано в значительной
степени с кислым выщелачиванием катионов из верхних горизонтов и их частич-
ной аккумуляцией в нижних. Таким образом, кислая среда в верхних горизонтах
порождает щелочную в нижних. В формировании щелочной среды играют роль и
катионы, изначально находящиеся в нижних горизонтах.
По влиянию на кислотность вод С.С . Смирнов разделил минералы зоны окисле-
ния сульфидных месторождений на активные, полуактивные и неактивные. Эта
классификация применима и к ландшафтам, причем минералы могут быть актив-
ными в одном ландшафте и неактивными в другом. Например, пирит активен в
коре выветривания, где его окисление приводит к появлению Н2SО4, но этот
минерал неактивен в горизонтах солончаков и болот, не содержащих О2. Кальцит
активен в гумидных ландшафтах, где грунтовые воды слабо минерализованы,
имеют кислую реакцию и растворяют известняки. В сухом климате кальцит часто
неактивен.
Рис. 4.11. Виды щелочных бьрьеров в ландшафтах: в степных почвах (А), на контакте
бескарбонатных пород с известняками во влажном климате (Б) и на участках окисления
сульфидных руд в известняках (в любом климате) (В ):
1 --- направление движения вод, 2 --- щелочной барьер, 3 --- сероводородный барьер, 4 --- выщелоченный от
карбонатов горизонт степных почв (А, В и т.д.), 5 --- карбонатный горизонт степных почв (В и др.), 6 ---
бескарбонатные породы, 7 --- известняки, 8 --- концентрация металлов на щелочном барьере (Fe, Mn, Ni,
Cu, Zn, Pb и т.д.), 9 --- концентрация металлов на сероводородном барьере (зона вторичного сульфидного
обогащения).
В профиле почв изменение рН иногда происходит постепенно, но наблюдается
и резкий скачок рН на границе горизонтов. В местах, где на коротком расстоянии
кислая среда сменяется щелочной, возникает щелочной барьер D, для которого
особенно характерна концентрация Fe, Ca, Mg, Mn, Ba, Sr, Cr, Zn, Cu, Ni, Co, Pb,
Cd и других металлов (элементы расположены в порядке убывания кларков) (рис.
4.11). D барьер может проявиться и в щелочных условиях при смене слабощелоч-
ной среды на сильнощелочную. Особенно контрастные барьеры возникают на
контактах силикатных и карбонатных пород. Так, в таежной зоне нередко под
маломощным валунным суглинком залегают известняки. Кислые растворы,
фильтрующиеся из подзолистых почв, попадая в известняк, встречают на своем
пути D барьер, на котором осаждаются Fe и Mn. Очень характерны D барьеры для
зоны окисления сульфидных руд в известняках. Здесь сернокислые растворы,
образующиеся при окислении пирита, нейтрализуются известняками. В результате
на барьере наблюдается ожелезнение, осаждение малахита, и азурита смитсонита
и других карбонатов Cu, Pb, Zn (рис. 4.11).
Менее характерны для ландшафтов кислые барьеры Е, возникающие при резком
уменьшении рН. На кислом барьере осаждаются Si, Se, Mo, Ge и др. анионоген-
ные элементы.
На участках встречной миграции вод образуются двусторонние геохимические
барьеры. Такой барьер, например, характерен для краевой зоны березовых колков
Северного Казахстана (рис. 4.12). Рощи берез (колки) с лугово-болотными кислы-
ми почвами здесь располагаются в западинах, окруженных по периферии степной
растительностью, с солонцами, имеющими щелочной рН. Воды, мигрирующие
вниз по склону, встречают на своем пути кислый барьер Е (лугово-болотные
почвы), на котором осаждаются анионогенные элементы --- Y, Sc, Zr, Be. В ре-
зультате в торфяном горизонте почв содержание этих элементов повышается. От
центра западины к ее периферии периодически происходит подтягивание раство-
ров и их испарение. На границе колка со степью возникает испарительный (F) и
щелочной (D) барьеры, на которых концентрируются катионогенные элементы и
легкорастворимые соли (Ba, Pb, Ni, Sr и т .д.). Так, на границе со степью появля-
ется двусторонний барьер --- с одной стороны E, с другой --- D. Аналогичные
двусторонние барьеры изучены С.Г. Батулиным в пустыне Бетпак-Дала на участ-
Рис. 4.12. Двусторонний геохимический
барьер краевых зон березовых колков Северно-
го Казахстана (по Н . С . Касимову):
1 --- слабощелочные воды, 2 --- содовые воды, 3 ---
кислые воды, 4 --- двусторонний барьер, 5 --- элемен-
тарные ландшафты.
ках окисления сульфидов. Для двусторонних барьеров, таким образом, характерна
ассоциация элементов с противоположными свойствами, например, металлов и
неметаллов.
Окислительно- восстановительная и щелочно- кислотная зональность есть во
всех биокосных системах, причем в конкретном профиле они могут совпадать и
не совпадать. В разных горизонтах почвы, коры выветривания, ила в результате
зональности классы водной миграции часто неодинаковы. В этом случае при
геохимической систематике следует использовать понятие о центре системы ---
главном горизонте, определяющем своеобразие системы в целом. Как правило, у
почв центром служит верхний горизонт А, где наиболее энергично разлагаются
органические вещества, происходят наибольшие преобразования минеральной
части. Поэтому при геохимической классификации почв за основу следует брать
геохимические особенности ее центра --- горизонта А. Этот критерий позволяет в
большинстве случаев правильно оценить роль каждого горизонта и классифици-
ровать почву. В некоторых почвах главный другой горизонт, например, в солон-
цах центром является солонцовый горизонт В с обменным натрием. Этот принцип
централизации пригоден и при геохимической классификации кор выветривания,
илов (подводных почв).
Общая минерализация вод. По этому параметру выделяется следующий так-
сон классификации вод --- семейства, образующие непрерывный ряд от ультрапре-
сных вод до рассолов. Границы между семействами условные.
1.Ультрапресные воды (< 0,1 г/л). К
ним относятся многие атмосферные
осадки, поверхностные и грунтовые
воды гумидных ландшафтов (в тундре,
тайге и т .д .). Эти воды не насыщены
практически всеми минеральными
соединениями, поэтому из них не
осаждаются соли. Наоборот, они
обладают большой растворяющей
способностью.
2. Пресные воды (0,1---1 г/л). Они
характерны для большинства рек и
озер влажного
климата,
многих
грунтовых, пластовых и трещинных вод,
составляют главную базу питьевого и
технического водоснабжения.
3. Солоноватые воды (1---3 г/л). Такие
воды широко распространены в степях,
пустынях и сухих саваннах. Они насыщены CaCO3, MgCO3 и частично CaSO4.
Поэтому растворяющая способность вод ослаблена, при небольшом повышении
концентрации из них осаждаются труднорастворимые соли, которые обусловли-
вают карбонатизацию и огипсование почв и пород.
4. Соленые воды (3---36 г/л). К ним относятся океанические, многие поверхно-
стные и грунтовые воды ландшафтов. Это самые распространенные воды планеты.
5.Рассолы (> 36 г/л). Они характерны для соленых озер, частично для грунто-
вых вод степей и пустынь.
Растворенное органическое вещество --- РОВ. В ландшафтах большинство
вод содержит РОВ. Главный процесс его образования --- разложение растительных
остатков. При этом происходит и синтез новых специфических высокомолекуляр-
ных соединений темного цвета --- гумусовых веществ. По составу и свойствам они
резко отличаются от органических соединений живого вещества. Хотя гумус почв
и вод изучается более 200 лет, состав и процессы образования его таят много
загадок. В.И.Вернадский подчеркивал, что это очень устойчивые тела в биосфере,
изменяющиеся химически лишь медленно и с большим трудом, которые не могут
изучаться обычными методами химии, созданными в ином порядке идей. Многие
природные воды содержат и РОВ нефтяного ряда --- различные углеводороды и их
производные. Обнаружены в водах также белки, аминокислоты, углеводы, уксус-
ная, масляная и другие кислоты, жиры, эфиры, альдегиды, т . е . соединения, харак-
терные для живых организмов.
Реки и озера влажного климата содержат до 100 мг/л РОВ гумусового типа, в
основном фульвокислот. Воды приобретают цвет крепкого чая (реки тундр и
тайги Западной Сибири, лесисто-болотистых низменностей Амазонии и др.). РОВ
часто преобладает над минеральными соединениями --- в реках Амазонии, напри-
мер, его содержание составляет до 70% растворенных веществ.
Среднее содержание органического углерода (Сорг) в грунтовых водах гумид-
ных ландшафтов составляет 35 мг/л , в степях и пустынях --- 20 мг/л .
РОВ сильно влияет на миграцию, многие элементы входят в состав раствори-
мых органических соединений, что детально изучено Г.М. Варшал. Миграция
элементов в такой форме имеет большое геохимическое значение. Например,
минеральные формы Au малоподвижны в водах, а органо- минеральные хорошо
растворимы. По Ю.Ю. Бугельскому, для никеленосной коры выветривания харак-
терны никельорганические соединения. Эта форма часто превышает 50% всего
количества растворенного Ni. По И.Б. Никитиной, в ультрапресных водах горной
тайги Якутии РОВ составляет от 10 до 75% общей суммы растворенных веществ,
главным компонентом РОВ являются фульвокислоты. Fe, Al, Ti, Mn, V, Cu, Ni и
другие элементы мигрируют здесь в форме органических комплексов и только
Na+, K+, Cl- и SО42-
--- в ионной форме. По Б.Ф. Мицкевичу, в богатых РОВ
поверхностных водах Украинского Полесья Ве более подвижен, чем в водах лесо-
степи и степи, бедных РОВ. Все эти данные существенно меняют теоретические
представления о водной миграции. Входя в состав органического соединения,
элемент как бы утрачивает свои индивидуальные химические свойства, и самые
различные элементы мигрируют с равной интенсивностью, определяемой интен-
сивностью миграции РОВ.
По содержанию РОВ выделяются четыре рода вод.
1. Широкораспространенные в гумидных ландшафтах воды, богатые РОВ гуму-
сового ряда, в соединении с которыми мигрируют многие элементы.
2. Воды, богатые РОВ нефтяного ряда. В составе РОВ преобладают низкомоле-
кулярные жирные кислоты, обнаружены также нафтеновые кислоты, бензол,
толуол, фенолы, спирты, сложные эфиры. Есть и вещества гумусового ряда. В
ландшафтах такие воды редки.
3. Воды, бедные РОВ. К ним относятся воды некоторых горных рек, высокогор-
ных озер, аридных ландшафтов.
4. Воды, промежуточные по содержанию РОВ.
Ионный состав вод. Последний таксон классификации --- вид вод выделяется
по их ионному составу. Почти все химические элементы мигрируют в ионной
форме, но систематическое значение имеют только ведущие ионы, т . е . ионы эле-
ментов с высокими кларками --- О, Са, Mg, Na, K, Cl, S и др. Редкие элементы из-
за низкого кларка содержатся в водах в ничтожных количествах (часто менее
n.10-5 г/л до n.10-14 г/л у Ra), что исключает существенное влияние их ионов на
геохимические свойства вод, т . е. на способность вод определять условия мигра-
ции элементов.
В ландшафтах наиболее распространены шесть ионов --- три катиона (Са2+,
Mg2+, Na+) и три аниона (НСО3-, SО42-, Cl-). Иногда ведущее значение приобре-
тают карбонат- ион (СО32-), гидросульфид- ион (НS-), сульфид- ион (S2-). Исклю-
чительно велико значение Н+ и ОН- ионов, по содержанию которых выделяются
крупные таксоны --- классы вод.
Большинство ионов металлов в водах представлены гидроксокомплексами, по-
лимерными ионами и комплексными соединениями с анионами. Например, U6+ в
растворах образует сложный катион уранил UО22+, который дает гидроксоком-
плексы или входит в состав комплексных анионов. Поэтому в водах в зависимости
от их свойств могут присутствовать UO22+, UO2OH+ , [UO2(CO3)2(H2 O)2]2-,
[UO2(CO3)3]4- и другие ионы, а также недиссоциированные молекулы UО 2(ОН)2.
В связи с широким распространением комплексных ионов обычная форма вы-
ражения химических анализов вод в виде простых ионов, как правило, не отража-
ет их реального ионного состава.
Ионный состав определяет важные геохимические особенности вод, их практи-
ческое использование --- пригодность для водоснабжения, орошения, лечения
болезней и т .д. Поэтому определение шести главных ионов выполняется при
любых исследованиях вод, объем информации огромен. Это, естественно, вызвало
необходимость классификации вод по преобладанию ведущих ионов (при этом
учитывают не массовые, а эквивалентные их количества).
По анионному составу выделяют гидрокарбонатные (карбонатные), сульфатные
и хлоридные воды. Дальнейшее деление проводится по катионам и соотношениям
ионов. Число видов вод, как наиболее мелкой таксономической единицы, велико.
Ионный состав вод при всем его большом научном и практическом значении
все же часто не определяет геохимическое своеобразие вод. Во многих ландшаф-
тах его роль отступает на задний план, так как в водах химические элементы
находятся как в ионной, так и в неионной форме. Именно поэтому свойства ионов
не могут объяснить все особенности водной миграции. Для объяснения специфики
некоторых вод, например, богатых РОВ, они вообще неприменимы. В подобных
случаях шестикомпонентный ионный состав не может рассматриваться в качестве
главной геохимической характеристики вод.
Коллоидная миграция, сорбция, сорбционные барьеры. Ландшафт --- это
подлинное царство коллоидов. Такого их накопления и разнообразия не наблюда-
ется в других частях земной коры. С глубиной количество коллоидов и их геохи-
мическая роль резко уменьшается, магматические породы практически не содер-
жат коллоидов. Чем интенсивнее и длительнее протекает бик, тем больше в ланд-
шафте коллоидных веществ. Первые стадии формирования ландшафта на извер-
женных породах отличаются низким содержанием органических и минеральных
коллоидов. Таковы, например, ландшафты скал, покрытых лишайниками, где
вещество находится в неколлоидном состоянии. В зрелые стадии развития боль-
шая часть твердого вещества ландшафта переходит в коллоидное состояние.
Например, во влажных тропиках почва и кора выветривания почти на 100% состо-
ят из коллоидных или метаколлоидных* минералов --- гидроксидов Fe, Al, Si,
глинистых минералов, гумуса. Размеры их частиц крупнее, чем у коллоидов,
обычно они также менее гидратированы и обладают кристаллической структурой,
обнаруживаемой невооруженным глазом или под оптическим микроскопом. Вме-
сте с тем метаколлоиды сохраняют некоторые черты коллоидов, особенно в своем
виде ("колломорфность").
Коллоидная миграция весьма характерна для гумуса и соединений Si, Al, Fe,
Mn, Zr, Sn, Ti, V, Cr, Ni и других элементов. Коллоидные растворы (золи) менее
устойчивы, чем истинные растворы; они обычно не достигают высоких концен-
траций и в своем поведении подчиняются особым законам.
Из золей элементы осаждаются, образуя богатые водой студенистые осадки ---
гели. Так, из золей кремнезема выпадает гель, который сравнительно быстро
теряет часть воды и превращается в твердый опал. Последний в ходе дальнейшей
кристаллизации и потери воды может превратиться в халцедон и , наконец, в
кварц. Известны и другие аморфные вещества неопределенного состава, со време-
нем превращающиеся в коллоидные минералы микрокристаллической структуры.
Особенно много подобных образований в лесных и болотных ландшафтах.
Соединения переменного состава были названы А.Е. Ферсманом мутабильны-
ми. Это преимущественно гели и неустойчивые коллоидные минералы, образую-
щие ряд промежуточных стадий от исходного геля до относительно более устой-
чивой формы, обладающей кристаллической структурой. Однако даже в послед-
них может меняться содержание воды и катионов. В ряде случаев коллоидные
минералы возникают "на месте", за счет разрушения полевых шпатов и других
минералов горных пород, а также за счет разложения органических остатков.
Многие коллоидные минералы имеют кристаллическое строение, различимое
лишь в электронном микроскопе. У частиц глинистых минералов обычно размеры
несколько большие, чем у типичных коллоидов, но при своем образовании они
прошли через коллоидную стадию. В глинах и суглинках этих минералов особен-
но много. Некоторые глины, например каолин, почти на 100% состоят из глини-
стых минералов.
Итак, наиболее важные составные части ландшафта, определяющие его своеобразие, или
находятся в коллоидном состоянии, или прошли через коллоидное состояние. Это в первую
очередь деятельная часть илов, почв и кор выветривания.
В почвах и корах выветривания гумидных ландшафтов коллоидные минералы
мигрируют в виде тонких взвесей. При их осаждении оси ориентируются одина-
ково, образуя по трещинам и порам метакинематические микроструктуры ---
кутаны в виде тонких глинистых пленок. Геохимическая роль этих микроструктур
изучена недостаточно.
В почвах и континентальных отложениях аридных ландшафтов много кальцита,
воды имеют слабощелочную реакцию, не содержат или почти не содержат орга-
нических кислот. Все это не благоприятствует коллоидной миграции. Однако и в
этих районах известны коллоидные растворы, содержащие кремнезем, соединения
Al и других элементов (особенно в содовых водах). В болотах здесь мигрируют
гумус и другие коллоиды.
На раздробление вещества и образование коллоидов, так же как и на фотосин-
тез и испарение воды, затрачивается энергия. Поверхность отдельной коллоидной
частицы ничтожна, ничтожна и ее поверхностная энергия --- способность погло-
щать различные вещества из окружающей среды. Однако суммарная поверхность
1 г коллоидной фракции в сотни тысяч и миллионы раз больше поверхности 1 г
частиц, видимых простым глазом (поверхность 1 г глин составляет десятки м2).
Поэтому значительна и их поверхностная энергия, проявляющаяся в сорбции и
теплоте смачивания. Многие металлы сорбируются тонкодисперсными частицами
и мигрируют вместе с этими взвесями.
Неполярная сорбция состоит в поглощении из раствора целых молекул, напри-
мер газов и паров, молекул органических веществ. Многие глинистые минералы
сорбируют из вод органические молекулы. Велика геохимическая роль и полярной
сорбции --- ионного обмена. Еще в прошлом столетии было доказано, что цеоли-
ты, почвы, илы, глины способны поглощать из растворов ионы. Так, если промы-
вать дистиллированной водой на воронке незасоленную глину, то очень неболь-
шое количество ионов Са2+ и Mg2+ перейдет в фильтрат (не более 0,0n% от мас-
сы глины). Если вместо воды использовать раствор соли, например NaCl, то коли-
чество Сl- в фильтрате почти не изменится, содержание Nа + уменьшится и поя-
вятся Са2+ и Mg2+ в количестве, эквивалентном исчезнувшему Na+ . Следова-
тельно, глина поглотила Nа+ и взамен выделила в раствор эквивалентные количе-
ства Са2+ и Mg2+, т . е . глины способны обменивать ионы. Правильное истолкова-
ние этого явления и , что особенно важно, его приложение к природным процессам
было дано К.К. Гедройцем (1872---1932). В серии блестящих экспериментов он
доказал, что каждая почва, глина, всякая мелкоземистая порода содержит катио-
ны, которые, не растворяясь в дистиллированной воде, переходят в раствор ней-
тральной соли. При этом часть катионов соли в эквивалентных количествах по-
глощается твердой фазой. Количество аниона соли в большинстве случаев не
меняется. Катионы твердой фазы, способные обмениваться на катионы раствора,
Гедройц назвал обменными катионами. Они связаны преимущественно с колло-
идной частью почв и пород. Наиболее энергично поглощаются многовалентные
катионы R3+ > R2+ > R+ . Среди катионов с одинаковой валентностью энергия
поглощения растет с ростом атомной массы и радиуса иона (Li+ < Na+ < K+ < Rb+
< Cs+ и т .д.). Поэтому К+ поглощается энергичнее Na+ . Крупный катион уранил
UО22+ легко сорбируется гидроксидами Fe, бурым углем, фосфоритами, каолини-
том и монтмориллонитом. Неминеральную форму нахождения U во многих гли-
нах, углях объясняют сорбцией его из вод. Согласно венгерскому ученому А.
Салаи, гумус адсорбирует U из очень разбавленных растворов. Так, при концен-
трации U 1.10-5 г/л его содержание в торфе может составить 0,01%, причем торф
сорбирует до 10% U. Обменная сорбция подчиняется закону действия масс, она
тем интенсивнее, чем выше концентрация катионов в водах.
Обменные катионы появляются в породах и почвах либо при выветривании ми-
нералов, т . е . в результате их перехода из необменного состояния в обменное, либо
за счет поглощения из вод (при этом часть обменных катионов породы переходит
в воды). Фракцию, способную к ионному обмену, Гедройц назвал поглощающим
комплексом. Почвы и породы всегда содержат некоторое количество обменных
катионов. Общее их количество --- емкость поглощения, обычно не превышает 1%
(30---70 мг. экв.).
В ландшафте преобладают отрицательно заряженные коллоиды --- глинистые минералы,
органические вещества гумусового ряда, гель кремнекислоты, гидроксиды Mn и др. Они
могут поглощать из раствора катионы, способные обмениваться на катионы поглощающего
комплекса. Помимо Са2+, Mg2+, K+, Na+, Rb+, Cs+, Li+, Sr2+, Ba2+, Ra2+ сорбируются и
тяжелые металлы --- Cu2+, Pb2+, Ag+, Hg2+ и др.
Менее распространены в ландшафтах положительно заряженные коллоиды,
способные обменивать Cl-, SO4 2-, PO43-, VO4 3- и другие анионы. Это характерно
для влажных тропиков и субтропиков, где развита кора выветривания, содержа-
щая положительно заряженные гидроксиды Fe и Al. Среди обменных анионов в
ней обнаружены Cl- и SО4 2-
. В озерных железных рудах нередко повышено со-
держание Р, V, As, сорбированных положительно заряженными гелями гидрокси-
дов Fe.
Рассмотрим некоторые реакции ионного обмена. Если сульфатно- кальциевые
(или магниевые) грунтовые воды взаимодействуют с глинами морского происхож-
дения, содержащими обменный Na+ , то наблюдается следующая реакция:
глина = 2 Na+ + CaSO4 Na2SO4 + глина = Са2+;
глина = 2 Na+ + MgSO4 Na2SO4 + глина = Mg2+.
Символом глина = Са2+ обозначена глина, содержащая обменный Са2+, глина =
Mg2+ --- Mg2+.
Постепенно весь обменный Na+ глин переходит в раствор, воды из сульфатно-
кальциевых (магниевых) превращаются в сульфатно- натриевые, а поглощающий
комплекс из типично морского натриевого становится типично континентальным
--- кальциево- магниевым.
Возможны и обратные реакции, когда сульфатно- натриевые воды, мигрируя
среди пород, поглощающий комплекс которых насыщен Са2+, обменивают Na+ на
обменный Са2+ породы. Кальций, соединяясь с SO4 2- вод, образует труднорас-
творимый гипс. Таково происхождение некоторых гипсовых аккумуляций в гли-
нах и почвах:
глина = Са2+ + 2Na+ + SO42- + 2H2O глина = 2Na+ +
В гумидных и семиаридных ландшафтах широко распространены коллоидные
гидроксиды Mn в виде черных примазок, конкреций, порошков и т . п . (псиломела-
ны --- MnO.MnO2.n H2O и другие минералы). Они нередко содержат примесь Ni,
Co, Cu, Zn, Hg, Au, Ва и других катионогенных элементов, сорбированных гелем
гидроксидов Mn, заряженным отрицательно.
В илах озер среди обменных катионов обычно преобладают Са2+ и Mg2+. В во-
де соленых озер, отшнуровавшихся от моря, в процессе испарения резко повыша-
ется содержание Nа + и Cl- и уменьшается содержание SО4 2- за счет выпадения
гипса. Наступает такой момент, когда Na+ озерной воды начинает вытеснять Са2+
и Mg2+ из озерных илов:
ил=Ca2++2Na+ ил=2Na++Ca2+;
ил=Mg2++2Na+ ил=2Na++Mg2+.
В результате в иле накапливается обменный Na+ , a Ca2+ и Mg2+ поступают в
озерную воду, состав которой становится хлоркальциевым или хлормагниевым.
Следовательно, поглощающий комплекс является потенциальным источником катионов
(реже анионов), которые в ходе различных процессов сравнительно легко мобилизуются и
переводятся в раствор. Поэтому хотя обменные катионы входят в состав твердой фазы, они
обладают значительно большей миграционной способностью, чем необменные. Иначе гово-
ря, в каждой глине, в каждой почве необходимо различать две категории катионов: одни
легко переходят в раствор и способны участвовать в реакциях (обменные катионы), а
другие прочно закреплены в узлах кристаллических решеток и могут переходить в раствор
лишь в результате разрушения минералов в ходе длительного выветривания (переход в
раствор К, Na, Ca полевых шпатов, К и Mg слюд и т.д.).
Между катионами вод и обменными катионами пород и почв наблюдается опре-
деленное соответствие: по составу обменных катионов можно судить о составе
вод и наоборот. Так, если поглощающий комплекс насыщен Са2+ и Mg2+, то воды
будут иметь нейтральную или слабощелочную реакцию и кальциевый состав
(гидрокарбонатно- кальциевые или сульфатно- кальциевые). Если поглощающий
комплекс содержит Н+ или АI3+, то грунтовые воды имеют слабокислую реакцию
и содержание Са2+ в них значительно меньше. Если почвы содержат обменный
Nа + и не содержат легкорастворимые соли, то воды содержат некоторое количе-
ство соды. Кальциевые воды способствуют насыщению поглощающего комплекса
Са2+, натриевые --- Nа+ и т.д.
Ионный обмен может быть и необратимым, если ионы поглощаются поверхно-
стью коллоида и образуют прочное химическое соединение (хемосорбция). В
результате последующей кристаллизации возникают минералы. Так, в бурых
железняках, сорбировавших VO43-, образуется минерал ферванит.
Сорбционные барьеры (G) возникают на контакте вод с глинами и другими сор-
бентами. На G барьерах концентрируются Са, К, Mg, P, S, Rb, V, Cs, Zn, Ni, Co,
Cu, Pb, U, As, Mo, Hg, Ra и другие элементы. Эти барьеры характерны для крае-
вых зон болот (торф), иллювиальных глинистых горизонтов почв и кор выветри-
вания, гумусовых горизонтов почв, контакта глин и песков в аллювии и т .д. Осо-
бенно велика роль G барьеров в гумидных ландшафтах с интенсивным биком, где
накапливается много коллоидов, а воды мало минерализованы. В таких водах
концентрация большинства элементов далека от насыщения и минералы не осаж-
даются. В этом случае сорбция, наряду с поглощением живым веществом, являет-
ся часто важнейшим механизмом, задерживающим миграцию, переводящим эле-
менты из жидкой фазы в твердую. В аридных ландшафтах, где воды сильно мине-
рализованы, относительная роль сорбционного барьера уменьшается, так как
многие элементы здесь концентрируются в результате осаждения простых солей.
Однако для части редких элементов данный барьер имеет решающее значение и в
аридных ландшафтах (например, для Li, Rb, Tl и других металлов, соли которых
легкорастворимы).
За счет сорбции происходит обогащение глин, гидроксидов Mn, гумусовых ве-
ществ Cu, Ni, Co, Ba, Zn, Pb, U, Tl и другими металлами. Поэтому коллоидные
минералы богаты примесями. Сорбция в биосфере выполняет функцию, аналогич-
ную изоморфизму, который играет здесь меньшую роль, чем в магматических и
гидротермальных процессах. Искусственные сорбционные барьеры можно исполь-
зовать в борьбе с загрязнением среды.
Американский ученый Г. Спозито обобщил данные о парагенных ассоциациях
металлов в минералах (табл. 4.8).
Таблица 4.8
Металлы, содержащиеся в оксидах железа, марганца
и глинистых минералах почв в виде изоморфных примесей и включений
Минералы
Сопутствующие металлы
Оксиды Fe
Al, V, Mn, Ni, Cu, Zn, Mo
Оксиды Mn
Fe, Co, Ni, Zn, Pb
Карбонаты
СаV,Mn,Fe,Co,Zn,Cd,Pb
Иллиты
Mg, Al, V, Ni, Co, Cr, Zn, Cu, Pb
Вермикулиты
Mg, Al, Ti, Mn, Fe
Смектиты
Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Pb
Сорбция многих химических элементов зависит от щелочно- кислотных усло-
вий. Так, сорбция катионогенных цинка и свинца наиболее активно протекает в
кислой среде, богатой отрицательно заряженными органическими коллоидами.
В ландшафтах рудных полей при фильтрации растворов через почвы и отложе-
ния, содержащие коллоиды, образуются вторичные сорбционные ореолы рассея-
ния. При этом концентрация элементов часто не сопровождается образованием
рудных минералов. Состав таких ореолов во многом зависит от глинистых мине-
ралов. В каолинитовой группе сорбция металлов ограничена, в то время как мине-
ралы группы монтмориллонита легко поглощают рудные элементы и в ореоле
рассеяния возникают значительные их концентрации, обнаруживаемые при гео-
химических поисках. Важную роль в качестве сорбентов играют гидроксиды Fe и
Mn. На многих полиметаллических месторождениях наблюдаются безминераль-
ные формы Pb, Zn, Cu, концентрирующиеся в гидроксидах (до 1% Pb, Cu и т . д .).
Глинистые отложения, перекрывающие рудные тела, иногда содержат у поверхно-
сти (в почвах) повышенные количества сорбированных металлов. На Урале, Алтае
и в других рудных провинциях известны поверхностные ореолы Mo, Cu, Ba, Ag,
Pb, Zn, Co и других элементов в почвах, кайнозойских глинах, перекрывающих
медноколчеданные палеозойские руды, залегающие на глубине десятков метров
(рис. 4.13). Медно- никелевое оруденение в докембрии Русской платформы обна-
руживается даже при мощности перекрывающих отложений 100---140 м . При
валовом анализе почв такие "наложенные ореолы" часто не выявляются, но при
обработке почв слабыми кислотами, содой или другими реактивами их удается
установить. На этой основе С.П. Албулом, Л .В. Антроповой, Н.И. Долухановой,
Г.Ф. Ларионовым, Ю.Е. Саетом и др. разработаны особые варианты литохимиче-
ских поисков по наложенным ореолам рассеяния (сорбционно- солевой метод,
почвенно- гидрохимическая съемка, МПФ, выделение из проб металлоорганиче-
ских соединений и др.). Механизм образования этих вторичных ореолов еще
недостаточно ясен.
Типы и виды концентрации элементов на физико- химических барьерах.
Накопление элементов на барьерах зависит от их класса (А, В, С и т .д.) и класса
вод, поступающих к барьеру. Систематика видов концентраций показана на рис.
4.14*; каждый вид обозначен индексом, включающим символ барьера и класс вод
(например, А6, В1). Систематика построена по матричному принципу, который
позволяет выделять новые виды концентрации, т . е. прогнозировать. Можно уста-
новить условия их образования, сказать, где их искать. Воды с окислительной и
восстановительной обстановками могут быть слабоокислительными и резковос-
становительными и т .д . Поэтому из слабоокислительных вод возможна концен-
трация элементов на резкоокислительном барьере (Al---A4), из слабовосстанови-
тельных вод --- на резковосстановительном (С5---С8) и т .д .
Значение геохимии ландшафта для гидрогеохимических методов поисков
полезных ископаемых и предсказания землетрясений. В основе этих методов
лежит определение индикаторных элементов в поверхностных и подземных водах.
Водные ореолы и потоки рассеяния месторождений полезных ископаемых прости-
раются на сотни и тысячи метров, содержание индикаторных элементов в них
обычно в несколько раз превышает фоновое. Местами коэффициент контрастно-
сти достигает сотен и тысяч. При поисках учитываются не только геологические,
гидрогеологические, но и ландшафтные условия района, время поисков. Значение
геохимии ландшафта для повышения эффективности этих методов состоит в
анализе особенностей поисков в таежных, тундровых, степных, пустынных и
других ландшафтах.
Современные методы анализа позволяют определять в водах n.10-7 г/л элемен-
тов и менее. Часть анализов выполняется непосредственно у ручья, источника,
колодца, скважины, а часть в лаборатории. Гидрогеохимическими методами от-
крыты медно- никелевые, медно- колчеданные и другие месторождения. Эти мето-
ды эффективны также при поисках нефти и газа, калийных солей и других полез-
ных ископаемых.
Гидрогеохимические и гидродинамические аномалии зарегистрированы накануне многих
крупных землетрясений. Наряду с изменениями концентраций в подземных водах Не, Rn,
СО2 и других газов установлено также изменение общей минерализации вод, содержания в
них Н+, НСО3-, Сl-, F-, SO42-, Ca+, Na+ и других ионов. Все эти показатели предложено
Рис. 4.13. Наложенные экзогенные ореолы суммы меди, цинка и свинца в перекрывающих
толщах Рубцовского месторождения (по Ю . Е . Саету):
1 --- гумусовый горизонт почв, 2 --- минеральный горизонт почв, 3 --- лёссовидный покровный суглинок, 4 ---
бурые легкие глины, 5 --- шоколадные тяжелые глины, 6 --- сероцветные и зеленоцветные глины, загипсо-
ванные, 7 --- переотложенные пестроцветные глинистые продукты коры выветривания, 8 --- бухтармин-
ская свита, известняки, алевролиты, песчаники, гравелиты, 9 --- каменевская свита, глинистые алевролиты
с прослоями песчаников, туфов и туффитов кислого состава, 10 --- окисленное рудное тело, 11 ---
зона развития эндогенных ореолов, 12 --- ореолы с 95%-ной вероятностью, 13 --- ореолы с 99%-ной
вероятностью.
использовать при прогнозировании землетрясений. Ландшафтно-геохимический анализ здесь
также перспективен.
Контрольные вопросы
1. Как определяется интенсивность водной миграции элементов и почему о ней
нельзя судить только по содержанию элементов в водах?
2. Охарактеризуйте интенсивность водной миграции элементов в кислородных
и сероводородных водах. В чем сходство и различия?
3. Почему окислительно- восстановительный потенциал Еh недостаточен для
геохимической характеристики восстановительной среды? Назовите два основ-
ных геохимических класса этой среды.
4. Почему при огромном значении ионной концепции в геохимии она все же не-
достаточна для характеристики поведения многих элементов в водах?
5. Где развиты наиболее окислительные и наиболее восстановительные условия?
6. В чем значение химической термодинамики для геохимии ландшафта, каковы особенности примене-
ния принципа Ле Шателье при изучении биосферы?
7. Как используется в химии "принцип торможения химических реакций" и ка-
ково его значение для геохимии ландшафта?
8. Охарактеризуйте механизмы массопереноса в ландшафтах и биосфере.
9. Чем принципиально отличаются радиоактивные процессы от других процес-
сов физико- химической миграции?
10. Каков состав надземной атмосферы, факторы его формирования?
11. Охарактеризуйте геохимическое значение подземной атмосферы ландшаф-
та, ее состав.
12. Как используется анализ почвенной атмосферы для поисков полезных иско-
паемых и решения других прикладных задач?
Глава 5
МЕХАНИЧЕСКАЯ МИГРАЦИЯ
Область механогенеза еще ждет геохимика
для своего исследования, как область геохими-
ческого влияния силы тяжести. А.Е. ФЕРСМАН
Механическая миграция (механогенез) обусловлена работой рек, ветра, ледни-
ков, вулканов, тектонических сил и других факторов, детально изучаемых в дина-
мической геологии, геоморфологии, вулканологии, тектонике и других науках о
Земле. Заключение А. Е. Ферсмана, приведенное в эпиграфе, относится к 30-м
годам нашего столетия. За прошедшие десятилетия немало сделано и по геохимии
механогенеза в ландшафтах.
Механическая дифференциация пород и минералов. Характерная черта этих
процессов --- раздробление горных пород и минералов, ведущее к увеличению их
дисперсности, развитию сорбции и других поверхностных явлений: при дисперги-
ровании резко увеличивается суммарная поверхность частиц, а следовательно, и
их поверхностная энергия. Так как дезинтеграция происходит за счет солнечной
энергии, то данный процесс наряду с фотосинтезом является ее важным аккуму-
лятором. При диспергировании повышается и растворимость некоторых минера-
лов. Так, при уменьшении кристаллов гипса от 0,5 до 0,1 мк их растворимость
увеличивается с 4 до 12%, сульфата бария --- до 80%. Диспергирование сопровож-
дается разложением многих минералов: при истирании сульфиды частично разла-
гаются на металл и серу, гидратированные минералы выделяют воду, т . е . стано-
вятся возможными термодинамически невыгодные реакции. Роль таких механохи-
мических явлений в ландшафтах не изучена.
В результате механической миграции образуются делювий, пролювий, аллювий,
морена и прочие кластические отложения. Процессы, основными агентами кото-
рых служат сила тяжести, текучая вода, ветер, лед, подчиняются законам механи-
ки и не зависят непосредственно от химических свойств элементов, основное
значение приобретает величина, плотность и форма частиц (частицы близкого
размера и близкой плотности осаждаются вместе). Чем дальше участок располо-
жен от вершины склона, чем меньше его крутизна, тем более тонкий материал
накапливается на склоне. Поэтому в горных и холмистых районах, сложенных
скальными породами, в верхней части склона развиты более грубые, а в нижней
--- более тонкие по гранулометрическому составу делювиальные осадки. Ближе к
аридным горам пролювий представлен грубообломочным материалом, а в удале-
нии --- лессовидными суглинками. В речных долинах русловые отложения часто
представлены галечниками, гравийниками и песками, а пойменные --- суглинками
и глинами. Данные процессы называются механической дифференциацией, они
приводят к изменению и химического состава отложений, т . к . глинистые фракции
почв и пород по сравнению с песчаными обычно содержат больше Fe, Al, Mn, Mg,
K, V, Cr, Ni, Co, Cu и меньше SiO2. Это объясняется тем, что при выветривании
соединения Fe, Al, Mg и К участвуют в образовании глинистые минералы, кото-
рые сорбируют V, Cr, Ni, Co, Cu, Zn и другие элементы. Средний коэффициент
концентрации элементов в глинах относительно песков (Кк) следующий:
Элемент Кк Элемент Кк Элемент
Кк
Со
63
Fe
4,8
Ge
2,0
Ni
34
Zn
6,0
Li
4,4
Cl
18
P
4,1
Ga
1,5
Sr
15
Br
4,0
J
1,3
Hg
13,3
Al
3,2
W
1,1
Sc
13
Ti
3,0
Zr
0,72
As
13
Na
2,9
Hf
0,71
Mo
13
B
2,8
Th
0,7
Se
12
Pb
2,8
Y
0,65
S
10
F
2,7
Ce---Lu 0,66---0,58
U
8,2
K
2,5
Si
0,5
V
6,5
Rb
2,3
Tl
1,7
Эти данные получены на основе сравнения кларков К. Турекьяна и К . Ведополя
для осадочных пород и отражают самые общие закономерности. Так, очень высо-
кие Кк для Со и Ni можно объяснить их преобладанием в ультраосновных и ос-
новных породах, легко поддающихся выветриванию с образованием глин, а также
способностью данных металлов сорбироваться глинами. Высокие Кк для U объяс-
няются его связью с органическим веществом, тяготеющим к глинам, а также
сорбцией. Для Zn, B, Ge, Li, Rb главным фактором, вероятно, является сорбция
глинами; К и А l --- основные элементы глин. Низкий Кк Si связан с аккумуляцией
кварца в песчаной фракции. Естественно, что для конкретных ландшафтов соот-
Рис. 5.1. Разрез дефлюкционного
ореола (по В . В . Поликарпочкину)
1 --- рудное тело, 2 --- вмещающие коренные
горные породы, 3 --- рыхлые образования, 4 ---
дефлюкционный ореол рудного тела.
ношения различны. В песках местами
концентрируются Ti (в виде рутила --- TiO2),
Zr и Hf --- (в цирконе --- ZrSiO4), Sn (SnO2),
Pt, W. Поэтому за счет денудации одного
комплекса коренных пород (
например,
гранитоидов) в результате механической
дифференциации в ландшафтах образуются
отложения различного химического состава.
Механические ореолы рассеяния. При физической дезинтеграции рудных тел
в элювиально-делювиальных и других рыхлых отложениях формируются механи-
ческие ореолы рассеяния, в которых минеральные компоненты руд присутствуют в
виде устойчивых в зоне гипергенеза первичных и вторичных минералов. Как
установили С.С . Воскресенский, Ю.Г. Симонов и другие геоморфологи, в перено-
се твердого материала на склоне большую роль играет
медленное самопроизвольное движение рыхлых масс по типу
дефлюкции (сползания, вязкое или пластичное течение),
солифлюкции (течение переувлажненной массы на мерзлом
основании), крипа (перемещение при совместном действии
силы тяжести и других факторов). Вопрос о способах
образования механических ореолов на склонах приобрел большое практическое
значение. По В.В. Поликарпочкину, Ю.В. Шаркову, Э.Ф . Жбанову, Т.Т. Тайсаеву
и др., нижние части склонов в горно- таежных ландшафтах Южной Сибири часто
перекрыты солифлюкционными и дефлюкционными отложениями, которые пол-
ностью закрывают ореолы (рис. 5.1). На основе более ранних представлений об
элювиально-делювиальном происхождении этих отложений перспективы литохи-
мических поисков в данных условиях считались благоприятными ("открытые
ореолы"). С новых позиций нижние части склонов таким способом опоисковать
нельзя ("закрытые ореолы") и ранее проведенные литохимические съемки непред-
ставительны. Так, в Байкало-Патомском нагорье, где широко распространена
дефлюкция, почти 100% известных месторождений и рудопроявлений расположе-
ны на вершинах водоразделов и в верхних частях склонов, т . е . там, где образуют-
ся открытые ореолы, которые легко обнаружить. В горах Восточного Забайкалья
на северных таежных склонах развиты закрытые ореолы (дефлюкционные и др.), а
на южных, степных --- открытые. В .В. Поликарпочкин разработал математиче-
скую модель образования механического потока рассеяния. Наиболее распростра-
нены потоки рассеяния смешанного типа, в образовании которых участвовали
механическая, физико- химическая и биогенная миграция. В мерзлотных ландшаф-
тах промерзание деятельного слоя приводит к криогенному перемешиванию мате-
риала, "вымораживанию" обломков, образованию пятен- медальонов с мелкозе-
мом, поступающим с глубины первых метров. Поэтому опробование с поверхно-
сти пятен- медальонов дает геохимическую информацию с глубины первых мет-
ров. Это особый вариант поисков --- медальонная съемка. Криогенное перемеши-
вание материала наблюдается и в районах, где многолетняя мерзлота теперь от-
сутствует.
Эоловые процессы. А .П. Лисицын выделил три вида переноса веществ в атмо-
сфере: стратосферный (на высотах 15---60 км частицы могут многократно огибать
земной шар), тропосферный (на высотах до 8---12 км частицы могут мигрировать
на сотни и тысячи км), локальный (миграция на десятки и сотни километров).
Песок, пыль, соли поступают в атмосферу преимущественно за счет развевания
слабозакрепленных песков, глинистых и лессовых пород, солончаков. Часть солей
поступает с акваторий соляных озер и морей. Например, "соляной шторм" 21---22
марта 1933 г . поднял тучи пыли с поверхности высохших соляных озер в Большом
Бассейне США и перенес их через Скалистые горы. Восточнее этих гор соляная
пыль белым слоем осела на равнинах.
В аридных ландшафтах атмосфера нередко содержит много соляных частиц. В
условиях непромывного режима соли, поступившие из атмосферы, постепенно
накапливаются в почвах и грунтах. Так как одновременно происходит и частичное
вымывание солей, то в покровных отложениях и элювиальных почвах возникает
солевая эпигенетическая зональность, отвечающая растворимости солей: кальцит,
гипс, легкорастворимые соли. Данные явления выражены резче на участках древ-
ней суши, где в течение десятков, сотен тысяч и миллионов лет происходила
эоловая аккумуляция. На молодых аллювиальных и прибрежно- морских равнинах
запасы эоловых солей незначительны. Геохимическое значение эоловых процес-
сов в аридных ландшафтах детально изучил Н.Ф. Глазовский.
Эоловой аккумуляцией Э.Ф. Жбанов и Т.Т. Тайсаев объяснили образование
плащей покровных супесей мощностью в несколько метров в горах на юге Буря-
тии. Плащи распространены в условиях расчлененного среднегорного рельефа,
который обычно рассматривается как область развития элювио-делювия, весьма
благоприятного для опробования при поверхностной литохимической съемке.
Эоловые процессы протекали во все геологические периоды, их роль была осо-
бенно велика в ледниковые эпохи с их сухим и холодным климатом, сильными
ветрами, а также в дочетвертичные эпохи с аридным климатом. Пыльные бури
установлены также на Марсе.
При вулканических извержениях в атмосферу поступают многие кубические
километры пепла, состоящего из частиц лавы. Так, в 1883 г . при извержении
вулкана Кракатау в Зондском проливе в атмосферу было выброшено около 18 км3
рыхлого материала. Облако пепла поднялось в стратосферу, пыль и пепел распре-
делились на площади 82 700 км2, мельчайшая пыль достигла Европы. В прошлые
геологические эпохи подобные явления были еще грандиознее, запыление атмо-
сферы, вероятно, оказывало большое влияние на климат, а через него и на био-
генную миграцию (похолодание и др.).
При ударе метеоритов о земную поверхность и образовании астроблем проис-
ходит запыление атмосферы метеоритным веществом. С этим связывают глобаль-
ные аномалии платиноидов в отложениях на границе мела и палеогена и другие
явления (см. гл. 17).
Механические барьеры, зоны выноса. При резком уменьшении интенсивности
механической миграции образуются механические барьеры, на которых концен-
трируются различные минералы. Так, в гольцах Сибири на курумных (глыбистых)
склонах Т.Т. Тайсаевым установлено широкое развитие механической суффозии
--- вымывания и переотложения на механических барьерах тонких частиц (в том
числе Au). Эти закономерности важно учитывать при поисках золота.
В результате удаления легких частиц водой, ветром, льдом происходит относи-
тельное накопление более крупных тяжелых частиц. В.В. Ламакину принадлежит
понятие о перлювии --- остаточных речных отложениях.
С механической дифференциацией связано образование элювиальных, аллюви-
альных, делювиальных, прибрежно- морских, эоловых и ледниковых россыпей
(руды Au, Hg, Sn, W, Zr, Ti и др.).
Механическая денудация. Она характеризуется двумя показателями. Сток --- расход
взвешенных частиц, проходящих через створ реки в год (т. год или чаще 106 т. год-1). Мо-
дуль стока --- сток взвешенных наносов, отнесенный к площади континента, ре-
гиона или речного бассейна. Он измеряется в т . км2 год (т . км-2.год-1).
Глобальная механическая денудация по различным оценкам изменяется в широких преде-
лах. Реки ежегодно поставляют в океан в среднем около 15---16 млрд. т наносов и 3,2---3,5
млрд. т растворенных веществ. Воздушная миграция и вулканическая деятельность обеспе-
чивают поступление соответственно 2,2---6,6 и 2---3 млрд. т твердых частиц. Около 2 млрд. т
дает биогенное осадкообразование. Таким образом, суммарный приток твердого вещества в
океан составляет 20---25 млрд. т в год (Н.И. Алексеевский, А.Е. Михинов).
Интенсивность механической миграции (денудации) связана с зональностью,
она зависит также от геологического строения и рельефа. Основная масса мате-
риала (около 76%) поступает в океан из гумидных экваториальных ландшафтов.
Умеренные гумидные зоны дают 12%, а ледовая и аридная области --- по 6%.
По континентам сток взвешенных наносов уменьшается в ряде (106 т . год-1):
Азия (6433) --- Океания, Австралия, острова Тихого Океана (3062) --- Южная
Америка (1788) --- Сев. и Центр. Америка (1462) --- Африка (530) --- Европа (230)
(Milliman, Meade). Основные резервуары --- Тихий и Атлантический океаны, где
фиксируется соответственно 45,3 и 37,1% общей массы терригенного материала.
Максимальное накопление наблюдается в прибрежной зоне, особенно на устьевых
взморьях рек.
Граница суша--- море, контакт река--- море (океан) представляет собой особую
геохимическую барьерную зону, где происходит не только накопление взвешенных
и влекомых наносов, седиментация тонкого терригенного материала, но и измене-
ние форм миграции многих элементов, изменение отрицательного заряда частиц
на положительный (Е.М . Емельянов, Pravdic и др.). Это особенно относится к
элементам- гидролизатам (V, Sc, Zr, Ga, Tr и др.), которые в речных водах концен-
трируются во взвесях, а в минерализованных морских водах преобладающими
становятся разнообразные подвижные миграционноспособные формы этих эле-
ментов.
Механическая миграция в речных бассейнах . Эта миграция определяется физи-
ко- географическими факторами стокообразования (ландшафтная структура, рель-
еф, состав коренных пород и рыхлых отложений, размер водосбора и степень
хозяйственного использования территории). Влияние этих факторов меняется в
различных ландшафтных зонах. Для малых и крупных рек установлена сходная
тенденция соотношения модулей стока в горах и на равнинах. Естественно, что в
горах механическая денудация значительно выше, чем на равнинах. В аридной и
семиаридной областях особенно сильно она выражена в средиземноморских низ-
ко- и среднегорных ландшафтах, в полупустынях и саваннах, где на ее величину
также влияет интенсивная хозяйственная деятельность. Значение механических
модулей стока в бассейнах рек Кавказа и Средней Азии колеблется от 2500 до
4540 т . км-2. год-1, тогда как средние модули стока для равнинных и горных рек
таежной зоны не превышают 100---250 т . км-2. год-1. Экстремальных значений
они достигают в бассейнах притоков р. Хуанхэ (до 53 500 т . км-2. год-1), где это
вызвано наличием легкоразмываемых лессов, расчлененным рельефом, сведением
растительности и муссонным климатом, обеспечивающим интенсивные летние
осадки (Уоллинг, Уэбб). Среди крупнейших рек по величине стока твердых нано-
сов выделяются Ганг и Брахмапутра (1226.106 т . год), Хуанхэ (1000) и Амазонка
(900). Резко преобладая над всеми реками по объему водного стока (6300 км3),
Амазонка значительно уступает многим горным рекам (Хуанхэ, Магдалене, Ира-
вади, Годавари, Гангу и Брахмапутре, Меконгу) по величине модулей стока.
Основные черты механической миграции, эрозии и стока наносов, их формирования и ди-
намики в речной сети и береговой зоне водоемов обобщены А.П. Дедковым и В.И. Мозжери-
ным, Н.И. Алексеевским и А.Е. Михиновым.
В горах механическая денудация повсеместно превышает химическую (сток
растворенных веществ). Так, их соотношение составляет для Кубани 0,19, Риони
--- 0,10, Амура --- 0,36 и т .д. У равнинных рек лесной зоны это отношение больше
1 (у Онеги --- 5, у Днепра --- 4,25, у Западной Двины --- 4,1).
Отношение среднегодовой минерализации воды к среднегодовой мутности так-
же дает представление о соотношении стока растворенных веществ и механиче-
ской денудации. Для реки Афипс (Западный Кавказ) оно равно 0,5, для Сейма
(Русская равнина) --- 8, Тургая --- 60 (расчеты В.Г. Лопатина). В современную
геологическую эпоху в целом механическая денудация преобладает над стоком
растворенных веществ.
В реках основная масса химических элементов переносится со взвесями. В ис-
тории отдельных элементов механическая миграция играет различную роль. По
А.П. Лисицыну, В.В. Гордееву, В.В. Добровольскому и др., со взвесями перено-
сится свыше 98% массы элементов с очень низкими коэффициентами водной
миграции---Al,Ti,Ga,Th,Sc,Pb;от90до98%Si,Fe,Mn,P,Ba,Zr,Rb,Cr,Co,
Ni;от70до90%K,Cu,Zn,Li,Ag;от50до70%Cd,Mo,As,B,Mg;менее50%во
взвешенной форме переносятся подвижные элементы с высокими коэффициента-
ми водной миграции --- Ca, Na, Sr, Sb, U. Для рек Н.М. Страхов приводит зависи-
мости, показанные на рис. 5.2. Существенные коррективы в эту схему вносят
климат (влажный --- сухой) и литология бассейна (табл. 5.1).
Рис. 5.2. Соотношение механической I и химической II денудации (по Н . М. Страхову, уп-
рощенно). Величина химической денудации показана крестиками, по ним построена усред-
ненная кривая II:
1---Нева,2---Енисей,3---Луга,4---Нарва,5---Днепр,6---Онега,7---Обь,8---ЗападнаяДвина,9---
Колыма, 10 --- Яна, 11 --- Мезень, 12 --- Южный Буг, 13 --- Северная Двина, 14 --- Урал, 15 --- Дон, 16 --- Волга,
17 --- Печора, 18 --- Индигирка, 19 --- Амур, 20 --- Днестр, 21 --- Кума, 22 --- Калаус, 23 --- Сырдарья, 24 ---
Амазонка, 25 --- Ла-Плата, 26 --- Юкон, 27 --- Миссисипи, 28 --- Кубань, 29 --- Кура, 30 --- Амударья, 31 ---
Терек, 32 --- Риони, 33 --- Самур, 34 --- Сулак.
Таблица 5.1.
Механическая денудация (Рм , т/км2) в различных ландшафтах
Историческая геохимия механогенеза . В эпохи низкого стояния материков,
преобладания теплого и влажного климата, например в нижнем карбоне, лейасе,
палеогене, химическая денудация преобладала над механической. Эпохи байкаль-
ского, каледонского, герцинского, киммерийского и альпийского орогенеза в
тектоническом отношении аналогичны современной эпохе, т . е . и тогда механиче-
ская денудация преобладала над химической. В прошлом в связи со слабым разви-
тием растительного покрова на материках (особенно в нижнем палеозое) преобла-
дание механической денудации было выражено еще резче.
Контрольные вопросы
1. От чего зависит величина механической денудации, как она измеряется?
2. Каково геохимическое значение эоловых процессов?
3. Каков геохимический эффект механической дифференциации?
Часть II
Геохимия природных ландшафтов
Глава 6
ГЕОХИМИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ
ПРИРОДНЫХ ЛАНДШАФТОВ
Некоторые принципиальные положения геохимической классификации ландшафтов
были высказаны Б . Б . Полыновым, но систематически эти вопросы стали
разрабатываться с конца 50-х годов А. И . Перельманом и М .А. Глазовской. Ниже
излагаются принципы классификации А . И . Перельмана.
6.1. Общие принципы геохимической классификации ландшафтов
Прерывность (дискретность) и непрерывность. Прерывность (дискретность)
характерна для основных объектов изучения химии и геохимии --- атомов элементов.
Так, элемент может быть или кальцием, или натрием, и никакие промежуточные
формы, переходные между кальцием и натрием, невозможны. Классификация
подобных объектов также имеет дискретный характер, и принцип систематики
адекватен природе объектов. Именно в данной области классификация достигла
наибольших успехов, примером чему служит Периодическая система Д. И .
Менделеева. Однако для химических свойств ландшафтов и их компонентов особенно
характерна непрерывность, когда объекты исследования постепенно через ряд
промежуточных членов сменяют друг друга в пространстве, образуя единый ряд. По
аналогии с геофизическими полями (электрическим, магнитным и др.) говорят и о
геохимическом поле --- земном пространстве с определенными содержаниями
химических элементов и их соединений. Таковы ряды элементарных ландшафтов с
разной степенью заболачивания и засоления, величиной рН вод, их минерализацией,
содержанием Са, Na и других элементов, почвы с содержанием SiO2 , Ca, Mg и т . д .
Представление о параметрах геохимических полей дает их изображение с помощью
изолиний. Для систем с непрерывным распределением элементов использование
дискретных понятий и терминов при классификации, т . е . выделение типов, классов,
видов и т . д., достаточно условно. Лишь крайние члены непрерывного ряда могут быть
отнесены к определенным таксонам классификации. Приходится выделять
промежуточные таксоны, вводить границы, не вытекающие из природы явления. Так,
при классификации вод по минерализации пресными условно считаются воды,
содержащие до 1,0 г ионов на 1 кг воды, солоноватыми --- 1---25 г и т . д . Причина
затруднений связана не с субъективным фактором --- несовершенством
классификации, а с объективной причиной --- природой объектов. Иначе говоря,
принцип классификации, исходящий из существования дискретных единиц, здесь не
адекватен природе классифицируемого объекта, для которого характерно
непрерывное распределение.
Признаки систематические и несистематические, ландшафтный вид и индивид
(илан), районирование. Систематические признаки --- это признаки, общие для
многих ландшафтов. Именно они важны для геохимической и других классификаций.
Изучение индивидуальных (несистематических) признаков не является задачей
систематики. В ботанике, зоологии, минералогии и других науках объекты
исследования также обладают множеством признаков, однако не все они
используются для классификации, т . е . не все имеют систематическое значение. Так,
рост конкретного животного, его вес, габитус, индивидуальные особенности психики
не используются при отнесении животного к тому или иному виду, хотя эти признаки
важны. Установлено и понятие о конкретном ландшафтном индивиде со всеми его
специфическими особенностями. Такой индивид неповторим так же, как неповторимы
индивиды животных, растений, минералов. Ландшафтные индивиды, для которых
автор и Ю. Е . Сает предложили краткий термин "
илан" (индивидуальный
геохимический ландшафт), особенно легко обособляются в условиях эрозионного
рельефа. Так, южнотаежные низкие горы, сложенные гранитоидами, представляют
собой вид геохимического ландшафта, к которому относится множество иланов ---
элементарных бассейнов стока, ограниченных долиной ручья и местными
водоразделами. Помимо иланов существуют и более крупные индивиды --- районы,
округа, провинции, страны и т . д . Одним из критериев их выделения служит
территориальная близость входящих в них ландшафтов друг к другу, в то время как
для систематики ландшафтов подобная близость не имеет значения. К одному району
могут относиться ландшафты, весьма далекие в систематическом отношении, но
расположенные рядом. Напротив, к определенному виду ландшафта часто
принадлежат участки территории, весьма удаленные друг от друга, но близкие в
систематическом отношении. Так, такыры пустынь Монголии, Казахстана и Средней
Азии относятся к одному типу ландшафта, но к различным районам. То же можно
сказать о песчаных пустынях Монголии и Казахстана. Выявление ландшафтных
индивидов какой- либо территории называется ее районированием. Это важная
проблема наук о Земле, в том числе и геохимии ландшафта.
Таксономическое значение признаков. В основе всякой классификации лежат
признаки изучаемых объектов. Поэтому в первую очередь необходимо установить
таксономическое значение отдельных геохимических признаков ландшафта, т . е .
выделить признаки главные и второстепенные, определить, какие из них должны быть
положены в основу выделения крупных таксонов (типов, классов), какие мелких
(родов, видов) и какие вообще не учитываться при классификации. Так как
геохимические особенности ландшафтов определяются миграцией атомов, то
естественно в основу классификации положить особенности миграции.
Принцип подвижных компонентов играет важную роль и при классификации
ландшафтов: таксономическое значение химического элемента зависит от его
содержания в среде, интенсивности миграции и способности к концентрации.
Элементы с высокими кларками, энергично мигрирующие и накапливающиеся, имеют
наибольшее таксономическое значение. Например, Se и S мигрируют с близкой
интенсивностью, но кларк Se очень мал (5.10-6%) и он не имеет или почти не имеет
таксономического значения, в то время как по особенностям миграции S выделяется
особый класс ландшафтов.
Распространенные элементы в зависимости от условий миграции также имеют
разное таксономическое значение. Сера, например, типоморфна в аридных
ландшафтах и не типоморфна в тайге. Железо типоморфно в таежных болотах
("железные ландшафты") и не типоморфно в пустынях.
То минимальное содержание химического элемента в почве, организмах, водах и
т . д ., при котором оно приобретает таксономическое значение, называется
критическим. При этом важно не валовое содержание элемента, а его подвижные
формы. Так, все природные воды содержат кальций, но "кальциевые ландшафты"
возникают только при вполне определенном количестве этого металла.
Распространенные и редкие ландшафты, вымершие ландшафты. К единице
одного и того же таксономического ранга --- типу, классу и т . д. --- относятся и очень
распространенные ландшафты, образующие целые зоны, и относительно редкие,
встречающиеся в немногих районах, но отличающиеся высоким своеобразием. Так, в
типе таежных ландшафтов к одному таксономическому рангу --- классу принадлежат
кислые ландшафты, занимающие большую часть таежной зоны, и редкие сернокислые
ландшафты, развитые на пиритизированных породах и сульфидных рудах. В данном
случае наблюдается аналогия с классификациями растений, минералов, почв и других
естественных объектов, в основу которых кладутся свойства самого объекта, но не
его географическое распространение или
численность. Следовательно,
распространенность ландшафтов не имеет таксономического значения. Главное
внимание, естественно, уделяется широко распространенным типичным ландшафтам,
но надо изучать и редкие ландшафты --- нетипичные, так же, как изучают редкие
минералы, редкие виды растений и животных. Помимо большого теоретического
значения это важно и для практики, так как к числу редких ландшафтов относятся
участки месторождений полезных ископаемых, курорты и другие объекты. В
систематике должны найти место и исчезнувшие (вымершие) ландшафты, которые
были распространены в прошлые геологические периоды (красноцветные ландшафты,
палеофитные и мезофитные, влажные тропики и др.).
Таксономическое значение времени года. В большинстве ландшафтов
интенсивность миграции изменяется по временам года. В классификации следует
учитывать период наиболее интенсивной миграции, так как именно он определяет
геохимический облик ландшафта в целом. Например, в тайге миграция в зимний
период протекает слабо, она во многом аналогична процессам ледяной зоны Арктики
(вода в твердом состоянии и т . д.). Напротив, в безморозный период миграция в тайге
резко отлична от арктических ландшафтов, причем именно она определяет
геохимическое своеобразие тайги. Естественно, что при классификации таежных
ландшафтов следует в первую очередь учитывать летние, а не зимние процессы (хотя
и последние учитывать необходимо). Для субтропических (сероземных) степей
наиболее важен влажный весенний период, когда развивается пышная эфемеровая
растительность и именно этот период кладется в основу классификации. В летний
период эти ландшафты мало чем отличаются от соседних пустынь.
Значение принципа централизации. Таксономическое значение веществ
определяется не только их свойствами, но и положением в пространстве относительно
центра ландшафта. Так, солевые аккумуляции в верхнем горизонте почв оказывают
большее влияние на геохимию ландшафта, чем соли в нижнем горизонте или в коре
выветривания. Карбонатность почв имеет большее таксономическое значение, чем
карбонатность коры выветривания и т . д . Поэтому чем ближе данная составная часть
ландшафта к его центру, тем больше ее влияние на миграцию атомов, тем больше ее
таксономическое значение.
6.2. Классификация элементарных ландшафтов
Наиболее крупными единицами предлагаемой классификации являются ряды
ландшафтов, выделяемые по виду миграции. Это абиогенные, биогенные и
техногенные ландшафты. В этой главе рассмотрена классификация биогенных
ландшафтов, т . е . таких, в которых живое вещество, поглощая и трансформируя
солнечную энергию, обусловливает важнейшие черты миграции химических
элементов. От того, как протекает биологический круговорот (бик), сколько
органического вещества образуется в ландшафте, каков его состав, с какой скоростью
оно разлагается, зависит формирование тундрового, таежного, степного и прочих
ландшафтов. Поэтому особенности бика следует положить в основу геохимической
классификации данного ряда ландшафтов.
По соотношению важнейших параметров бика --- биомассы (Б) и ежегодной
продукции (П) выделяются 5 групп ландшафтов: лесная, степная- луговая- саванновая,
тундровая, пустынная и примитивно- пустынная (см. гл. 3). Группы разделяются на
типы по величине ежегодной продукции живого вещества и значением коэффициента
К (К =lgП/lgБ).
В предыдущих изданиях книги в пределах типов выделялись семейства по
величине ежегодной продукции живого вещества П . Опыт использования этой
классификации показал необходимость выделения между типом и семейством
самостоятельного таксона --- отдела, который также связан с особенностями бика.
Обоснованием для выделения отдела служат результаты физико- географических
исследований о соотношении широтной зональности и секторности ландшафтов. Эти
вопросы получили наглядное отражение на Ландшафтной карте СССР М 1:2 500 000,
изданной под редакцией И .С. Гудилина. Так, в субарктическом поясе выделяются
умеренно
континентальный,
континентальный, резко
континентальный,
приокеанический и океанический секторы. В бореальном поясе выделяются
приокеанический, умеренно
континентальный,
континентальный, резко
континентальный, океанический секторы. Разделяются на секторы и суббореальный, и
субтропический пояса. В соответствии с этой систематикой (в ряде случаев с
небольшими отличиями) выделяются отделы геохимических ландшафтов. Так, в
тундровом типе выделяются отделы умеренноконтинентальных и континентальных
тундр, резкоконтинентальных тундр и приокеанических тундр. Аналогичные отделы
характерны и для таежного и других типов. При выделении отделов кроме
континентальности климата учитывается и возраст ландшафтов, особенности их
истории, существование геохимических реликтов. В пределах отделов по величине П
выделяются семейства ландшафтов, которым в пространстве отвечают подзоны. Как
правило, выделяются три семейства: северное (с наименьшей П), среднее и южное.
Таковы северные, средние и южные тайга, тундра, черноземные степи. Иногда отдел
включает 4 или 2 семейства (в сухих степях). В южном полушарии соотношение
обратное --- северное семейство наиболее продуктивное, южное --- наименее.
Следующий таксон --- класс элементарного ландшафта --- выделяется по
особенностям водной миграции в горизонте А почв, как это было рассмотрено в главе
4. По особенностям миграции, определяемым рельефом, классы расчленяются на
роды. Выделяются три основных рода --- элювиальный (
автономный),
супераквальный и субаквальный, ряд дополнительных родов (см. Введение).
Разделение родов на виды чаще всего связано с горными породами или
формациями. Так, в роде элювиальных северных сухих Са-Nа - степей можно выделить
виды на диабазах, красноцветах, лессе и т . д . Число видов велико. Это в значительной
степени проблема геохимической классификации пород для целей геохимии
ландшафта.
6.3. Классификация геохимических ландшафтов
При классификации геохимических ландшафтов необходимо учитывать характер
геохимического сопряжения между автономными и подчиненными элементарными
ландшафтами. Полное геохимическое сопряжение (
катена) включает в себя
автономный, супераквальный и субаквальный ландшафты, а неполное не содержит
одного из них. Полное сопряжение в условиях однородного геологического строения
без реликтов предшествующей стадии называется основным.
Классификация геохимических ландшафтов с полным и основным геохимическим
сопряжением проводится по особенностям центра ландшафта, так как он определяет
черты миграции в других частях геохимического ландшафта. Отметим, что в основу
физико- географической классификации ландшафтов также кладутся свойства центра
ландшафта и и это находит отражение в их наименовании (степные, пустынные,
таежные и прочие ландшафты).
Если река и ее долина, озеро сопрягаются только с одним автономным
ландшафтом, то их можно считать составной частью данного геохимического
ландшафта. Однако это справедливо только для небольших долин и озерных
котловин. Формирование химического состава большинства рек, текущих по
различным геологическим, а часто и климатическим районам --- явление очень
сложное. Река, ее пойма, дельта, озерная котловина сопряжены не столько с
ландшафтами соседних склонов и водоразделов, сколько с ландшафтами всего
бассейна, расположенного выше по течению реки. Такие ландшафты являются
самостоятельными единицами геохимической классификации, основанной на
векторных (бассейновых) принципах организации территории.
Система таксономических единиц. Как и для элементарных ландшафтов, при
классификации геохимических ландшафтов выделяются восемь таксонов: ряд, группа,
тип, отдел, семейство, класс, род, вид. Если в данном геохимическом ландшафте
встречаются элементарные ландшафты различных рядов, то в основу классификации
кладется высшая форма движения материи (например, горный склон с ледниками и
лесами относится к биогенному ряду, а пустынная долина с оазисом --- к
техногенному ряду).
Число единиц геохимических ландшафтов одного и того же таксономического
ранга значительно больше числа единиц элементарных ландшафтов. Это связано с
различиями в геохимических сопряжениях: один и тот же автономный ландшафт
может сопрягаться с различными автономными и подчиненными ландшафтами. Если
различия между сопряжениями находятся на уровне классов, то следует выделять
новые классы, если на уровне типов --- новые типы и т . д . Так, в семействе средних
черноземных степей основной класс геохимического ландшафта кальциевый, так как
автономный ландшафт там относится к кальциевому классу, а супераквальный --- к
Са-Fe (луговые болота с карбонатным оглеением). Это геохимическое сопряжение
можно изобразить следующим символом: Са | Са --- Fe. К другим классам этого же
семейства относятся сопряжения: Са | Na-OH (черноземная степь с солонцами); Са |
Na-OH | Na-Cl (черноземная степь с солонцами и солончаками).
В пределах классов различия между геохимическими ландшафтами в основном
определяются соотношением между автономными и подчиненными ландшафтами,
интенсивностью водообмена, а это функция рельефа. Поэтому проблема выделения
родов состоит в анализе рельефа как геохимического фактора и геохимической
классификации типов рельефа. Несмотря на огромное разнообразие рельефа, имеются
вполне определенные "квантованные" состояния рельефа, определяющие характер
миграции элементов --- род геохимического ландшафта. Выделяются три основных
рода.
I род --- плоские равнины с замедленным водообменом, слабым эрозионным
расчленением или без него (приморские низменности, аллювиальные равнины и
прочие области тектонических опусканий, вулканические и другие плато).
II род --- поверхностный и подземный сток более энергичен, плоские поверхности
чередуются со склонами. Это эрозионные возвышенности, расчлененные плато и т . д .
III род --- наиболее энергичный водообмен, преобладают склоны, плоских участков
почти нет. Сюда относится и горный, и сильно холмистый рельеф, и бедленд.
Следовательно, для геохимической классификации энергия рельефа не имеет
существенного значения: и альпийский рельеф высокогорий, и бедленд определяют
близкую интенсивность водообмена, один и тот же род ландшафта.
Виды геохимических ландшафтов выделяются на основании тех же критериев, что
и виды элементарных ландшафтов, но большее значение приобретает формационный
подход (виды на флише, красноцветах, гранитоидах, зеленокаменных породах и т . д.).
Номенклатура геохимических ландшафтов. Для крупных таксономических
единиц эта проблема решается использованием типологических терминов --- таежные,
степные, пустынные и прочие типы ландшафтов; северные, средние, южные
семейства; кислые, кальциевые, сернокислые классы; I, II, III роды. При
наименовании видов можно следовать другим наукам о Земле, использовать
географический принцип и местные названия ландшафтов (мурманские, валдайские,
костромские и прочие виды). Некоторые неудобства, неизбежные в начале
пользования такими терминами, легко преодолеваются, и , как показывает опыт
других наук, тот или иной термин начинает ассоциироваться не с конкретной
местностью, а с определенными особенностями ландшафта. Напомним в этой связи о
происхождении таких терминов, как "пермский период", "карст", "альпийские луга",
" среднеземноморский тип климата", и т . д . Теперь никого не удивляют пермские
отложения в Австралии или карстовый рельеф в Сибири.
Удачность или неудачность термина условна, так как важно не буквальное
смысловое значение термина, а то понятие, которое он обозначает. В естественных
науках много "неудачных" терминов, которые тем не менее прекрасно выполняют
свои функции, как это видно на примере "электрона", "выветривания" и многих
других. Главное требование, которому должен отвечать любой термин, состоит в том,
чтобы он обозначал одно понятие, но, к сожалению, это часто нарушается (например,
при использовании таких терминов, как "биосфера", "ландшафт" и многие другие).
Контрольные вопросы
1. Какое значение для геохимии ландшафта имеет философское понятие о
дискретности и непрерывности?
2. Чем отличаются систематические признаки геохимических ландшафтов от
несистематических, ландшафтный вид от ландшафтного индивида?
3. Дайте определение понятию "районирование".
4. Как при классификации учитывается таксономическое значение признаков?
5. Какое место в систематике занимают редкие и вымершие ландшафты?
6. Как при классификации учитывают сезонные изменения ландшафтов?
7. В чем состоит принцип централизации?
8. Охарактеризуйте основные таксоны геохимической классификации
элементарных и геохимических ландшафтов.
Глава 7
ЛЕСНЫЕ ЛАНДШАФТЫ
Эта группа включает десятки типов ландшафтов. Ниже рассмотрены влажные
тропики, ландшафты широколиственных лесов и таежные ландшафты.
7.1. Влажные тропики
Они распространены на всех материках, кроме Европы, но особенно широко в
Южной Америке и Юго- Восточной Азии. Еще шире были распространены влажные
тропические леса в прошлые геологические эпохи, начиная с верхнего девона
(максимально --- в конце триаса и нижней юре).
7.1.1. Биологический круговорот
Обилие тепла и влаги определяет большую ежегодную продукцию живого вещества
П, которая в 2---3 раза больше, чем в широколиственных лесах и тайге, достигая
300---500 ц /га. Огромна скорость роста растений --- бамбук за сутки вырастает на 1 м
(лишайник в тундре за год --- на 10 мм). По биомассе (Б) влажные тропики не очень
сильно отличаются от других лесных ландшафтов, хотя и превосходят их по данному
показателю. По соотношениям Б : П , надземной и подземной, зеленой и незеленой
биомассы и многим другим параметрам влажные тропики также существенно не
отличаются от других влажных лесных ландшафтов. Однако величина К (0,64---0,66) в
них выше, чем в широколиственных лесах и тайге. По В .А. Ковде, зоомасса (главным
образом термиты, муравьи и другие беспозвоночные) здесь составляет около 1% от
биомассы (45 ц/га), что резко отличает влажные тропики от тайги, в которой
накапливается лишь 3,6 ц/га зоомассы (0,01% от биомассы). Для влажных тропиков
характерно обилие видов: если во всей Европе произрастает около 250 видов
деревьев, то на о . Ява --- более 1500, в африканской гилее --- 3000, Амазонии --- 4000.
Видовое разнообразие определило намного большую площадь выявления ландшафтов,
чем в лесах умеренного пояса. Колоссальное количество биологической информации
в тропическом лесу связано не только с благоприятными климатическими условиями,
но и историческими причинами --- эти ландшафты приурочены к областям древней
суши, где эволюция непрерывно продолжается многие миллионы лет, начиная с
палеогена и даже мезозоя.
В тропическом лесу растения максимально используют пространство, все
возможности для поселения и усвоения элементов питания. Отсюда исключительная
густота леса, многочисленные эпифиты. Весьма специфичен и химический состав
флоры. Так, углеводов накапливается больше, чем в умеренном поясе, а белков
меньше. Огромная растительная масса выделяет много фитонцидов, с чем связаны
сильные "
ароматы тропиков". Минеральных веществ растения автономных
ландшафтов содержат мало, зольность прироста колеблется от 2,5 до 5%, но все же
она больше, чем в тайге (1,6---2,5%).
Ежегодно во влажных тропиках отмирает большая масса растений, опад (0)
достигает первых сотен ц /га, т . е . в несколько раз больше, чем в умеренном поясе
(дубравы --- 65, средняя тайга --- 50 ц/га). Разложение органических веществ тоже
протекает быстрее, и в ландшафте практически нет лесной подстилки. Поэтому
опадо- подстилочный коэффициент --- отношение количества подстилки к ежегодному
опаду исключительно мал --- менее 0,1 (в заболоченной тайге и тундре --- более 50).
По этой же причине гумуса накапливается не больше, чем в почвах умеренной
полосы, получающих ежегодно значительно меньше опада. В отличие от лесов
умеренного пояса при разложении растительных остатков К , Са, Si быстро выносятся
и в мортмассе относительно накапливаются железо и марганец. По Н . И. Базилевич,
важнейшие водные мигранты бика --- кремний и кальций, ко второй группе относятся
калий, магний, алюминий, железо, к третьей --- марганец, сера. В листьях
тропических деревьев среди водных мигрантов первое место часто принадлежит
кремнию (у бамбуков до 90% SiO2 в золе), поэтому влажные тропические леса имеют
кремниевый тип химизма бика. Важной особенностью бика является вымывание
дождевыми водами из листьев азота, фосфора, калия, кальция, магния, натрия, хлора,
серы и других элементов.
По М .А. Глазовской, с атмосферными осадками поступает 2---3 ц/га солей. Это в
7---10 раз меньше водных мигрантов, потребляемых растениями, т . е . КА = 0,1---0,15.
Частые грозы обогащают атмосферные осадки азотной кислотой, которая служит
дополнительными источниками питания растений. Если в Ротамстеде (Англия) 1 л
атмосферной воды содержит в среднем 0,42 мг HNO2 , то в тропиках --- 2---3 мг. При
этом надо учитывать и большее количество осадков в тропиках. Надземные части
растений способны поглощать NH3 и оксиды азота, выделяемые надземной
растительностью и поступающие в приземную атмосферу. Под пологом тропического
леса, таким образом, создается почти замкнутый круговорот газообразных
соединений азота.
7.1.2. Систематика
Современные влажные тропики образуют особую кайнофитную ландшафтную
формацию, возникшую в начале верхнего мела в связи с широким распространением
покрытосеменных растений. Ранее были мезофитные влажные тропики с господством
голосеменных растений (верхняя пермь --- нижний мел), а им предшествовали
палеофитные влажные тропики с папортникообразными (верхний девон --- нижняя
пермь). Таким образом, из 3-х формаций влажных тропиков две --- вымершие.
Систематика семейств влажных тропиков пока не разработана, возможно, здесь
применим исторический критерий --- состав и степень разнообразия флоры,
отраженные в особенностях бика. С этих позиций, например, влажные тропики
Южной Америки и Азии следует относить к разным семействам. Чрезвычайно резко
выражены различия на уровне классов, среди которых преобладают кислые (Н +) и
кислые глеевые (Н + --- Fe2+). Менее распространены кальциевые, переходные (Н + ---
Са2+), сернокислые, соленосно- сульфидные и другие классы.
Кислые влажные тропики. Такие ландшафты формируются на бескарбонатных
породах, бедных кальцием. Разложение большой массы органических веществ
обогащает почвенные растворы СО2 и органическими кислотами, причем катионов
для их нейтрализации не хватает. Поэтому растворы имеют кислую реакцию и
энергично выщелачивают из горных пород подвижные соединения на большую
глубину. В первую очередь выносятся Са --- местами его менее 0,1% (при кларке
литосферы около 3%), Nа , Mg, К. Сравнительно быстро выщелачиваются SiО2
силикатов, Sr, Ba, многие редкие элементы, особенно редкие щелочи (Li, Rb, Cs). При
этом почва и кора выветривания относительно обогащаются инертными элементами
--- Fe в форме гидроксидов, Al, входящим в состав гидроксидов или глинистых
минералов, остаточным кварцем и некоторыми инертными редкими элементами --- Ta,
TR и др. Содержание Fe2O3 может достигать 20---30 и более процентов, Al2О3 --- 40---
Ðèñ. 7.1. Профили
ферраллитной коры
выветривания (по М . А .
Глазовской): А --- при
периодическом
воздействии грунтовых
вод, Б --- при хорошем
дренаже:
1 --- красноцветная
окисленная зона гиббсит-
гематит-каолинитового
состава, 2 --- пятнистая
конкреционная, частично
отбеленная зона у верхней
границы толщи,
подверженной воздействию
грунтовых вод, 3 ---
отбеленная каолинитовая
зона более активного
воздействия вод, 4 ---
каолинит-гидрослюдистая
зона, 5 --- коренные породы.
50% (против 6---15 и 15---20% в исходных породах). Богатство почв и коры
выветривания гидроксидами Fe придает им красную, оранжевую, желтую окраску.
Минералогически это разные формы гидрогетита (HFeO2 .H2O) и гидрогематита
(Fe2O3 .H2O). При выветривании резко возрастает также количество химически
связанной воды, входящей в состав минералов.
Минеральный состав почв и коры выветривания однообразен и в общем слабо
зависит от типа пород. Для всех кор характерны гидроксиды Fe, глинистые минералы
(каолинит, галлуазит и др.), для некоторых --- гидроксиды Al, кварц. Глинистые
минералы, гидроксиды железа и алюминия находятся в коллоидном или
метаколлоидном состоянии. Несмотря на это, способность поглощать катионы у почв
и кор выветривания невелика, так как каолинит обладает низкой емкостью
поглощения. Среди обменных катионов преобладают Al3+ и H+ , количество двух- и
одновалентных катионов ничтожно. Положительно заряженные гидроксиды Fe и Al
способны поглощать анионы. Это определяет существование во влажных тропиках
двух разновидностей сорбционных барьеров G2: 1) анионофильной, в которой
положительно заряженные коллоиды гидроксидов Fe и Al сорбируют Сl-, SO4 2-, PO4 3-,
AsO4 3-,VO4 3-, MoO4 2- и т . д .; 2) катионофильной, в которой отрицательно заряженные
коллоиды гумуса и глинистых минералов сорбируют К + , Rb+ , Cs+ , Ca2+, Mg2+ и т . д .
(менее эффективный барьер). Нередко наблюдаются совмещенные барьеры, так как
продукты выветривания содержат и глинистые минералы, и гидроксиды Fe и Al.
Формирование выщелоченных тропических почв и кор выветривания происходит
не только в результате физико- химических реакций разрушения силикатов и других
минералов, в этом процессе принимают участие и микроорганизмы. Еще в 1903 г . Г .
Холланд высказал гипотезу о бактериальном происхождении коры, рассматривая ее
как своеобразную "тропическую болезнь", которой подвержены горные породы.
Хотя во влажных тропиках и происходит интенсивный вынос подвижных
соединений, особенно катионов, полный их вынос не достигается, так как ему
противодействует биологический захват --- биогеохимический барьер. Все же
суммарный эффект обоих процессов резко сдвинут в сторону выноса, и кислое
выщелачивание --- характерная черта данного класса ландшафтов.
Растения влажных тропиков потребляют за год почти в 5 раз больше химических
элементов, чем их выносится с ионным стоком (КВ = 4---
4,5). Следовательно, значительная часть подвижных
элементов постоянно "
вращается" в бике, что и
предохраняет их от выщелачивания, а организмы --- от
абсолютного минерального голодания: в условиях
интенсивного выщелачивания единственная форма
нахождения многих химических элементов, надежно
защищающая их от выноса, --- нахождение в живом
веществе. Это важная геохимическая особенность кислых
влажных тропиков, резко отличающая их от ландшафтов
умеренного пояса.
В отличие от катионогенных элементов, которые почти
не задерживаются коллоидами, анионогенные элементы
легко
сорбируются
положительно
заряженными
гидроксидами Fe и Al. В этой связи в почвах повышено
содержание Сl- и SО4 2- (особенно в приморских районах),
труднорастворимых фосфатов Fe и Al. Вероятно
уменьшение миграционной способности Mo (MoO4 2), V
(VO4 3-), As (AsO4 3-) и других анионогенных элементов.
Следовательно,
в
кислых
влажных
тропиках
катионогенные
элементы
мигрируют
энергичнее
анионогенных (конечно, при сравнении ионов близких
зарядов и радиусов --- Na+ и Cl-, Са2+ и SО42- и т.д.).
Элювиальные почвы влажных тропиков М .А. Глазовская отнесла к семейству
фульвоферраллитов, включая в них фульватно- каолинитовые, ферраллитовые,
аллитные и феррисиаллитно- аллитные почвы. В литературе эти почвы именуются
также оксисолями, латосолями, хромосолями, латеритными, красноземными и др. По
сравнению с корой выветривания почвы имеют более кислую реакцию, их рН может
понижаться до 3---3,5 (в коре 5---8). В почвах много растворимых фульвокислот, с
которыми мигрируют Fe и Al, поэтому горизонт А обеднен этими металлами.
Формирование почв и коры выветривания зависит от состава пород и
интенсивности водообмена. В условиях сильно расчлененного горного или
холмистого рельефа в коре выветривания преобладает окислительная среда и красная
(желтая) окраска. В нижних горизонтах коры происходит энергичное выветривание
минералов, в воды из разрушающейся кристаллической решетки первичных силикатов
поступают щелочные и щелочно- земельные катионы, создается нейтральная или
слабощелочная среда, выветривание протекает по гидрослюдистому типу, образуется
зона гидрослюд. В верхних горизонтах коры и в почвах в условиях кислой среды
синтезируется каолинит и вверх по разрезу нейтральная гидрослюдистая зона
сменяется кислой каолинитовой (каолинит + гидроксиды Fe). По верхнему горизонту
подобная кора выветривания получила наименование каолиновой. Она развита
преимущественно на кислых и средних породах --- гранитоидах, диоритах и близких к
ним по составу осадочных и метаморфических породах --- сланцах, песчаниках и т . д.
На основных, богатых Са и Mg породах, например, на базальтах, коры выветривания
также относятся к кислому типу и сильно выщелочены. Кроме гидроксидов Fe в них
накапливаются и гидроксиды Al --- минерал гиббсит --- Al (ОН)3 . В некоторых
горизонтах глинистые минералы практически отсутствуют. Такие существенно
гидроксидные породы получили наименование аллитов. Н .А. Лисицына, изучая коры
выветривания основных пород в различных районах тропиков, установила, что в
профиле "вьетнамского типа" верхняя гиббсит- каолинитовая зона книзу сменяется
каолинитовой (метагаллуазитовой). В профиле "
гвинейского типа" аллиты книзу
сменяются аллитами с примесью каолинита. Во всех случаях и на кислых, и на
основных породах кора выветривания имеет единую щелочно- кислотную зональность:
кислая реакция в верхней части профиля сменяется нейтральной или даже
слабощелочной в нижней. На основе "метода абсолютных масс" и учета объемных
масс Н .А. Лисицына установила следующие ряды подвижности элементов при
тропическом выветривании основных пород:
1. Легкоподвижные: а) выщелачивание более 85% первоначального количества
элементов --- Na, Ca, Mg; б) выщелачивание 70---90% --- Mn, P, Co.
2. Подвижные: выщелочено от 50 до 80% --- Si, Ni, Zn, Pb, Cu.
3. Малоподвижные: выщелочено 30---50% --- Cr, V.
4. Устойчивые: выщелочено от 0 до 30% --- Al, Fe, Ti, Ga, Zr.
Иной профиль коры выветривания на плоских равнинах, слаборасчлененных
пенепленах и в прочих условиях затрудненного водообмена. Здесь воды
Рис. 7.2. Образование ферраллитных почв (по Мору и Ван Барену с дополнениями и
изменениями)
1 --- молодая ферраллитная почва; 2 --- охристая ферраллитная почва; 3 --- красная ферраллитная почва;
4 --- красная ферраллитная лессивированная почва; 5 --- ферраллитный панцирь (геохимический барьер
А6). Стрелка (1) --- указывает на вынос SiO2; стрелка (2) --- на вынос Fe2O3 и Al2O3; стрелка (3) --- на
подтягивание FeO.
Рис. 7.3. Два случая (по Оберу и Мэньену) образования
панцирей при боковом подтоке воды. Стрелками показано
направление движения закисного железа. По
терминологии авторов --- геохимический барьер А6.
просачиваются медленно, и в нижней части коры возможно развитие оглеения. В
итоге возникает характерная окислительно- восстановительная зональность:
окислительная зона красного цвета (почва + верхние горизонты коры выветривания)
сменяется книзу глеевой зоной белого или пестрого цвета. Там происходит неосинтез
каолинита за счет SiО2 , принесенного сверху. Fe из глеевой зоны выносится вниз или
вбок, но не исключена и диффузионная миграция вверх с осаждением на кислородном
барьере А6 на границе с окислительной зоной. Поэтому в профиле коры выветривания
возможно перераспределение Fe и его частичная концентрация в отдельных
горизонтах (рис. 7.1; рис. 7.2).
Щелочно- кислотная зональность совпадает или не совпадает с окислительно-
восстановительной. Так, глеевая зона может совпадать с гидрослюдистой, и
последняя в связи с этим приобретает белесую окраску, но
наблюдаются и другие соотношения.
Геохимия грунтовых вод связана с просачиванием больших масс атмосферных
осадков через почву и кору выветривания, которые почти не содержат
легкорастворимых веществ. Содержание Ca, Mg, Na, K чрезвычайно мало, воды
ультрапресные (менее 100 мг/л) гидрокарбонатные или кремнеземные. Грунтовые
воды часто относятся к глеевому классу, они обогащены Fe, Mn, мигрирующими в
форме бикарбонатов или органических комплексов. В местах выхода таких вод на
поверхность или их встречи с кислородными водами возникает кислородный
геохимический барьер А6, на котором осаждаются гидроксиды Fe в виде бурых
железняков, слоев железистых конкреций, песчаников с железистым цементом и т . д .
(рис. 7.3). По Ф . В . Чухрову и др., при быстром окислении глеевых вод образуется
минерал эфемер ферригидрит (2,5Fe2О3 .4,5 Н 2 О), по кристаллической структуре
сходный с гематитом. В этих процессах принимают участие железобактерии. В
дальнейшем ферригидрит может превратиться в гематит или в гетит (a FeООН). При
медленном окислении на барьере А6 сразу образуется гетит. Согласно В . М .
Фридланду, во Вьетнаме подобные образования распространены в нижних частях
склонов холмов. В свежем состоянии железистые породы обычно мягкие, но при
высыхании становятся твердыми, как кирпич, что позволяет использовать их в
строительстве. Г . Бьюкенен (Buchanan) в 1807 г . описал такие породы в Индии и
назвал их латеритом, имея в виду строительные качества (later --- лат. кирпич). В
дальнейшем термин "латерит" стали использовать в ином смысле, придавая ему
генетическое содержание. В частности, латеритом стали называть почвы и коры
выветривания, обогащенные гидроксидами Fe и Al. Однако не исключалось и старое
употребление термина, а также отнесение к латеритам железистых аккумуляций,
связанных с грунтовыми водами. При понижении базиса эрозии такие латериты
оказываются на плоских возвышенностях (например, на останцах террас). Если
верхний рыхлый покров удален эрозией, то на поверхности образуется плотная
железистая кора --- кираса (рис. 7.4). Вследствие этого возникла путаница в понятиях
и терминологии, создались значительные трудности в изучении литературы. По
Д. Прескотту и Р . Пендльтону, в большинстве случаев латерит образуется в связи с
деятельностью грунтовых вод. Они вполне обоснованно предложили оставить за
термином "латерит" его первоначальное содержание, т . е . считать латерит особым
грунтом.
По С.Л. Шварцеву,
в Гвинее
минерализация грунтовых вод в районах
развития
железистых
латеритов,
нефелиновых сиенитов,
кварцевых
песчаников и гранито- гнейсов в среднем
64 мг/л (минимум 20,9), рН вод не
превышает 6,0, часто менее 5,0, т . е .
воды кислые (средний рН --- 5,4). Для
Кот-Д- Ивуар даже отмечен рН --- 3,5.
Рис. 7.4. Схема формирования кирасы и форм
рельефа при понижении базиса эрозии (по
Мэньену).
Среди анионов в водах Гвинеи преобладает НСО3 - (в среднем 31,3 мг/л), меньше Сl-
(19,7) и SiО2 (3,7 мг/л). Сульфат- иона совсем мало --- 0,27. Среди катионов
преобладает Na (Na + K = 7,9). Относительно высокое содержание Сl- и Na+ ,
вероятно, связано с привносом их морскими ветрами. В водах некоторых ручьев
содержание Сl- падает до 0,Na+ --- до 1,9 мг/л . Среднее содержание других металлов в
грунтовых водах следующее (в 10-6 г/л): Cu --- 1,26; Zn --- 29,9; Ag --- 0,1; Ni --- 1,4;
Ba---6,8;Mo---2,7;Ti---2,5;Mn---1,8.
В нижних частях склонов, речных долинах и озерных котловинах, где грунтовые
воды залегают близко от поверхности, формируются лесные болота с кислым
оглеением (Н -Fe --- класс) и низким рН (менее 4, до 2). На щелочных барьерах D6
здесь концентрируется сидерит (FeCO3 ), вивианит (Fe3(PO4)2 .8 H2O), родохрозит
(MnСО3). В районах развития кислых пород возможен синтез каолинита. Для
заболоченных супераквальных ландшафтов характерны грунтово- водные подзолы с
мощными белесыми (оглеенными) органо- железистыми горизонтами.
Хотя при оглеении переходят в подвижное состояние Fe и Mn, миграция этих
металлов не одинакова, Mn более подвижен, его восстановление возможно еще в
окислительной зоне, там, где Fe находится в трехвалентной форме. Такая обстановка
именуется слабоокислительной. В коре выветривания слабоокислительная зона (с
подвижным Mn и неподвижным Fe) залегает над глеевой зоной. Возможно, что
слабоокислительная зона характерна и для почв, и для неоглеенной красной коры. На
кислородном барьере А6 осаждения Mn часто не происходит, и многие латериты
обеднены этим металлом (Mn осаждается только в резкоокислительных условиях как
вместе с Fe, так и самостоятельно).
Механическая денудация во влажных
тропиках
интенсивна, особенно в
холмистых и горных районах. По С. С.
Воскресенскому, на склонах вероятна
тропическая солифлюкция, многие авторы
отмечают и энергичный внутрипочвенный
боковой
сток.
Поэтому
для
континентальных
отложений здесь
характерен
неосинтез
глинистых
минералов, образующихся в результате
взаимодействия продуктов механической
денудации --- гидроксидов Fe и Al с
растворенным кремнеземом, привнесенным
почвенными и грунтовыми водами. Аллитные и ферраллитные элювиальные почвы и
коры выветривания часто сопрягаются с каолинитовыми континентальными
отложениями --- продуктами переотложения и дифференциации вещества почв и кор
выветривания. Меньшую роль играет аутигенное осадкообразование в водоемах. Все
эти отложения относятся к кислому или кислому глеевому классу, среди них
преобладают каолинитовые глины, кварцевые пески, бокситы, ожелезненные породы.
Такой комплекс иногда объединяют в сидеролитовую формацию (Ж . Милло). Илы
озер содержат местами сидерит (FeСО3), хлориты, в них, как и в супераквальных
ландшафтах, преобладает глеевая обстановка.
Реки и озера влажных тропиков также характеризуются слабоминерализованными
водами, в которых среди растворенных минеральных веществ видное место занимает
кремнекислота (воды часто относятся к гидрокарбонатно- кремнеземному классу).
Геохимические особенности кислых влажных тропиков накладывают резкий
отпечаток на флору, фауну, сельское хозяйство, здоровье человека. В течение
длительной эволюции растения приспособились к низкому содержанию катионов в
окружающей среде, в частности Са, стали "
кальциефобами" (например, чай) и
довольствуются ничтожным количеством этого элемента, избегая почвы, богатые
известью. Большинство культурных растений влажных тропиков испытывают дефицит
P,N,K,Ca,Mg,B,S,Mn,Zn,Fe,J,Br.
Организмы надводных и подводных ландшафтов особенно обильно снабжаются
растворимой кремнекислотой, вынесенной из элювия водоразделов. Поэтому,
например, в узлах полых стволов бамбука содержится опал (SiO2 .n H2O), в озерах
пышно развиваются диатомовые водоросли с кремнеземным скелетом. Особенно
следует отметить поглощение растительностью Аl, содержание которого в золе
многих растений превышает 10%. Al постоянно поступает в верхние горизонты почвы
за счет разложения растительного опада. Сравнительно высокая миграционная
способность Аl и , в частности, его значительное поглощение растительностью также
являются геохимической особенностью кислых тропиков.
Хотя растения влажных тропиков и содержат много Fe, этот элемент плохо
усваивается человеческим организмом из растительной пищи. Основным источником
Fe, как указывал Жозуэ де Кастро, является мясо, которого население тропиков
потребляет мало. Поэтому широко распространено малокровие, вызванное
недостатком Fe в пище. Недостаток Са сказывается, по- видимому, на росте животных.
Так, окапи в экваториальной Африке имеет рост 1,5---2 м , а родственные ему жирафы
саванн (много Са!) --- около 6 м . Гиппопотам тропических лесов имеет 1,5 м в длину,
а гиппопотам саванн --- 4 м . Малые размеры характерны и для шимпанзе, кур, собак и
других домашних и диких животных кислых экваториальных лесов. Таким образом,
животные в кислых ландшафтах приспосабливаются к дефициту элементов
уменьшением размеров. Вместе с тем заболевания, обусловленные дефицитом Са
(рахит), встречаются редко, так как яркое солнце благоприятствует образованию
витамина D, который закрепляет Са и Р в организме. Содержание Na в водах и
продуктах питания местами настолько мало, что население испытывает в нем острый
недостаток. В тропиках человек выделяет до 12 л пота в день, и падение содержания
Na в крови (при сильном потении) вызывает истощение нервной системы, снижение
трудоспособности (быстрая утомляемость при физической работе). Особенно бедны
Na ландшафты, удаленные от моря, в них высоко ценится поваренная соль (например,
у пигмеев Экваториальной Африки).В кислом классе выделяются все три рода
ландшафта.
Роль горных пород в формировании ландшафтов во влажных тропиках в общем
меньше, чем в умеренных зонах: и на гранитах, и на базальтах, и на песчаниках, и
даже на известняках образуется сильнокислый глинистый элювий красного цвета,
содержащий очень мало катионов. Все же по составу пород можно выделить
несколько видов ландшафтов.
Особый вид характерен для ландшафтов на ультраосновных породах, обогащенных
Fe, Mg, Ni, Cr, Co (перидотиты, змеевики и т . д .). Кора выветривания здесь особенно
богата Fe, что позволяет ее эксплуатировать в качестве железной руды, которая
нередко содержит также Cr и Со (Куба, Гвинея, Филиппины). Ni частично входит в
состав гидроксидов Fe, однако основная масса этого металла выносится из верхних
горизонтов коры вместе с SiО2 и накапливается в нижних слоях в форме различных
силикатов. Так образуются силикатные руды Ni, имеющие большое промышленное
значение (на о . Новая Каледония, Кубе, на Южном Урале, где они связаны с древними
процессами выветривания). Вблизи массивов ультраосновных пород Ni
концентрируется и в озерных осадках. Известны подобные руды Ni, образовавшиеся в
прошлые геологические эпохи. В связи с бедностью пород питательными для
растений веществами ландшафты на ультраосновных породах малопродуктивны.
Фоновые содержания хрома и никеля в почвах здесь составляют 15---25 КК.
Растения существуют в условиях избытка этих элементов и накапливают их по
сравнению с кларками растений континентов. По М . Больо, в растениях на
ультрабазитах Северо- Восточной Кубы коэффициенты концентрации относительно
кларков растений (по В . В . Добровольскому) имеют вид (цифры --- КК): Ni18 Cr13 Ti9
Cо 3 ... В районах с хром- никелевой рудной минерализацией эти коэффициенты выше
еще в 1,5---2 раза. Особенно высокие содержания хрома и никеля установлены в
эндемичных для Северо- Восточной Кубы видах растений.
На сиенитах образуется другой вид геохимического ландшафта, в котором
накапливается Аl в виде гидроксидов (элювиальные бокситы --- богатые алюминиевые
руды Гвинеи, Гайаны).
Так как щелочные породы нередко содержат повышенные количества редких
земель, обладающих низким коэффициентом водной миграции, то при выветривании
этих пород происходит накопление в коре выветривания Се, Lа и других элементов их
группы.
Очень своеобразны геохимические ландшафты на кварцевых песках --- паданги.
Почвы здесь особенно бедны питательными веществами, растительный покров
флористически беден, бик протекает менее интенсивно, биомасса понижена, почва
сильно оглеена и оподзолена (тропические глеевые подзолы). Это ландшафты резкого
минерального голодания. Паданги известны на о - вах Калимантан, Суматра, п - ове
Малакка, в Таиланде, где для них характерны хвойные деревья или заросли
кустарников. Некоторые паданги напоминают верещатники Европы. В геохимическом
отношении они имеют сходство с полесскими ландшафтами таежного типа.
Главные геохимические особенности кислых влажных тропиков. В первую очередь
это огромная ежегодная продукция растительности П , что определяет и
максимальную самоорганизацию и саморегулирование, устойчивость. Этому же
способствуют большая биомасса Б и видовое разнообразие. Однако представление об
исключительной благоприятности влажных тропиков для жизни ("круглый год лето")
не точен. Кислое выщелачивание определяет минеральное голодание растений и
животных. Дефицит биоэлементов водных мигрантов --- другая характерная
особенность большинства ландшафтов. Именно поэтому наиболее интенсивный бик
характерен для ландшафтов, относительно богатых подвижными водными мигрантами
--- долин и дельт рек.
Высокая скорость бика определяет наряду с образованием ежегодно огромного
количества живого вещества (П) и быструю минерализацию остатков организмов.
Разложение большой их массы насыщает воды чрезвычайно активными химическими
соединениями (СО2 , органические кислоты), т . е . обогащает воды свободной энергией.
Это определяет исключительную неравновесность физико- химических систем
влажных тропиков, присутствие в воде веществ с противоположными свойствами
(свободный О2 и органические соединения и т . д .). Воды обладают грандиозной
разрушительной силой, которой не может противостоять ни одна горная порода,
почти ни один минерал. Все они разлагаются с образованием различных вторичных
соединений. Интенсивная водная миграция, богатство вод свободной энергией (их
агрессивность) определяют совершенный характер геохимического сопряжения,
преобладание прямых нисходящих водных связей в ландшафте (выщелачивание).
Обратные водные и биокосные связи выражены сравнительно слабо, и их роль в
самоорганизации невелика. Чрезвычайно распространены обратные биотические связи
--- между растениями, животными, микроорганизмами. Огромное количество видов
организмов, их сложные взаимоотношения способствуют исключительной
устойчивости ландшафта, его высокой самоорганизации. Резко выражена во влажных
тропиках и централизация --- ведущее геохимическое значение биоценоза и почв
автономного ландшафта. Важнейшая особенность водной миграции заключается в
слабой минерализации вод и кислом выщелачивании подвижных элементов, особенно
металлов, чем и вызывается дефицит большой группы элементов. Геохимическая
формула для автономного ландшафта имеет следующий вид:
N,P,K,Ca,Na,(Cu,Mo,Zn,Co,J,S)?
?
Для многих подчиненных ландшафтов характерна аналогичная формула, и только
для болотных ландшафтов типоморфным элементом, кроме Н + , является Fe2+.
Органические кислоты легко образуют комплексы с металлами, в связи с чем
особенности ионов (радиус, заряд и т . д .) почти не влияют на интенсивность
миграции: различные в химическом отношении элементы мигрируют с близкой
интенсивностью, зависящей от скорости миграции органических веществ и скорости
разрушения минералов. Переработка горных пород кислыми водами (
кислое
выщелачивание) нивелирует первоначальное различие в составе пород, придавая
кислым почвам и корам выветривания черты однообразия, монотонности,
минералогической бедности. Это же относится и к водам тропиков. Следовательно, во
влажных тропиках количество биологической информации велико, а неорганической
--- мало.
Главные физико- химические барьеры кислых влажных тропиков --- кислородный
(А6), сорбционный (G2, G6) и глеевый (С2 , С6). Для всех элементарных ландшафтов
характерно высокое содержание Fe в почвах и коре выветривания как за счет
остаточного накопления (в результате выноса более подвижных элементов), так и за
счет его концентрации на кислородных барьерах.
Изобилие тепла, света, влаги создает предпосылки огромной продуктивности
растениеводства и животноводства во влажных тропиках. Вместе с тем интенсивный
бик обуславливает кислое выщелачивание почв, их исключительную бедность
элементами минерального питания. Минеральное голодание характерно как для
растений, так и для животных. Поэтому химизация сельского хозяйства во влажных
тропиках не менее актуальна, чем в умеренном поясе. Земледелие нуждается в
применении N, P, K удобрений, местами Mg, Са и микроудобрений. Огромное
значение имеет также совместное внесение минеральных и органических удобрений.
Эффективна и химизация животноводства. В пище населения непропорционально
большое место занимают углеводы, наблюдается острый дефицит белков --- "белковое
голодание". Распространено в тропиках и минеральное голодание. Поэтому медико-
геохимические исследования в кислых влажных тропиках очень актуальны. Хотя
самоорганизация и саморегулирование в ландшафтах характеризуются высоким
уровнем, все же хозяйственная деятельность приводит ко многим нежелательным
последствиям и , в частности, к эрозии почв, лишающей их верхнего плодородного
горизонта. В целом экологические аспекты геохимии влажных тропиков и
разнообразны, и актуальны.
Влажные тропики кислого глеевого (Н + --- Fe2+) класса --- лесные кислые
болота --- лапаки. Лесные болота, занимающие подчиненное положение (нижние
части склонов, долины рек и т . д .), охарактеризованы в предыдущем разделе. Здесь же
речь идет о болотах, занимающих огромные пространства, часто и автономные, и
подчиненные позиции. Ландшафты данного класса занимают большие пространства
на аккумулятивных равнинах Амазонии, бассейна Конго, п - ова Малакка, о - вах
Калимантан, Суматра, Новая Гвинея. В Амазонии подобные ландшафты называют
" игапо", на п - ове Малакка --- "лапак". Последний термин можно использовать для
наименования класса. Типоморфные ионы лапака --- Н + и Fe2+ (кислые воды,
обогащенные Fe). Геохимическая формула следующая:
O,N,P,K,Ca
H2O
Лапаки --- это ландшафты со значительно меньшим разнообразием растительности
и меньшей биологической продуктивностью, чем кислые влажные тропики. Для них
характерен резкий недостаток кислорода в почве, накопление черных гумусовых
веществ и сильно кислая реакция вод. Под гумусовым горизонтом, мощность
которого не превышает, как правило, 1 м , интенсивно протекает оглеение. Местами
развиваются тропические торфяники мощностью в несколько метров (например, на
восточном побережье Суматры). "Черные тропические реки", связанные с такими
болотами, содержат особенно много органических веществ.
Влажные тропики сернокислого класса (Н + --- SО4 2-). Существуют две основные
обстановки формирования данного класса ландшафтов: 1) рудные поля сульфидных
месторождений, где ландшафт обогащен Pb, Zn, Ag, Cu, As, Sb, Hg и другими
халькофильными элементами и 2) участки распространения сильно пиритизированных
глин и сланцев.
При окислении сульфидных руд образуется серная кислота, растворы становятся
сильно кислыми (рН < 3, часто 1---2), в них легко мигрируют Zn, Fe, Cu и другие
металлы, образующие легкорастворимые сульфаты. В результате с поверхности руды
сильно обедняются, теряют Cu, Zn и другие металлы. Сульфаты Fe, напротив,
мигрируют на небольшие расстояния, легко гидролизуются, образуя гидроксиды,
накапливающиеся в верхней части коры выветривания в виде бурой массы ---
" железной шляпы". Так как ведущим химическим процессом является окисление
сульфидов, данная форма коры выветривания получила наименование зоны окисления
сульфидных месторождений.
Наряду с окислением сульфидных руд происходит их частичный размыв
поверхностными водами. Делювий, аллювий и другие континентальные отложения
обогащаются металлами, которые легко адсорбируются глинистыми частицами. Воды
источников в таких ландшафтах имеют аномально кислую реакцию, содержат
повышенное количество тяжелых металлов и SО4 2-
. Воды ручьев и небольших рек
также обогащаются данными компонентами. Растительный покров и животный мир
сернокислых ландшафтов отмечены геохимическим своеобразием: растения обычно
содержат повышенные количества металлов.
Геохимические ландшафты этого класса встречаются во многих районах влажных
тропиков, но не занимают больших площадей. Изучены они односторонне: хорошо
известны геохимические особенности зоны окисления и значительно слабее геохимия
растений, животных, почв. В условиях влажного и жаркого климата окисление
сульфидов протекает быстро и на большую глубину, образуются мощные (местами
более 100 м), глубоко выщелоченные зоны окисления, часто почти лишенные
металлов. Интенсивно мигрируют даже некоторые инертные элементы (например,
выходы вольфрамовых руд местами выщелочены от вольфрама).
Геохимические особенности данного класса ландшафтов сильно зависят от стадии
его развития. Для первого этапа, когда окисление сульфидов только начинается,
характерно широкое развитие сернокислой среды, резкое обогащение почв и вод
тяжелыми металлами. По мере развития окисления и выщелачивания кислотность вод
понижается, содержание металлов в них падает, ландшафт переходит в кислый класс.
Геохимически сернокислые ландшафты резко отличаются от других ландшафтов
влажных тропиков. Вероятно, они были важными центрами видообразования ---
отбора на химической основе. Велико значение ландшафтно- геохимических
исследований данного класса ландшафтов для разработки геохимических методов
поисков рудных месторождений и решения экологических задач.
В России сильно выщелоченные зоны окисления встречаются на Алтае, Урале и в
других рудных районах. Они формировались в прошлые геологические эпохи,
отличавшиеся влажным и жарким климатом.
Влажные тропики кальциевого (Са+) и переходного (Н + --- Са+) классов
(маргалитные ландшафты). В районах распространения мергелей, известковистых
песчаников, мергелистых известняков, вулканических туфов и других
легковыветривающихся пород с подвижным Са формируются своеобразные
маргалитные ландшафты. Если скорость выветривания соизмерима со скоростью
выщелачивания, кислые органические вещества почв нейтрализуются, и хотя почвы и
кора выветривания сильно выветрелы, реакция их нейтральная. Они содержат
монтмориллонит (а не каолинит) и обладают значительной емкостью поглощения.
Поглощающий комплекс насыщен Са и Mg, почвы окрашены в темный, иногда черный
цвет. Биологическая продуктивность маргалитных ландшафтов высокая, особенно у
подчиненных ландшафтов.
Сходные ландшафты формируются и в дельтах некоторых рек, а также в районах
современного вулканизма, где почвы при очередном извержении вулканов
обогащаются подвижными элементами за счет вулканических пеплов. Это районы с
высоким плодородием почв, развитым сельским хозяйством, высокой плотностью
населения (дельта Меконга, вулканические ландшафты о . Ява и т . д.). Именно
маргалитные и близкие к ним ландшафты сыграли большую роль в истории
цивилизации влажных тропиков, формировании в древности государств на их
территории.
Влажные тропики соленосно- сульфидного класса --- мангры (Na+ --- SO4 2-
---
H 2S). Приморские солоноватоводные лесные болота --- мангры, распространены в
дельтах рек, прибрежных лагунах, вдоль низменных побережий Южной Америки,
Африки, Индостана, Индокитая, Индонезии. Геохимическая характеристика мангров
дана М .А. Глазовской и В . В . Добровольским.
Мангры затопляются или подпитываются морской водой. Разложение растительных
остатков происходит здесь в среде, быстро теряющей свободный кислород. В
результате развивается десульфуризация (за счет сульфатов морской воды), в илах
появляется Н 2S, избыток которого насыщает воду и выделяется в атмосферу. Fe3+
красноземных илов, принесенных реками в виде мути, восстанавливается до Fe2+,
которое, реагируя с Н 2S, образует марказит (FeS2 ). Поэтому илистая почва мангров
имеет черную окраску не только за счет гумуса, но и за счет сульфидов Fe.
Дефицит кислорода --- основная причина низкой биологической продуктивности
мангров. Биомасса здесь составляет около 1300 ц/га, П --- 100 ц/га, но такой же, как в
других классах влажных тропиков --- 0,64. Число видов намного меньше, чем в гилее,
высота деревьев ниже (не более 30, часто ниже 10 м). Самоорганизация и
саморегулирование также ниже, чем во влажных тропиках других классов.
Воды суши, питающие мангры, богаты SiО2 , в илах и почвах накапливаются опал и
халцедон. Это определяет массовое развитие диатомовых водорослей. В золе деревьев
много кремнезема: корни и стволы часто окремнены. При взаимодействии морских
вод, богатых Nа , с кремнеземом образуется Na2 SiO3 , который накапливается в илах и
почвах. На повышенных участках формируются особые кремне- натриевые солончаки.
В геохимическом отношении мангры во многом противоположны другим
ландшафтам влажных тропиков. Это ландшафты, богатые катионами, поступающими
из морской воды (Mg, Na и др.). Характерно высокое содержание Н 2S в почве и
атмосфере. Геохимическая формула следующая:
Na, SiO2 , H2S O... ...... ......?
H2O, H2S
В зоне приливов восстановительная среда в почвах при отливе сменяется
окислительной. В результате сульфиды периодически окисляются, образуются серная
кислота, квасцы, рН становится менее 2. Так возникают мангры сернокисло-
соленосно- сульфидного класса (Na --- H2SO4 ---H2S).
Геохимические поиски рудных месторождений во влажных тропиках. Здесь
эффективны все основные виды этих поисков. Методика поисков в ландшафтах
разных классов, родов и видов имеет особенности, в связи с чем большое значение
приобретает ландшафтно- геохимическое районирование территории по условиям
поисков. Кислое выщелачивание сильно ослабляет литохимические аномалии, к
латеритам местами приурочены безрудные аномалии. Оценка аномалий должна
основываться на геохимии ландшафта, особенно на теории геохимических барьеров.
7.2. Ландшафты широколиственных лесов
Этот тип ландшафтов широко распространен в умеренном поясе Евразии. В
неогене зона широколиственных лесов простиралась от Атлантического океана до
Тихого. Четвертичное похолодание привело к ее исчезновению на территории
Сибири.
7.2.1. Биологический круговорот
Биомасса в широколиственных лесах немного меньше, чем во влажных тропиках
(3000---5000 ц /га), но ежегодная продукция П и зеленая ассимилирующая масса Б 2
меньше в несколько раз. К ниже, чем во влажных тропиках (0,58---0,60), существенно
ниже и биологическая информация. Все это определяет более низкий уровень
самоорганизации, саморегулирования и устойчивости ландшафтов по сравнению с
влажными тропиками.
Широколиственные деревья сравнительно богаты зольными элементами, особенно
листья. В золе много Са (до 20%), меньше К и Si, еще меньше Mg, Al, P и меньше
всего Fe, Mn, Na, Cl. Однако ряд биологического поглощения иной:
Это предопределяет возможность биогенной аккумуляции в почвах S, P, Ca, K, Mg,
Mn, а также многих редких элементов, Аx которых больше 1 (B, Ni, Ag, Au, Co, Zn,
Cd, Pb и др.). Все же выщелачивание преобладает, и автономный ландшафт с
вертикальным и боковым стоком теряет подвижные элементы. Высокое содержание в
растениях Са и его энергичное биологическое поглощение определяют кальциевый
химизм бика. Са --- один из типоморфных элементов широколиственных лесов. Менее
велико значение Н + .
Ежегодный растительный опад в несколько раз меньше, чем во влажных тропиках,
и темп его разложения меньше из- за более низких температур, зимнего перерыва.
Скорость разложения меньше скорости накопления опада, поэтому для зональных
бурых лесных и серых лесных почв характерна лесная подстилка (100---150, местами
до 500 ц/га), практически отсутствующая во влажных тропиках (опадо- подстилочный
коэффициент равен 3---4 против 0,1 и менее во влажных тропиках). Много
накапливается и гумуса (до 10% и более в горизонте Al). Са и другие катионогенные
элементы, образующиеся при разложении растительных остатков, нейтрализуют
большую часть органических кислот, в связи с чем реакция гумусового горизонта
почв слабокислая или даже нейтральная, хотя встречаются и кислые среды с рН = 4---
5. В поглощающем комплексе часто преобладает Са.
7.2.2. Систематика
Тип широколиственных лесов включает в себя ряд отделов, своеобразие которых
определяется климатом (степенью континентальности и др.), историей развития,
возрастом, геохимическими реликтами. Ниже рассматриваются четыре отдела: 1)
дальневосточный мусонный, 2) кавказский, 3) восточноевропейский и 4)
среднеазиатский.
Семейства в отделах подлежат уточнению. Ярко выражены два основных класса ---
бескарбонатный (Н + -Са2+) и кальциевый (Са+) (рис. 7.5).
В ландшафтах Н-Са класса верхние горизонты бурых и серых лесных почв
выщелочены от карбонатов. В теплое и влажное лето в почве и залегающей под ней
коре выветривания энергично протекает разложение первичных силикатов с
образованием гидрослюд, монтмориллонита и других глинистых минералов,
накапливаются бурые гидроксиды Fe. В результате почва, кора выветривания,
склоновые и другие континентальные отложения приобретают бурый цвет и
тяжелосуглинистый состав.
Рис. 7.5. Переходные (Н - Са) и кальциевые (Са) ландшафты II рода восточно-
европейского отдела
1 --- биогенная аккумуляция; 2 --- слабокислое выщелачивание; 3 --- нейтральное и щелочное
выщелачивание; 4 --- кислородный барьер А7 (А6); 5 --- щелочной барьер D3; 6 ---
Кора выветривания менее мощна и менее выщелочена, чем во влажных тропиках.
Здесь не образуются гидроксиды Аl, не столь энергичен вынос Са, Mg и других
катионов. В слабой степени из почвы выносится кремнезем.
Формирование химического состава грунтовых и поверхностных вод в основном
зависит от разложения органических веществ. Поверхностные и грунтовые воды
слабоминерализованы (менее 0,5 г/л), гидрокарбонатно- кальциевые.
В ландшафтах Са- класса коры выветривания и континентальные отложения
содержат СаСО3 , в формировании химического состава вод важная роль принадлежит
его растворению (помимо бика). Воды здесь также гидрокарбонатно- кальциевые, но
более минерализованные, часто жесткие.
Влажный климат благоприятствует энергичному стоку. С наземным стоком
выносится около 2,5---3,5 ц/га солей, несколько меньше, чем потребляется
растительностью за год (3,5---5,0 ц/га), поэтому, по Глазовской, КВ здесь равен 1,3---
1,4. Ежегодно в ландшафт с атмосферными осадками поступает около 0,9---1,05 ц/га
солей, которые включаются в бик. Коэффициент атмогеохимической активности КА
составляет 0,3---0,4. С ионным стоком ежегодно выносится значительно больше
солей, чем поступает с атмосферными осадками, КН = 3,4---4,9. Следовательно,
главным источником солей в водах служат бик и выветривание (до 80%).
Хорошие климатические условия, плодородные почвы определили важную роль
ландшафтов II и I рода в сельском хозяйстве. Во многих районах леса вырублены и
почвы распаханы. Однако "
естественный химизм" ландшафта не обеспечивает
необходимого уровня развития сельского хозяйства. Дефицитны N, P, K, местами Со,
Cu, Zn, Mn, J, Mo, B и др. Избыточных элементов почти нет (за исключением
ландшафтов рудных месторождений).
В широколиственных лесах эффективны все виды геохимических поисков. При
литохимических поисках (металлометрии) в некоторых районах необходим отбор
проб с глубины 0,5 м , так как подвижные металлы выносятся из верхних горизонтов
почв.
Итак, главная геохимическая особенность ландшафтов широколиственных лесов
состоит в ежегодном продуцировании 80---150 ц/га живого вещества и средней
скорости его разложения. При разложении органических веществ кислотные продукты
распада частично нейтрализуются катионами, реакция почв кислая, слабокислая или
близка к нейтральной, кислое выщелачивание выражено слабо, в почве
накапливаются биогенным путем многие элементы. В отличие от влажных тропиков
бик улучшает условия существования организмов. Энергичная биогенная
аккумуляция --- эффективный механизм отрицательной обратной биокосной связи,
стабилизирующей состав почв и повышающей их плодородие. Следовательно, прямые
водные нисходящие связи в широколиственных лесах слабее, чем во влажных
тропиках, а обратные биокосные --- сильнее (роль обратных биокосных связей в
устойчивости и самоорганизации ландшафта здесь больше, чем во влажных тропиках,
а биотических связей меньше). Все же и в широколиственных лесах прямые водные
связи сильнее обратных, т . е . выщелачивание преобладает. Для широколиственных
лесов между автономными и подчиненными ландшафтами характерно совершенное
геохимическое сопряжение.
Дальневосточный муссонный отдел. К нему относятся широколиственные леса
нижнего пояса гор и предгорий Приморья и Среднего Приамурья. Летние муссонные
ливни создают здесь обстановку, чрезвычайно благоприятную для бика. Зимой
условия близки к сибирским (сухие морозы), однако геохимическое своеобразие
ландшафта в основном определяется особенностями летнего периода.
Флора Дальнего Востока содержит многочисленные реликты теплых и влажных
палеогеновых и неогеновых лесов (бархатное дерево, пробковый дуб, женьшень и
др.). Весьма возможно, что и в современных условиях они сохранили особенности
биологического круговорота, свойственные влажным субтропикам. К геохимическим
реликтам относятся и остатки палеогеновых и неогеновых каолиновых кор
выветривания.
Климатические условия летнего периода, реликты в растительном покрове и
продукты выветривания сближают данные ландшафты с влажными субтропиками.
Возможно, что в геохимическом отношении они образуют тип, переходный к
влажным субтропикам (
на крайнем юге Приморья наблюдается переход к
желтоподзолистым почвам, свойственным влажным субтропикам).
Для этого отдела наиболее характерны ландшафты переходного (от кислого к
кальциевому --- Н -Са) класса на силикатных породах, на карбонатных породах
встречаются и кальциевые ландшафты.
В наиболее распространенных горных и холмистых ландшафтах III рода и в
автономных и подчиненных элементарных ландшафтах преобладает окислительная
среда. В ландшафтах III рода с широкими долинами и в ландшафтах II рода
геохимическое сопряжение иное: автономный лесной ландшафт (
Н-Са) ---
супераквальный лесной или болотный ландшафт (Н-Са-Fe).
Там, где глеевые воды выходят на поверхность или контактируют с кислородными
водами, возникает кислородный барьер А6---А7 с аккумуляциями Fe, Mn и ряда
микроэлементов (Со, Ва и др.). Вероятен и глеевый барьер С2---С3.
По Б .А. Зимовцу, в Приамурье почвенно- грунтовые воды супераквальных
ландшафтов относятся к силикатно- гидрокарбонатному классу и содержат до 10---15
мг/л SiO2 . В ландшафте существует геохимический барьер, на котором осаждается
кремнезем (в аллювиальных отложениях наблюдаются корки и натеки аморфного
кремнезема). Осаждение SiО2 , возможно, связано с промерзанием почв.
В Н -Са и Са- классах наиболее богаты видами ландшафты III рода (на гранитоидах,
базальтах, кристаллических сланцах и гнейсах, кислых и средних эффузивах и т . д .).
На плоских равнинах формируется переходный глеевый (Са- Н -Fe) класс ландшафтов.
Он характерен, например, для речных террас, где глинистость почв благоприятствует
застаиванию вод и развитию поверхностного оглеения, не связанного с грунтовыми
водами. Здесь развиты бурые лесные глеевые почвы, а местами и сильно оглеенные
лесные подбелы, внешне похожие на подзолы.
Ландшафты широколиственных лесов на восточном склоне Сихотэ-Алиня вблизи
Японского моря детально изучены В .С. Аржановой и П . В . Елпатьевским.
Количественно оценена водная миграция, начиная с состава атмосферных осадков и
кончая водами местного стока. Атмосферные осадки имеют кислую реакцию (рН 4---
4,7) и хлоридно- натриевый состав (близость Японского моря?). Проходя через
растительный ярус и попадая затем в бурую лесную почву, они под влиянием
продуктов бика трансформируются в гидрокарбонатно- кальциевые воды с рН 5,2---
6,7. Минеральные формы металлов переходят в более растворимые органо-
минеральные формы. Воды местного стока --- нейтральные с рН 6,5---7,1 того же
ионного состава. В лизиметрических почвенных водах тяжелые металлы входят в
состав взвеси и коллоидов, для Zn, Cd и Mn характерны и воднорастворимые формы.
70-85% тяжелых металлов связано с РОВ. Выветривание протекает по
ферсиаллитному типу, в почвах происходит оглинивание горизонта В .
" Безбарьерные" кальций, натрий и кремний выносятся из ландшафта. Вынос
микроэлементов в несколько раз меньше, чем поступление из атмосферы, т . к . для
ландшафтов характерны механические, сорбционные и биогеохимические барьеры,
которые задерживают металлы в почвах.
Кавказский отдел. Эти ландшафты распространены в условиях умеренного
климата со значительным увлажнением в течение всего года. Характерны буковые и
частично дубовые леса. Активные неотектонические поднятия этих районов
определили развитие горного рельефа, энергичную эрозию, густую гидросеть,
геологическую молодость ландшафтов (III род). На силикатных породах формируются
ландшафты переходного (
Н -Са) класса, а на карбонатных --- кальциевого.
Распространены виды на флише, эффузивах, известняках и других породах.
Как и на Дальнем Востоке, энергичное выветривание приводит к оглинению
почвенного профиля, относительному накоплению Fe и Al. Среди глинистых
минералов преобладают нонтронит, гидрослюды, встречается и каолинит.
Геохимические барьеры в ландшафтах III рода выражены слабо, важнейшее
значение среди них имеет биогеохимический барьер --- накопление элементов в
гумусовом горизонте (помимо Са, Р , S, Mg, K, также Mn, Mo, Cu, Pb, Zn, Sr, Ba и
других микроэлементов). Меньшую роль играет сорбционный барьер G3.
На известняках, мергелях и других карбонатных породах формируются ландшафты
Са- класса, особенно характерные для Западного Кавказа (В .А.Алексеенко и др.). Бик
здесь протекает в условиях слабощелочной и нейтральной среды, почвы имеют
черную окраску, гумус в них неподвижен. Эти перегнойно- карбонатные почвы ближе
к бурым лесным почвам Кавказа, чем к перегнойно- карбонатным почвам тайги. Под
почвами залегает обломочная карбонатная кора выветривания. Воды, как и в Н-Са-
ландшафтах, гидрокарбонатно- кальциевые, но более минерализованные. В районах,
сложенных известняками, развивается карст. На выходах карстовых вод возникает
термодинамический барьер Н3 и Н7, осаждаются травертины по известной реакции:
Ca2+ +2HCO3- ®¬CaCO3 +H2O+CO2
В горах с широкими долинами на поймах и террасах возникают кислородные и
глеевые барьеры (А7, С2). Геохимические сопряжения следующие: автономные
ландшафты (Н -Са; Са) --- супераквальные ландшафты (Н -Са-Fe; Са-Fe). На рудных
полях сульфидных месторождений развиты сернокислые (Н -SО4) ландшафты.
Восточноевропейский отдел. В северной половине лесостепной зоны ландшафты
этого отдела образуют сплошную полосу от Карпат до Урала. Для них характерны
дубовые и буковые (на западе) леса с примесью липы, клена и других лиственных
пород. Геоботаники выделяют здесь самостоятельную зону широколиственных лесов.
По сравнению с кавказскими, восточноевропейские ландшафты характеризуются
более сухим климатом. Количество атмосферных осадков здесь почти равно
испаряемости или незначительно превышает ее. В засушливые годы в отдельные
месяцы испаряемость превышает количество осадков. Биомасса в дубовых и буковых
лесах примерно одинакова, но ежегодная продукция и опад в дубняках меньше, т . е.
бик менее интенсивен.
В восточноевропейском отделе доминируют ландшафты переходного (Н ---Са)
класса, реже встречаются кальциевые ландшафты (например, в Жигулях, где они
сформировались на известняках). Наиболее характерны ландшафты II (на
возвышенностях) и I (на низменностях) родов, реже встречается III род (на наиболее
овражистых участках, близких к бедленду, а также в Жигулях). Число видов
невелико, преобладают ландшафты на лессах, лессовидных суглинках, в Поволжье и
Приуралье --- на пермских красноцветах.
На Русской равнине перед началом оледенения широколиственные леса
распространялись шире, чем в современную эпоху --- оледенение сместило зоны. В
начале плейстоцена хвойная тайга доходила до современных степей. В период
максимального оледенения Днепровская и Окско-Донская низменности, частично
занятые ныне ландшафтами восточноевропейского отдела, были покрыты ледником.
На Среднерусской возвышенности в это время была холодная сосново- березово-
лиственничная лесостепь, похожая на современную лесостепь Средней Сибири. В
послеледниковое время широколиственные леса вытеснили лиственницу, оттеснили
сосну и березу. Таким образом, ландшафты восточноевропейского отдела
гетерохронны: на возвышенностях (II род) их формирование началось намного
раньше, чем на низменностях, переживших оледенение (I род).
За четвертичный период Среднерусская и другие возвышенности поднялись на 100
м и более, в связи с чем многие супераквальные ландшафты оторвались от грунтовых
вод и стали элювиальными. Геохимические реликты супераквальной стадии в виде
оглеенных и ожелезненных горизонтов встречаются здесь на плоских водоразделах на
глубине нескольких метров.
Рис.
7.6.
В ертикальный профиль
почв
и
коры
выветривания
в
ландшафтах восточно-
европейского отдела (по
А.И. Перельману)
А1
Гумусовый
горизонт
---
биогеохимический барьер
А2
Подзолистый
горизонт --- зона кислого
выщелачивания
В1,
B2
---
Иллювиальные горизонты
С 1 --- Выщелоченный
от карбонатов горизонт
коры выветривания (зона
нейтрального
и
слабокислого
выщелачивания)
С 2 --- Карбонатный
горизонт
коры
выветривания
(лёссовидный суглинок,
лёсс)
Геохимические барьеры: 1 ---
D2, G2; 2 --- щелочной D3; 3
--- испарительный F3.
Автономные ландшафты, как правило, формируются на
лессовидных суглинках или глинах. Ниже серой лесной почвы
располагается выщелоченная от карбонатов верхняя часть коры
выветривания (неолювий, горизонт С). Она имеет нейтральную
реакцию, поглощающий комплекс насыщен Са и Mg.
Выщелачивание карбонатов затронуло лишь часть неоэлювия,
вскипание от НСl обычно наблюдается на глубине 150---200 см.
Следовательно, кора выветривания (неоэлювий) состоит из
двух горизонтов: верхнего бескарбонатного и нижнего ---
карбонатного. Их граница представляет собой щелочной барьер
D3 (рис. 7.6).
Ландшафты восточноевропейского отдела давно уже
интенсивно используются в земледелии, и обнаружить
естественные ландшафты практически невозможно (речь может
идти только о слабой измененности). По И . Г . Побединцевой и
И . П . Гавриловой, в Тульских засеках типичная катена занимает
приводораздельный склон с дубово- липовыми и дубово-
ясеневыми лесами на светло- серых лесных почвах на
покровных суглинках (Н -Са класс) и пойму реки Упы со
злаково-разнотравными лугами на пойменных дерновых и
дерново- глеевых почвах (Н -Са, местами Са, Н -Са-Fe
классы).
Как и в других широколиственных лесах, в
биологический круговорот
активно
вовлечены
катионогенные элементы, подвижные в слабокислой
среде. Они накапливаются в растениях, особенно
древесными породами (кленом, липой, дубом). Так,
коэффициенты биологического поглощения (Ах) Cu ---
13,7, Mn --- 2,8 и Ni --- 2,1 в несколько раз выше, чем в
травянистых растениях. Травы интенсивнее поглощают
анионогенные элементы --- Cr и V (Ах = 1,5---2,0).
Биогенной аккумуляции большинства элементов в
верхних горизонтах почв препятствует высокая
подвижность глинистого вещества и гумуса в
слабокислой среде, ведущая к отчетливой элювиально-
иллювиальной дифференциации илистых частиц и
полуторных оксидов с осаждением Fe, Cu, Co, Ni (R =
1,3---2,0) на сорбционном геохимическом барьере G2 в
иллювиальном
горизонте.
Биоаккумулятивное
распределение имеет только Mn, содержание которого в
гумусовых и дерновых горизонтах светло- серых почв в
3---7 раз выше, чем в почвообразующих покровных
суглинках.
Латеральная контрастность распределения элементов
в катене меньше радиальной (L в подчиненных
ландшафтах равен 0,6---0,9). Это связано с интенсивной
водной
миграцией
элементов,
легким
гранулометрическим составом пойменных почв, слабой
выраженностью латеральных геохимических барьеров,
не препятствующих миграции элементов в каскадных системах. В донных осадках
слабо накапливаются Cu и Ni (L = 1,3---1,6).
На более расчлененной Приволжской возвышенности геохимия ландшафтов в
большей степени определяется литолого- геоморфологическими особенностями. В
зависимости от состава почвообразующих пород выделяются два класса ландшафтов.
Переходный (Н-Са) класс формируется на силикатных породах под сосново-
широколиственными лесами на серых лесных (на суглинках) и дерновых лесных (на
песках, элювии песчаников) почвах. В ландшафтах этого класса низкий
литогеохимический фон легких по механическому составу пород и почв определяет
обедненность золы растений микроэлементами. Только содержания наиболее
подвижных в этих условиях Mn, Zn, Ag и Ba близки к мировым кларкам золы
растений, по В . В . Добровольскому. На аллювиальных равнинах Заволжья содержание
большинства микроэлементов еще ниже, что указывает на определяющую роль
геохимии пород и почв в биогеохимической специализации растений.
Эти же элементы наиболее интенсивно поглощаются всеми растениями из почв
(табл. 7.1). Мелколиственные породы, растущие на более кислых почвах, по
сравнению с широколиственными обогащены цинком и барием(в 1,5---2,0 раза) и ,
наоборот, во столько же раз беднее молибденом, подвижным в нейтральных почвах
под пологом широколиственного леса. В сосне обыкновенной, особенно в коре и
ветвях накапливается Pb (Ах = 1---5 и 5---10), обычно слабо поглощаемый растениями.
Это является, по- видимому, ответной реакцией сосны на относительно высокий
региональный фон Pb в почвах и отражает хорошие индикационные свойства хвойных
пород на изменение его содержания в питающей среде.
В лесостепных ландшафтах интенсивный биологический круговорот и
разнообразная (катионофильная и анионофильная) биогеохимическая специализация
растений нередко ведут к возникновению биогеохимической конвергенции гумусовых
горизонтов сопряженных почв, сформированных на породах с различными уровнями
содержания элементов. Так, в горизонте С серых лесных и дерновых лесных почв
содержание подвижных форм металлов (вытяжка 1N HCl) изменяется в катене
относительно автономного ландшафта почти на порядок. В гумусовых горизонтах
почв этой катены перераспределение металлов хотя и связано с уровнями их
содержания в почвообразующих породах, но колеблется значительно меньше --- всего
лишь в 1,5---2 раза.
Своеобразна геохимия ландшафтов Жигулевских гор (III род), сложенных
палеозойскими известняками, мергелями, доломитами. Здесь под широколиственно-
сосновыми остепненными лесами развиты дерново- карбонатные почвы и
выщелоченные черноземы (Са- класс). В дерново- карбонатных почвах преобладает
биогенно- аккумулятивный тип распределения большинства элементов. В гумусовых
горизонтах накапливаются некоторые анионогенные элементы, подвижные в
щелочной среде (Cr, V, Cu, Mo), интенсивность биогенной аккумуляции Mn
снижается. Основные различия отмечаютc я для валовых форм элементов;
дифференциация подвижных форм (
водорастворимых, обменных, органо-
минеральных, сорбированных) сходна с почвами на силикатных породах, и в их
распределении
заметно
влияние
элювиально- иллювиальных
процессов.
Слабощелочная реакция почв определяет низкую латеральную подвижность
большинства микроэлементов.
Геохимия супераквальных ландшафтов также зависит от геологического строения.
В районах распространения лессовидных суглинков и других пород, богатых СаСО3 ,
супераквальные болотные и луговые ландшафты богаты Са, вынесенным из
автономного ландшафта, луговые темноцветные почвы имеют нейтральную реакцию,
в них часто развито карбонатное оглеение (Са-Fe класс), местами накапливаются
вивианит и другие фосфаты. Нейтральная глеевая среда подчиненных ландшафтов
мало благоприятна для миграции Fe, но Mn мигрирует, образуя самостоятельные
коллоидные минералы --- вады и псиломеланы. Однако и Fe обнаруживает некоторую
подвижность, образуя конкреции гидрогетита на барьере А7.
Иная геохимическая структура характерна для ландшафтов долин рек, сложенных
аллювиальными песками. На древних и современных террасах здесь развиты сосновые
и широколиственные леса кислого, кислого глеевого и переходного глеевого (Н -Са-
Fe) классов. Их
геохимические
особенности
определяются
легким
гранулометрическим составом почв и пород, двучленностью аллювия (сверху пески,
ниже суглинки), влиянием окислительно- восстановительных процессов, интенсивным
биологическим круговоротом, низкими содержаниями многих микроэлементов, их
резкой радиальной и латеральной дифференциацией. Так, в Воронежском биосферном
заповеднике (долины рек Усмань и Ивница) сильная радиальная дифференциация
автономных дерновых лесных почв на перевеянных аллювиальных песках связана с
биогенным накоплением многих микроэлементов в гумусовом и дерновом горизонтах
(R валовых форм Pb, Cr, V, Zn, Cu составляет от 3 до 6, а Mn достигает 40).
Содержание подвижных форм элементов низкое (за исключением марганца) и слабо
увеличивается в гумусовых горизонтах. В транзитных ландшафтах с серыми лесными
глеевыми почвами и близким уровнем грунтовых вод на радиальную дифференциацию
валовых и подвижных форм влияние оказывают элювиально- глеевые процессы,
ведущие к выносу Mn, V, Cr, Ni и Pb из элювиальных горизонтов и их осаждению на
ярко выраженных кислородно- сорбционных геохимических барьерах, особенно
контрастных в случае двучленности почвенного профиля. В супераквальных
ольшаниках с перегнойно- глеевыми почвами микроэлементы концентрируются в
заиленных нижних почвенных горизонтах.
Среднеазиатский отдел. Для этого отдела характерны два семейства. Горные
широколиственные леса из грецкого ореха, клена, яблони, с алычой, бересклетом,
миндалем и другими кустарниками в подлеске распространены в Западном Тянь- Шане
и Памиро-Алае. В ореховых лесах Тянь- Шаня климат сравнительно влажный, годовая
сумма осадков местами превышает 1000 мм, но летом бывают засухи. Растительность
находится в мезофильных условиях. В тенистом ореховом лесу создается особый
микроклимат, влажность почвы и воздуха выше, чем на открытых участках. В бике
большую роль играет Са, который полностью нейтрализует органические кислоты,
ландшафты относятся к Са- классу. Кальций насыщает поглощающий комплекс и
определяет слабощелочную реакцию чернокоричневых почв, богатых гумусом (до
10---20% в горизонте А1). СаСО3 обычно выщелочен на глубину более 1 м , т . е . он
сохраняется в коре выветривания. Сильнорасчлененный горный рельеф (III род)
обеспечивает энергичный водообмен, преобладание окислительной среды и в
подчиненных ландшафтах. Ландшафты среднеазиатского отдела имеют низкую
геохимическую контрастность: и автономные, и подчиненные члены относятся к Са-
классу. Пестрый литологический состав пород определяет большое число видов.
Горные лиственные леса Средней Азии считают дериватом умеренно-
субтропической лесной флоры конца палеогена (тургайская флора), претерпевшей
здесь аридизацию в четвертичном периоде. Эти уникальные ландшафты особенно
пригодны для создания национальных парков, курортов, зон туризма.
Тугаи --- лесные ландшафты в поймах и дельтах рек Средней Азии, пересекающих
пустынную зону. Из древесных растений наиболее характерны тополь разнолистный
(Populus diversifolia) и тополь сизолистый или туранга (Р .primula), часто встречаются
также различные виды джиды (лоха). Среди кустарников наиболее распространены
гребенщики (тамариски) и ивы. Более разнообразны травы, среди которых некоторые
злаки достигают гигантских размеров (до 6---8 м). Тугайная растительность хорошо
обеспечена водой, почвы плодородны и постоянно обновляются во время паводков за
счет отложения ила. По Е . П. Коровину для растительности тугаев характерна
гелиофильность (светолюбие) и галофильность (солевыносливость).
Тугаи были широко распространены в долинах Амударьи, Сырдарьи, Мургаба,
Теджена и других среднеазиатских рек, но площадь их сильно сократилась в
результате хозяйственной деятельности. В долинах Амударьи и Сырдарьи тугаи
сохранились лишь в дельтах и заповедниках (Тигровая балка, Кызылкумский, Арал-
Пайгамбар).
Геохимия тугаев зависит от природных и антропогенных факторов и определяется,
главным образом, их подчиненным положением в каскадных ландшафтно-
геохимических системах речных бассейнов. Среди природных факторов важная роль
принадлежит геохимической специализации аллювия и соотношению испарительной
концентрации элементов с сезонными и годичными циклами промыва пойменных
отложений и почв паводковыми водами. В заповеднике Тигровая балка в низовьях р.
Вахш (
Таджикская депрессия) М .Ю. Лычагин установил преимущественную
миграцию анионогенных элементов и комплексообразователей. По сравнению с
кларками литосферы почвы и донные отложения заповедника обогащены (в КК)
гидролизатно- анионогенной ассоциацией: Se (52), As (8), Yb, Hf, Br, B (4-6), U, Eu,
Mo (2-3). Для Hg, Yb, Mo высокое содержание обусловлено, по- видимому, их
накоплением в рыхлых мезозойских отложениях области сноса и дальнейшей
селективной механической и водной миграцией во взвешенной и растворенной
формах в пределах каскадной системы р. Вахш. Для U, Se, Br, B накопление в почвах
и донных отложениях вызвано в значительной степени их подвижностью в щелочной
геохимической обстановке пустынных ландшафтов, в которой мигрируют не только
легкоподвижные в этих условиях U, Se, Sb, Br, но и многие редкоземельные элементы
(Tb, Sm, Eu, Yb, La), ацетатнорастворимые формы которых составляют до 5---10% от
валовых концентраций.
На испарительную аккумуляцию элементов в тугаях долины Вахша в последние
десятилетия все больше влияют антропогенные факторы --- зарегулированность стока
р. Вахш и слабый естественный промыв высокой поймы пресными паводковыми
водами. В увеличивающихся по площади и степени засоления солончаках и лугово-
солончаковых почвах на испарительных геохимических барьерах F3 формируются
аномалии Br, U, Se, Sr, Sb, B, концентрации которых в несколько раз превышают
средние для этой территории. Сильное негативное влияние на тугаи заповедника
Тигровая балка, расположенного в густозаселенной долине, оказывают поступающие
с окружающих полей сбросовые коллекторные воды, содержащие хлорорганические
пестициды и связанные с ними As, Se, Mo. В результате на природную аномальность
тугаев, как приемников естественных миграционных потоков, накладывается
сельскохозяйственное загрязнение.
7.3. Таежные ландшафты
Этот наиболее распространенный тип ландшафтов образует единую таежную зону
от западных до восточных границ в России и Канаде.
7.3.1. Биологический круговорот
По Н . И . Базилевич, биомасса в тайге не намного уступает влажным тропикам и
широколиственным лесам.* В южной тайге Б превышает 3000 ц/га и только в
северной понижается до 500---1000 ц/га. Более половины биомассы представлено
древесиной, состоящей из клетчатки (около 50%), лигнина (20---30%), гемицеллюлозы
(более 10%), в меньшей степени из смол, дубильных веществ, других органических
соединений. Специфичны фитонциды, создающие аромат хвойного леса.
Число видов высших растений приблизительно вдвое меньше, чем в
широколиственных лесах (около 1000 для крупных флористических районов). Зеленая
часть обычно не менее 3% от биомассы (часто 5---7). По этому показателю тайга
ближе к влажным тропикам (8%), чем к широколиственным лесам (1%).
Ежегодная продукция П в южной тайге почти такая же, как в широколиственных
лесах (85 ц/га против 90 в дубравах), в северной тайге --- вдвое меньше (40---60 ц/ га).
Однако по величине К --- соотношению логарифмов П и Б северная и южная тайга
близки (0,53---0,55) и отличаются от широколиственных лесов (0,58---0,60).
Растительный опад в южной тайге меньше, чем в дубравах (55 ц/га против 65), еще
меньше он в северной тайге --- 35 ц/га. Ряды биологического поглощения для
ельников европейской России почти такие же, как и для широколиственных лесов:
Как и в широколиственных лесах, подобный характер рядов определяет
возможность биогенного накопления в почвах S, Р , Mn, K, Ca, Mg, многих редких
элементов.
Для тайги характерна низкая зольность прироста: в северной тайге ниже 1,5%, в
средней и южной --- 1,6---2,5% (в широколиственных лесах 2,6---3,5%). Таким
образом, хвойные деревья беднее золой, чем лиственные. Особенно важны различия
зольности хвои и листьев, так как хвоя играет ведущую роль в опаде деревьев (более
50%). Зольность хвои --- 2---3,5%, листьев широколиственных пород --- 5---8%. Еще
важнее различия в качественном составе золы: в хвое большую роль играет SiО2 и
меньшую Са. Клеточный сок хвои ели, сосны и лиственницы содержит свободные
органические кислоты, его рН 4,5---6,5; рН таежных трав также нередко кислый
(кислица и другие травы). Следовательно, уже в растениях создается характерная
геохимическая особенность таежного ландшафта --- кислая среда.
Зоомасса в тайге очень мала --- n ц/га и в южной тайге составляет лишь 0,01% Б.
Характерно изменение величины зоомассы по сезонам и в разные годы, в связи с
сезонностью размножения, кочевками, зимним оцепенением. Зимой активная часть
населения составляет 0,1 летнего обилия. В отдельные годы из- за неурожая семян
резко сокращается число семяноедов (например, белок) и наоборот. Возможны и
массовые миграции.
С опадом в тайге ежегодно возвращается значительно меньше водных мигрантов,
чем в широколиственных лесах. Если в дубравах этот показатель близок к 200 кг/га, в
бучинах --- 270, то в ельниках южной тайги --- 85, в северной тайге --- 52 кг/га. По
Базилевич, для тайги характерен азотный тип химизма бика (N>Cа), в то время как в
широколиственных лесах --- кальциевый (Ca>N). В холодной тайге разложение
органических веществ протекает медленнее, чем в широколиственных лесах,
микроорганизмы работают не столь энергично, время их деятельности в году короче,
некоторые группы бактерий отсутствуют. Масса подстилки более чем в 10 раз
превышает опад зеленой части. Этим тайга резко отличается от других типов лесных
ландшафтов (в ц /га):
Влажные тропики Широколиственные леса
Тайга
6---25
126---250
251---1000 и более
"Подстилочный индекс" в тайге равен 6---20. Он свидетельствует о
заторможенности бика (во влажных тропиках 0,1---0,2 --- бик весьма интенсивный).
В растительном опаде елового леса эквиваленты кислотных органических
соединений в десятки раз превышают эквиваленты катионов золы и N, дающих
основания. Низкое содержание сильных оснований (Са, Mg, Na, K) в золе при
отсутствии их подвижных форм в горных породах обуславливает кислый характер
почвенных растворов: часть органических кислот существует в свободной форме,
обеспечивая кислую реакцию лесной подстилки и верхних горизонтов почвы (рН
Таблица 7.2
Показатели бика лесных ландшафтов
Параметры
Влажные тропики Широколиственные Тайга
бика
леса
А. Монотонно убывающие показатели, свидетельствующие об ослаблении
процессов образования живого вещества
Биомасса Б1, ц/га
5000
5000---4000
3000---500
Зоомасса Б5, ц/га
10n
Нет данных
n
Биоинформация
(число видов)
убывает
Ежегодный
прирост П
500---300
150---100
80---40
0,64---0,65
0,59---0,60
0,53---0,56
Опад --- 01 (ц/га)
250
65 (дубравы) 50 (средняя
тайга)
Опад зеленой части ---
165
50
30
02 (ц/га)
Мощность почв и коры
10n
n1
n2 (n1>n2)
выветривания (М)
Б . Монотонно возрастающие показатели, свидетельствующие
об ослаблении процессов разложения органических веществ
Подстилка --- 03 (ц/га)
6--25
126--250
251--1000
и более
Подстилочный индекс
0,1--0,2
3--4
6--20
(03/02)
Б . Немонотонные показатели, свидетельствующие
о геохимическом сходстве тайги и влажных тропиков
Зеленая часть (Б 2)
8
1
6
в % от биомассы (Б1)
Зольные элементы + азот
26
5
19
в % от зеленой части
Зольные элементы + азот
48
66
50
в % от массы многолетних
надземных частей
Кислотность почв
4--5
5--7
4--5
(на бескарбонатных породах)
Интенсивность выветривания
и кислого выщелачивания
Очень
Средняя
Очень
в гумусовом горизонте почв
высокая
высокая
(прямые связи)
Стабилизирующее влияние
Слабое
Сильное
Слабое
отрицательной биокосной
связи (биогенная
аккумуляция в почвах)
Роль центра ландшафта Очень большая СредняяБольшая
3,5---4,5).
В . В . Пономарева выделила три направления в разложении растительных остатков:
минерализация (образование СО2 и других полностью окисленных соединений),
собственно гумификация и образование водорастворимых органических соединений.
В тайге минерализация и гумификация ослаблены (в отличие от степей), энергично
идет образование фульвокислот (отношение гуминовые кислоты/фульвокислоты =
0,6---0,8). Нейтрализация фульвокислот происходит, главным образом, за счет Fe и Al
почвенных минералов. Так, в почвах возникают фульваты Fe и Al, создается
возможность кислого выщелачивания, которая реализуется на всех бескарбонатных
породах, где формируются ландшафты кислого (Н) и кислого глеевого (Н -Fe) классов.
По Д. С. Орлову, запасы гумуса в дерново- подзолистых почвах южной тайги
приблизительно вдвое меньше, чем в широколиственных лесах (70---100 и 100---270
т/га в полуметровом слое). Часть органических веществ входит в состав глинистых
минералов.
Таблица 7.3
Историко- геохимические соотношения лесных ландшафтов
Итак, главное геохимическое отличие бика тайги от бика широколиственных лесов
состоит в специфическом консервативном соотношении Б и П , в меньшей скорости
разложения органических веществ, меньшем количестве водных мигрантов,
вовлекаемых в бик и поступающих с опадом, более кислом характере продуктов
разложения, меньшей роли биокосной отрицательной обратной связи. По ряду
особенностей бика таежные ландшафты ближе к влажным тропикам, чем к
широколиственным лесам (табл. 7.2).
Хвойные леса появились на Земле в середине пермского периода около 250
миллионов лет назад. По Н . М. Страхову, это была хвойно- гингковая тайга. Ее бик
благоприятствовал кислой миграции и сильному выщелачиванию почв. В
современной кайнофитной тайге сохранились многие черты этой мезофитной влажной
тропической тайги. Интенсивность кислого выщелачивания в обоих случаях близка,
различие заключается в емкости процесса. Если во влажном и теплом климате
мезофита кислое выщелачивание распространялось на всю почву и кору
выветривания, то в холодном климате современной тайги эти процессы охватывают
лишь верхние десятки сантиметров почвенного профиля --- горизонты А1 и А2
(обычно менее 0,5 м , а в северной тайге местами даже менее 0,1 м).
Интенсивность процесса
Емкость процесса
Сильное кислое
выщелачивание, растения
ухудшают условия своего
существования ---
консервативный бик
Слабое кислое
выщелачивание,
биогенное накопление в
почве элементов питания
--- прогрессивный бик
Кислое
выщелачивание
развивается на
глубину 0,n ---
n(<2)м
Современная тайга
Ландшафты
широколиственных лесов
Кислое
выщелачивание
развивается на
глубину n-10n м
Хвойно-гингковая тайга
мезофита и современные
влажные тропики
---
В мезофитной тайге в условиях минерального голодания эволюция, вероятно,
замедлялась, что определяло консервативность ее и устойчивость. И только через 100
млн. лет в середине мелового периода появились покрытосеменные, листва которых
более богата Са, что помогало деревьям бороться с кислым выщелачиванием в
почвах. Однако это было только в умеренном поясе, где сформировались ландшафты
широколиственных лесов Н ---Са- классов (а не Н + , как в тайге).
В кайнофитных влажных тропиках продолжалось кислое выщелачивание почв.
Именно поэтому в геохимическом отношении по ряду показателей бика и водной
миграции современная тайга ближе к современным и мезофитным влажным тропикам,
чем к широколиственным лесам (табл. 7.3).
7.3.2. Атмосферная миграция
По М .А. Глазовской, тайга ежегодно получает с атмосферными осадками 0,5---0,25
ц/га солей (0,2---0,25 атмогенных, 0,3---0,5 --- терригенных), что составляет лишь 1/4
их количества, потребляемого растительным покровом (КА=0,25). Ионный сток,
напротив, примерно в 2 раза больше (КВ=0,4---0,5). Однако в некоторых таежных
ландшафтах, особенно в горной тайге Сибири, минерализация и состав атмосферных
осадков близки к трещинным водам коры выветривания. В этих ландшафтах роль
атмосферных осадков в поступлении подвижных элементов весьма значительна
(особенно для элементов "циклических солей" --- Na, Cl и др.).
7.3.3. Систематика
В зависимости от степени континентальности, истории геологического развития и
проявления многолетней мерзлоты таежный тип на территории Евразии может быть
разделен на несколько отделов:
1. Приокеаническая (
атлантическая) тайга (
Прибалтика, запад Белоруссии,
Скандинавия)
2. Умеренноконтинентальная тайга (европейская Россия)
3. Континентальная сибирская тайга (без многолетней мерзлоты)
4. Континентальная и резкоконтинентальная сибирская мерзлотная тайга
5. Приокеаническая (тихоокеанская) мерзлотная тайга (побережье Охотского моря
и др.)
6. Приокеаническая (тихоокеанская) тайга без мерзлоты (Сахалин, Камчатка,
Курилы, Приморье).
В каждом отделе выделяются три основных семейства --- северной, средней и
южной тайги, различающиеся по величине П. Наиболее изучена южная тайга.
Переходным к типу широколиственных лесов является семейство европейских
хвойно- широколиственных лесов, образующее особую подзону. Геохимически эти
ландшафты ближе к тайге, чем к широколиственным лесам.
Во всех семействах преобладают кислые (Н+) и кислые глеевые (Н + -Fe2+) классы
ландшафтов, причем соотношения между ними закономерно изменяются от южной
тайги к северной.
Умеренноконтинентальная тайга
Данный отдел таежного типа распространен в европейской России и на Урале.
Южнотаежное семейство
Это самая теплая тайга, простирающаяся широкой полосой по южной окраине
таежной зоны. Наиболее распространены здесь ландшафты кислого класса.
Кислая южная тайга (Н - класс). Автономные ландшафты формируются на
бескарбонатных породах в условиях сравнительно хорошего дренажа (II и III роды),
исключающего заболачивание. Бик обусловливает энергичное кислое выщелачивание
и слабое биологическое поглощение. В результате автономный ландшафт в целом
обедняется подвижными элементами, бик не замкнут. Оба процесса находят яркое
отражение в профиле дерново- подзолистых почв (рис. 7.7). В горизонте А1
биогенным путем аккумулируются гумус К, Са, Р и другие элементы, особенно Mn
(рис. 7.8). Эти же элементы, а также Fe, Al и SiО2 выносятся с просачивающимися
атмосферными осадками. Ниже залегает подзолистый горизонт А2, в котором в
результате кислотного гидролиза, периодического оглеения и лессиважа происходит
разложение минералов и вынос подвижных соединений Fe и Al в форме хелатов. В
нем относительно накапливается кремнекислота, местами каолинит, гидрослюды.
Следовательно, как и во влажных тропиках, в тайге происходит энергичное
разложение верхнего горизонта литосферы и выщелачивание подвижных элементов.
Однако мощность измененного слоя неизмеримо меньше. Мигрирующие минеральные
и органические соединения частично закрепляются в иллювиальном горизонте В , рН
которого выше, чем в А1 и А2. Здесь в результате взаимодействия коллоидной
кремнекислоты и полуторных окислов синтезируются глинистые минералы, суспензии
которых ("плазма") передвигаются и откладываются в форме тонких пленок (кутан)
по трещинам, порам, ходам корней. Эти образования изучались В.О. Таргульяном,
В . В . Добровольским и другими почвоведами. Таким образом, в дерново- подзолистых
почвах имеет место щелочно- кислотная зональность: кислый горизонт (А1 + А2)
сменяется менее кислым или даже нейтральным В . В этих почвах развивается и
окислительно- восстановительная зональность. Многие почвоведы считают, что для
образования дерново- подзолистых почв необходим анаэробиозис, обусловленный
переувлажнением (Н . П. Ремезов, С. П . Ярков, Ф. Р . Зайдельман, И .С. Кауричев). Такое
поверхностное временное заболачивание наблюдается, например, весной и осенью с
минимумом Еh в гумусовом горизонте, ниже он повышается. Наиболее
восстановительные условия возникают не в глубоких горизонтах (В), а на
поверхности, под подстилкой, где энергично разлагаются растительные остатки, т . е . в
А1 и А2. От болот это оглеение отличается более кислой средой (в болотных глеевых
горизонтах рН часто близок к нейтральному), промывным режимом. Иными словами,
оподзоливание --- это кислое инфильтрационное глеевое выщелачивание, а в болотах
развито диффузионное слабокислое или нейтральное глеевое выщелачивание.
Восстановительная глеевая среда, периодически возникающая в горизонтах А1 и А 2,
книзу сменяется окислительной (горизонт В имеет бурую окраску). Вероятно
существование окислительного (кислородного) барьера А6 на границе горизонта В .
При хорошем дренаже в тайге встречаются и кислые неоподзоленные почвы
(например, на Урале). Следовательно, в дерново- подзолистых почвах предполагается
следующая окислительно- восстановительная зональность:
А1, А2 --- периодически кислая глеевая обстановка;
А2/В 1 --- слабоокислительная обстановка, осаждение Fe3+ (Mn2+ подвижен); это
кислородный барьер для Fe;
В1,В 2 --- окислительная обстановка, осаждение и Fe3+, и Mn2+.
Возможны и иные соотношения (осаждение Fe и Mn на одном барьере и т . д .).
Кислые окислительные фульватные воды также могут транспортировать Fe, в связи
с чем оподзоливание происходит и в окислительной среде, а также при сочетании
обоих процессов.
В профиле дерново- подзолистых почв формируется два основных вида
геохимических барьеров: 1) верхний биогеохимический и сорбционный G2, G6
P, часто также Mn,
В , совмещенный ---
дный (А6) (Fe, Al,
õ äåðíîâî-êàðáîíàòíûõ
; 2 --- нейтральное и
ая аккумуляция; 4 ---
й); 5 --- элювиальные
--- карбонатная кора
Дерново- подзолистые почвы бедны элементами питания растений, многие из них
находятся в слабоподвижной форме. Так, в почвах мало доступных N, Р и К. Эти
почвы обеднены также В , J, Br, V, Cr, Ni, Co, Zn, Cu и другими редкими и
рассеянными элементами, которые из них интенсивно выщелачиваются. Как и во
влажных тропиках значительная часть элементов сосредоточена в растениях. Кислая
среда определяет не только выщелачивание металлов, но и способствует поступлению
их подвижных форм в растениях. Поэтому не случайно многие таежные деревья (ель,
сосна, береза) являются концентраторами Mn, Zn, Pb, Sr, Ba --- активных водных
мигрантов таежного ландшафта.
Рис. 7.8. Биогенная аккумуляция меди, цинка и марганца в дерново- подзолистых
почвах Среднего Урала (цифры --- коэффициенты радиальной дифференциации R
относительно почвообразующих пород --- по Н . П . Солнцевой).
Особенности дерново- подзолистых почв следует учитывать при литохимических
поисках в тайге. Вторичные ореолы с поверхности здесь местами ослаблены за счет
кислого выщелачивания металлов из горизонтов А1 и А2. По Ю.А. Новикову, в
Кузнецком Алатау ореолы Au, Ag, Cu, Sb сильно выщелочены на глубину 45---70 см.
В подобных ландшафтах отбор проб рекомендуется из горизонта В . Там, где на
крутых склонах развиты слабо дифференцированные скелетные почвы,
представительный горизонт опробования 4---10 см.
Под влиянием растворов, просачивающихся из почвы, в тайге формируется кора
выветривания, достигающая мощности нескольких метров. На изверженных и
метаморфических породах кора представлена бурыми суглинками с обломками пород.
При выветривании силикатов образуются гидрослюды и бурые гидроксиды Fe
(гидрогетит). Растворимые продукты выносятся, кора обедняется катионами и
относительно обогащается Fe, Al и SiО2 , приобретает нейтральную или
слабощелочную реакцию. В общем выветривание направлено в ту же сторону, что и
во влажных тропиках (вынос катионов, накопление Fe, Al), но протекает со
значительно меньшей интенсивностью. Поэтому образуется не столь мощная и
выщелоченная гидрослюдистая кора выветривания.
Склоновые отложения формируются в результате перемещения частиц почв и коры
выветривания. При этом большую роль играет самопроизвольное движение вязко-
пластичной массы --- дефлюкция, течение грунтов --- солифлюкция и аналогичные
процессы. По Ю. Г . Симонову, в горной тайге Сибири преобладают солифлюкционные
и дефлюкционные отложения. С этим связано перекрытие вторичных ореолов
рассеяния рудных месторождений, которые в средних и нижних частях склонов
являются закрытыми (В . В . Поликарпочкин, Ю. В . Шарков). По С.С. Воскресенскому, в
водно- ледниковых районах Русской равнины развиты как солифлюкционные, так и
делювиальные склоны. В верхних частях склонов при их значительной крутизне (15---
30°) и щебнистости происходит движение сухого обломочного материала (песка,
дресвы, щебня) за счет изменения объема при колебаниях температуры. Такие
движения С.С. Воскресенский назвал десерпцией. Десерпционные отложения
характеризуются ограниченным распространением.
Склоновые и аллювиальные отложения, как и кора выветривания, не содержат
карбонатов, имеют слабокислую или нейтральную реакцию и гидрослюдистый состав.
Промытость почв и коры выветривания определяет низкую общую минерализацию
грунтовых вод (в пределах 100---150 мг/л --- мягкие воды). В формировании химизма
вод главную роль играет разложение органических веществ, поэтому среди катионов
в водах преобладает кальций (Са2+), а среди анионов --- НСО3 -. Менее велико
значение растворения и обменных реакций с минералами коры выветривания. Cl-,
SО4 2- и другие талассофильные ионы поступают частично из атмосферных осадков.
Грунтовые воды содержат органические соединения гумусового типа, а иногда и
минеральные коллоиды. Местами развивается глеевая среда, соединения Fe3+ во
вмещающих породах восстанавливаются и переходят в раствор(Fe2+). Fe мигрирует и
в трехвалентной форме в составе органоминеральных соединений. Содержание Fe
обычно достигает 3---5 мг/л . Еще легче восстанавливается и переходит в раствор Mn.
Эти воды благоприятны для миграции большинства редких металлов, содержание
которых составляет n.10-6 --- n.10-7 г/л (Cu, Ni, Co, Mo, Li и др.). Реакция грунтовых
вод нейтральная или слабокислая.
Итак, в автономном кислом ландшафте нисходящая водная связь между
природными телами совершенна, бик играет ведущую роль в формировании химизма
почв, коры выветривания, грунтовых вод, склоновых отложений. Отрицательные
обратные биокосные связи выражены слабо.
Подчиненные ландшафты резко отличны от автономных. В понижениях рельефа,
речных долинах и озерных котловинах, где грунтовые воды залегают близко от
поверхности, создаются условия для заболачивания, образования низинного болота с
зелеными мхами, осоками, "кислыми злаками" и другими травами. Древесная
растительность здесь всегда менее продуктивна, чем в автономном ландшафте, бик
протекает медленнее, биогенная аккумуляция слабее (рис. 7.9). Почвы нередко уже с
поверхности насыщены водой, грунтовые воды залегают на глубине 0,5---1,0 м .
Подобные условия неблагоприятны для полного разложения растительных остатков.
Свободный О2 вод быстро расходуется на окисление части растительных остатков, и в
дальнейшем их разложение происходит в глеевой среде. Образуются такие газы, как
СН4 ("болотный газ"), Н 2S, Н 2 и N2 . Еh местами ниже 0. Анаэробное разложение
никогда не идет с такой полнотой и скоростью, как аэробное, поэтому в почве
накапливается торф --- полуразложившиеся растительные остатки.
Геохимия торфа и торфяных болот наиболее изученa в Белоруссии.
В . А. Ковалевым детально изучены минералого- геохимические системы торфяников
(кислород- гидроксильные системы, системы S, Р , SiО2 , образование руд железа и др.).
По В . Н . Крештаповой, в торфах Русской равнины содержание Ge, Cu, Mo в сухом
веществе торфа местами превышает кларк. Слабее концентрируются Mn, Sr, Ni, Co,
Pb и Yb. Содержание элементов зависит от геологического строения и климата
областей питания торфяника. Например, накопление Ge связано с распространением
глин мезозоя, накопление Cu --- с глинами и суглинками любого состава, Sr --- с
пермскими отложениями. Ниже торфяного горизонта расположен минеральный
глеевый горизонт, для которого характерен переход Fe3+ и Mn4+ в двухвалентное
состояние. По миграционной способности Fe2+ и Mn2+ напоминают другие
двухвалентные катионы (Са, Mg). В глеевых горизонтах Fe2+ находится не только в
почвенном растворе, но и в поглощающем комплексе. При оглеении также
происходит оглинение, увеличивается количество коллоидов, становятся более
подвижными Р , SiO2 , Ca, Mg, многие редкие элементы. Соединения Fe2+ придают
глеевому горизонту серые, сизые, зеленоватые и синеватые тона.
Болотные воды, кроме Fe2+, Mn2+ и РО4 3-, содержат много органических веществ,
так как в процессе неполного разложения растительных остатков образуются
растворимые органические кислоты.
Поднимаясь в сухую погоду по капиллярам к поверхности, глеевые воды
окисляются, в почве возникает кислородный барьер А6, реже А7, на котором
осаждаются гидроксиды Fe и Mn (рис. 7.9) преимущественно в форме пленок,
примазок, железо- марганцевых конкреций, почти всегда содержащих гумус.
Содержание Fe в сухой массе торфа может достигать 20---30%. Если глеевый горизонт
оказывается на поверхности и подвергается действию кислорода воздуха, сизый глей
покрывается охристыми пятнами.
Гидроксиды Fe и Mn --- хорошие сорбенты, они нередко обогащены V, P, As
(гидроксиды Fe), Ba, Co, Ni, Cu (гидроксиды Mn). Для этих элементов здесь имеется
сорбционный барьер G2, G6.
Благодаря высокой подвижности Fe в болотных почвах образуются железистые
минералы --- вивианит Fe3(PO4)2 .8H2O и сидерит FeCO3 . Первый из них местами
накапливается в довольно значительных количествах, что позволяет использовать его
залежи в качестве местного фосфорного удобрения. Вивианит легко диагностируется
благодаря синей окраске его слегка окисленных разностей.
Круговорот N, P, K, Ca и других элементов в болотных ландшафтах замедлен, так
как эти элементы активно поглощаются растениями. Образующиеся сложные
органические соединения в дальнейшем, превращаясь в торф, практически не
участвуют в бике данного ландшафта. Поэтому болотные почвы содержат мало
усвояемого N, Р , К , Са. Основная причина замедленного бика и недостатка многих
минеральных элементов заключается в резком дефиците кислорода.
Из сказанного понятно, что на болотах растут только неприхотливые растения
(мхи, осоки, "кислые злаки" и др.), мирящиеся с недостатком кислорода в почве,
кислой реакцией и малым количеством минеральных питательных веществ.
Краевые зоны болот являются глеевыми (С2 , С3) и сорбционными (G2, G3)
геохимическими барьерами, на которых задерживаются многие элементы,
выщелоченные из почв и коры выветривания водоразделов. Торфяные почвы здесь
обогащаются Са, Р , Mg, а из микроэлементов --- Cu и Со, бик протекает энергичнее,
видовое разнообразие больше, бонитет деревьев выше. Поэтому краевые части
торфяников, обращенные к области сноса, следует опробовать при геохимических
поисках, изучать и с точки зрения рудоносности. Таким путем в определенных
условиях образуются месторождения редких элементов.
Интересны подобные барьеры и при решении экологических задач --- они являются
препятствием для распространения техногенного загрязнения, не позволяют ему
распространиться на значительные расстояния. Торф также может быть использован
для создания искусственных (техногенных) барьеров с целью задержки загрязняющих
потоков.
Своеобразная геохимическая обстановка создается на низких и средних поймах
рек, которые большую часть года находятся в надводных условиях, а в период
паводка --- в подводных. Их характерная особенность --- изменение окислительно-
восстановительных условий во времени (паводок --- межень) и в пространстве
(верхние и нижние горизонты почв). Здесь формируются кислородные, глеевые и
сорбционные барьеры. Геохимия пойм изучена Г . В . Добровольским, В . К . Лукашевым,
В . А. Кузнецовым и др. Установлено, что многие геохимические особенности пойм
определяются утяжелением гранулометрического состава в ряду фаций аллювия:
русловая --- пойменная --- старичная, что сопровождается увеличением содержания
Al, Ti, Cr, V, Cu, Mo и других элементов.
Важное значение для ландшафтов пойм имеют окислительно- восстановительные
условия вод и почв. В зависимости от длительности затопления на поймах
формируются различные элементарные ландшафты --- от лугов и лесов на
прирусловых гривах до наиболее часто затопляемых старичных понижений с
ольшанниковыми и травяными болотами с низким Еh (местами ниже +0,2В). Наряду с
оглеением местами развивается восстановление сульфатов, возникает гидротроилит
(сероводородный барьер В 2 --- В3). Характерным элементом пойменных лугов и болот
является Fe, которое накапливается в растениях и энергично мигрирует в почвах и
водах, концентрируется на кислородном барьере в верхних горизонтах почв, играет
важную роль в образовании почвенной структуры. По В . В . Добровольскому, в
болотных рудах содержатся гидрогетит, гели оксида Fe, глинозема и кремнезема. В
железо- марганцевых конкрециях повышено содержание V, Cu, Ni, местами Со, Cr, Pb,
Zn, Ba.
В торфяниках Белоруссии наряду с сидеритом образуется коллоидный минерал
феррогидрит --- Fe(OH)3 .nFe(OН)2 , в котором преобладает гидрат закиси Fe. В нижних
горизонтах пойменных торфяников обнаружен также маггемит (изоструктурная с
магнетитом модификация Fe2О3). Циклическое изменение окислительно-
восстановительных условий в течение года приводит к изменению минерального
состава и , в частности, замене сидерита зимой оксидами Fe --- магнетитом, гематитом
и маггемитом (К . И. Лукашев, В .А. Ковалев и др.).
Постоянный приток взвешенных наносов и растворимых веществ обогащает поймы
подвижными Ca, Fe, Mn, B, Cо и другими водными мигрантами. Это благоприятствует
увеличению интенсивности бика, определяет высокий урожай трав на пойменных
лугах и их высокие кормовые качества. Поймы --- ландшафты высокой геохимической
энергии живого вещества (Г . В. Добровольский).
Своеобразна геохимия надпойменных террас. Чем выше терраса, тем сложнее
история ее ландшафта, тем больше прошло времени после пойменной стадии, тем
контрастнее климатические изменения. В геохимических особенностях почв и
аллювия и , вероятно, флоры и фауны запечатлена история этих ландшафтов, история
колебаний климата, бика, грунтовых вод. Почвы и аллювий террас содержат
геохимические реликты, преимущественно следы былых геохимических барьеров
(гумусовые, железистые, марганцевые, известковые и другие аккумуляции).
Третьим членом геохимического сопряжения являются аквальные ландшафты.
Превышение осадков над испарением, бедность почв и коры выветривания
растворимыми соединениями обусловливают малую минерализацию речной воды, не
превышающую 0,5 г/л , а нередко и меньше 0,2 г/л . Среди катионов больше всего Са,
на втором месте Mg и на третьем --- Na. Из анионов преобладает НСО3 -, меньше SО4 2-
и еще меньше Сl-. Поэтому речная вода, как правило, гидрокарбонатно- кальциевого
(НСО3 - и Са2+) класса, она содержит также РОВ. В таежных реках до 50---70% Fe, Mn,
Ni, Co и других металлов связано с РОВ. Реакция вод обычно нейтральная и
слабощелочная.
Особенно велико содержание РОВ в реках и озерах лесисто-болотистых
низменностей, воды которых по цвету напоминают крепкий чай. Это нашло
отражение и в топономике ("Черная речка", "Черное озеро" и т . д .). Воды, богатые
РОВ, перспективны для дезактивации объектов, загрязненных тяжелыми металлами и
радионуклидами.
Состав воды в течение года меняется. Летом, когда вегетирует водная
растительность, в воде особенно много О2 , зимой количество О2 понижается, так как
он расходуется на окисление органических веществ. По П . П. Воронкову, особенно
слабо минерализованы паводковые воды (менее 0,02 г/л), они имеют кислую реакцию
(рН 4,0---4,6), местами исключающую содержание иона НСО3 -. Все это показывает,
что гидрохимия рек определяется в основном биком. В межень реки в значительной
степени питаются подземным стоком, ионный состав их воды приближается к составу
грунтовых вод. В это время эффективно гидрогеохимическое опробование небольших
речек. Часть рудных элементов, поступающих из грунтовых и поверхностных вод,
сорбируется коллоидными продуктами, переносимыми во взвешенном состоянии или
осаждающимися на дне. Поэтому опробование донных осадков на металлы
представляет при поисках руд значительный интерес.
Для многих кислых таежных ландшафтов характерны озера с пресной
слабоминерализованной "
мягкой" водой, содержащей мало Са2+ и способной
растворять углекислую известь. В связи с этим озерные осадки, как правило,
бескарбонатны, имеют рН 6---7. Геохимия озер Белоруссии детально изучена В .А.
Генераловой и А. Л. Жуховицкой. В Северной Белоруссии есть озера, в которых летом
накопившиеся в водной массе карбонаты зимой растворяются. В некоторых озерах
карбонаты накапливаются в прибрежных илах и на глубине 1---3 м .
Карбонатообразование носит в основном биохимический характер. Наиболее
интенсивно эти процессы протекали в раннем голоцене, но местами продолжаются и в
настоящее время.
Таежные озера богаты живым веществом, играющим ведущую роль в их геохимии,
создающим окислительно- восстановительную и щелочно- кислотную зональность.
Относительно низкие температуры воздуха обеспечивают большую растворимость О 2 .
Особенно много его в воде в период вегетации водных растений. В период их
интенсивного развития верхние горизонты воды пересыщаются О2 и почти лишаются
СО2 . Резко повышается рН (до 9---10). С глубиной рН и содержание О 2 снижаются,
нижние горизонты воды даже летом имеют нейтральную или слабокислую реакцию.
Эта же реакция присуща поверхностным горизонтам в остальные периоды года, а
также летом в ночное время.
На дне озер накапливаются остатки водорослей и других растений, мелких
животных, рыб. Для разложения этой массы, как правило, не хватает кислорода,
создается восстановительная глеевая среда, образуется "
гнилой озерный ил"
сапропель --- коллоидная студенистая масса желтого, бурого и зеленоватого цвета.
Помимо органических веществ ил содержит минеральные соединения,
преимущественно глинистые частицы --- продукт эрозии почв и пород бассейна озера.
Еh сапропеля низкий, местами ниже 0, рН 6---7. В крупных озерах зольность
сапропеля составляет 20---60%, но в небольших лесных озерах она значительно ниже
(до 0,1%). В образовании сапропеля важная роль принадлежит микроорганизмам,
личинкам комаров, червям и другим мелким животным, которые пропускают через
свой организм большие массы ила. Процессы, протекающие в иле, иные, чем в почве,
и сапропель по химическому составу и свойствам значительно отличается от гумуса и
торфа, хотя нередко содержит гумусовые кислоты. Он богат белковыми веществами, в
нем больше Н и меньше С, чем в торфе, реакция нейтральная или слабокислая. В
сапропеле накапливаются Mn, Co, Cu, V, Zn и другие микроэлементы. Мощность
сапропеля местами измеряется многими метрами.
Сапропель откладывается обычно в более глубоких частях озера, в береговой
полосе в донных отложениях (песчаных, суглинистых) господствует окислительная
среда. На участках дна, где высачивается Fe, возникают кислородные барьеры А6 и
А7, на которых концентрируется лимонит. Железо может приноситься в озера и с
речной водой в виде тонкой суспензии гидроксидов или железоорганических
соединений. Вместе с Fe на дне озера нередко аккумулируется Mn (в виде
коллоидных гидроксидов четырех- и двухвалентного Mn). В некоторых озерах в
осадках накапливается сидерит (FeCO3) и лептохлориты. Процессы накопления Fe и
Mn в озерных осадках разнообразны как в геологическом (седиментационные,
диагенетические и прочие процессы), так и геохимическом отношениях.
Озера --- геологически сравнительно кратковременные образования. Они
постепенно зарастают и превращаются в низинный торфяник, в котором под слоем
торфа залегает сапропель. Значительная часть низинных торфяных болот России
образовалась в результате зарастания озер. Здесь проявляется механизм
положительной обратной связи. Дальнейшая эволюция низинного торфяника может
быть различной, часто он превращается в верховой торфяник.
Выше была рассмотрена лишь общая схема геохимического сопряжения кислого
южнотаежного ландшафта. Часто имеет место большее разнообразие элементарных
ландшафтов.
Итак, в кислой южной тайге Н + оказывает влияние на все свойства ландшафта, на
миграцию в нем химических элементов, на флору и фауну. Почти все химические
процессы протекают или под влиянием Н + , или при его непосредственном участии.
Поэтому Н + --- типоморфный ион ландшафта. Для сопряженных ландшафтов болот,
кроме Н + , типоморфно Fe.
Для кислой тайги характерен дефицит многих элементов, особенно Са. Здесь в
изобилии растут лишь растения, хорошо переносящие кислую реакцию, недостаток
Са. Моллюски и другие животные с известковым скелетом имеют меньшие размеры и
более тонкие раковины, яйценосность птиц уменьшается, яичная скорлупа становится
тонкой и пористой. На "
кислых" пастбищах домашние животные теряют
породистость, скот становится приземистым, малорослым, удойность коров падает. У
животных развивается ломкость костей, остеопороз, рахит и другие болезни. Для
домашних животных здесь дефицитны также Р и Na. В этих ландшафтах нередко
дефицитен Со, входящий в состав витамина В 12, регулирующего кроветворение. В
результате овцы, реже крупный рогатый скот, подвержены тяжелой болезни ---
акобальтозу. Недостаток Сu в кормах ослабляет синтез окислительных ферментов и
даже вызывает ряд заболеваний. Местами недостаток J приводит к нарушению
функции щитовидной железы, развитию эндемического зоба и у домашних животных,
и у человека. Дерново- подзолистые почвы бедны В , от недостатка которого страдают
лен, свекла, яблони и другие плодовые деревья. В кислых почвах плохо мигрирует
Мо, в связи с чем местами наблюдается дефицит этого металла. Особенно страдают
бобовые растения. Местами в кислых ландшафтах для растений избыточен Mn,
установлен антагонизм между Mn и Fe, Mn и Са. Геохимию Cu, Со, J и других
микроэлементов в ландшафтах нечерноземной зоны изучали Г .Д. Белицина, Е . М.
Никифорова, Е.М. Коробова, А.И. Обухов, В.П. Учватов, И.А. Якушевская и др.
Для борьбы с кислой реакцией широко используется известкование. Добавление в
почву углекислой извести резко изменяет физико- химические и биологические
процессы, направляет их в полезную для культурных растений сторону. При этом
уменьшается не только кислотность почвы, но также концентрация вредных
соединений Al и Mn, создаются хорошие условия для жизни полезных
микроорганизмов, повышается содержание подвижных форм N, P, K, Ca, Mg, Mo и
других важных для растений элементов. Большое значение имеют азотные,
фосфорные, а местами и калийные удобрения.
Для развития животноводства в кислых ландшафтах также необходима химизация.
Добавка солей Са, Р , Сu и J в корма во многих районах повышает продуктивность
животных и предупреждает заболевания.
Воды кислой южной тайги, как правило, содержат мало F (менее 1.10-3 г/л), с чем
связано широкое распространение здесь кариеса зубов.
Тысячелетиями миграция элементов в кислых таежных ландшафтах направлена в
сторону выщелачивания из почв подвижных элементов, которые частично накопились
на геохимических барьерах в подчиненных ландшафтах --- болотах, поймах,
сапропеле. Действуя вопреки природе, человек может в короткий срок вернуть в
автономный ландшафт то, что было удалено из него за много веков.
Геохимические формулы кислой южной тайги следующие: 1. Для автономного
ландшафта:
N,P,K,Ca,Na,Co,Mo,Cu,B,J,F,Zn...
H+ (Mn)
2. Для подчиненного болотного ландшафта:
O, N, P, K, Ca, Cu, Na...
H2O, H+ (Mn)
Для кислого класса характерны все три основных рода ландшафтов. К 1 роду
относятся
кислые южнотаежные равнины, сложенные преимущественно
бескарбонатными четвертичными отложениями валунными и другими суглинками
(несколько видов). Особенно своеобразны полесские ландшафты --- южнотаежные
лесисто-болотистые равнины на кварцевых песках (Мещерская низина, Приветлужье,
Молого- Шекснинское междуречье и др.). Эти районы относятся частично к подзоне
южной тайги, а частично к зоне смешанных лесов. Однако в геохимическом
отношении они имеют много общего, поэтому мы их объединяем в один полесский
вид ландшафтов (по Белорусскому и Украинскому полесьям). Геохимия полесских
ландшафтов изучалась И .А. Авессаломовой, В .А. Ковалевым, В.А. Кузнецовым, В . К .
и К.И. Лукашевыми, Б.Ф. Мицкевичем и др.
На кислородном барьере А6 в болотах и озерах осаждаются гидроксиды Fe. В
полесьях Белоруссии "
рудные поля" железа достигают нескольких гектаров,
мощность пласта болотных руд обычно около 1 м . В рудах концентрируются Mn, Cr,
Co, Cu, Pb, V, Ni, Ba, Zn. Ниже уровня грунтовых вод нередко встречается вивианит.
Поймы рек служат геохимическим барьером, препятствующим выносу из ландшафта
многих подвижных элементов. В почвах здесь аккумулируются Са, S, Co, Fe, Al, Mn,
V, Cr, Cu, Ni и т.д. (Э.Б. Тюрюканова и др.).
Существует несколько видов полесских ландшафтов. Так, припятские ландшафты
формируются на мощных кварцевых песках, а коростеньские --- на маломощных
кварцевых песках, подстилаемых изверженными и метаморфическими породами.
Последние распространены в Украинском полесье, где граниты, гнейсы и другие
породы Украинского кристаллического щита, а также их древние коры выветривания
залегают под песками на глубине нескольких метров. Б . Ф . Мицкевич и другие
украинские геохимики показали, что в коростеньских ландшафтах эффективны
биогеохимические (например, опробование листьев березы), литохимические (по
горизонтам А и В, торфометрия) и гидрогеохимические поиски.
В полесьях особенно резко выражен дефицит N, P, K, Ca, Mg, Co, Cu, F. Широко
распространены связанные в этим дефицитом заболевания растений и домашних
животных. Геохимическая формула содержит особенно много дефицитных элементов:
Кварцевые пески имеют флювиогляциольное или древнеаллювиальное
происхождение, они образовались преимущественно за счет размыва морены и
нередко на 98% состоят из SiО2 . Содержание Р , К , Са и др. биологически важных
элементов в них ничтожно, чем и определяется физико- географическое и
геохимическое своеобразие данных ландшафтов. Это плоские равнины, на которых
автономные ландшафты --- сосновые и сосново-еловые леса чередуются с болотами,
поймами, реками и озерами. Среди древесных пород преобладает сосна как более
приспособленная к бедным песчаным почвам. Показатели бика в сосняках не намного
ниже, чем в ельниках (табл. 7.4). Это еще одно доказательство, что главное условие
жизни --- солнечный свет, кислород, тепло и влага, а к дефициту водных мигрантов
жизнь приспосабливается, вырабатывая формы, довольствующиеся малым. Оно
находит выражение в низкой зольности сосняков. Из- за крайней бедности кварцевых
песков в питании растений важную роль играют Са, Na, Mg, K, S, Cl, поступающие с
атмосферными осадками.
Озера, расположенные среди болот и песков, бедны жизнью, их вода имеет кислую
реакцию, богата органическими веществами, особенно слабо минерализована.
Озерные илы содержат много гумусовых веществ и торфяного детрита, сапропеля нет.
И здесь вода в реках, текущих среди болот, за счет растворенных гумусовых веществ
напоминает по цвету крепкий чай. Зимой свободный О2 подо льдом в реках может
почти полностью отсутствовать. В этих условиях происходит массовая гибель рыб ---
" замор", который наблюдался на Припяти, Мологе и других реках.
Таблица 7.4
Параметры бика в ельниках и сосняках южной тайги
Показатели
I. Сосняки
II. Ельники
I
П
Биомасса Б, ц/га
2800
3300
84
Ежегодная продукция
61
85
71
П, ц/га
0,52
0,55
94
Опад 0, ц/га
47
55
85
Средняя зольность
опада, %
0,9
1,6
56
Возвращается с
опадом зольных
элементов, ц/га
0,42
0,85
49
На кислородном барьере А6 в болотах и озерах осаждаются гидроксиды Fe. В
полесьях Белоруссии "
рудные поля" железа достигают нескольких гектаров,
мощность пласта болотных руд обычно около 1 м . В рудах концентрируются Mn, Cr,
Co, Cu, Pb, V, Ni, Ba, Zn. Ниже уровня грунтовых вод нередко встречается вивианит.
Поймы рек служат геохимическим барьером, препятствующим выносу из ландшафта
многих подвижных элементов. В почвах здесь аккумулируются Са, S, Co, Fe, Al, Mn,
V, Cr, Cu, Ni и т.д. (Э.Б. Тюрюканова и др.).
Существует несколько видов полесских ландшафтов. Так, припятские ландшафты
формируются на мощных кварцевых песках, а коростеньские --- на маломощных
кварцевых песках, подстилаемых изверженными и метаморфическими породами.
Последние распространены в Украинском полесье, где граниты, гнейсы и другие
породы Украинского кристаллического щита, а также их древние коры выветривания
залегают под песками на глубине нескольких метров. Б . Ф . Мицкевич и другие
украинские геохимики показали, что в коростеньских ландшафтах эффективны
биогеохимические (например, опробование листьев березы), литохимические (по
горизонтам А и В, торфометрия) и гидрогеохимические поиски.
В полесьях особенно резко выражен дефицит N, P, K, Ca, Mg, Co, Cu, F. Широко
распространены связанные в этим дефицитом заболевания растений и домашних
животных. Геохимическая формула содержит особенно много дефицитных элементов:
1. Для автономного ландшафта:
Н+ N,P,K,Ca,Mg,Na,Cu,Co,J,F,B,Mo... .
?
2. Для болот:
H+ ---Fe2+ O,N,P,K,Ca,Mg,Na,Cu,Co,J,F... .
H2O
Ландшафты кислой южной тайги II рода --- южнотаежные возвышенности, также
включают в себя несколько видов: на покровных суглинках, валунных суглинках,
коренных породах и т . д . Ко II роду относятся и валдайские ландшафты с холмисто-
котловинным конечно- моренным рельефом. Это геологически молодые ландшафты,
их территория покрывалась ледником тысячи, максимум десятки тысяч лет назад.
Эрозия еще не успела преобразовать и упорядочить первичный аккумулятивный
рельеф --- чередование моренных холмов, озов, камов, друмлинов и котловин,
занятых озерами и болотами. Наиболее богат видами III род --- кислых южнотаежных
низкогорий и среднегорий. Они характерны, например, для Среднего Урала, где
изучались М . А. Глазовской, Н . П . Солнцевой и др. (виды на гранитоидах, сланцах и
т.д.).
Ландшафты кислого глеевого класса (кислая глеевая тайга). Это сильно
заболоченная тайга, распространенная на плоских слабодренированных равнинах
(Западная Сибирь, Мещера и др.), где легко развивается поверхностное
заболачивание. Автономные ландшафты во многом аналогичны подчиненным
ландшафтам кислой тайги. Величины Б и П здесь низкие --- до 800 и 40. Однако
соотношение между ними меняется мало, К почти такой же, как в незаболоченной
южной тайге, --- 0,55. В биомассе возрастает роль мхов, количество которых
достигает 50---100 ц/га (в кислой тайге не более 10---15). Резко увеличивается и доля
зеленой части (до 40% против 3---9% в кислой тайге). Абсолютное количество
зеленой массы изменяется мало, т . е . растениям здесь труднее "работать" --- одно и то
же количество зеленой массы накапливает меньше органического вещества.
Разложение растительных остатков протекает медленно, накапливается много
подстилки, и "подстилочный индекс" достигает нескольких десятков. В подзолисто-
болотных почвах развивается оглеение, у них сильнокислая реакция (рН верхнего
горизонта часто равен 4), характерны подвижные формы гумуса. Почвенные и
грунтовые воды, как и в других таежных ландшафтах, мало минерализованы,
содержат органические кислоты и Fe. Подчиненные ландшафты --- болота, озера, реки
в общем аналогичны рассмотренным ранее. Низкая биологическая продуктивность
кислой глеевой тайги в первую очередь объясняется дефицитом кислорода, который
вызывает дефицит других элементов. Избыточны Fe2+ и Н + . Ландшафт
характеризуется низкой геохимической контрастностью: и автономные, и
супераквальные ландшафты в геохимическом отношении имеют много общего, их
геохимическая формула следующая:
Н+ ---Fe2+ O,N,P,K,Ca,Na....
H2O (Fe2+ ?, H+ ?)
Ландшафты кальциевого (
Са) и переходного (
Н-Са) классов. Наиболее
существенные геохимические особенности кальциевой южной тайги связаны с
участием в миграции карбонатных пород --- известняков и доломитов, а также
карбонатной морены и других силикатных пород, содержащих углекислую известь.
Для данного класса наиболее характерны II и III роды --- кальциевые южнотаежные
возвышенности и кальциевая горная тайга. Особые виды ландшафтов развиваются на
известняках, гипсоносных породах, карбонатной морене, пермских красноцветах и
других богатых Са породах.
Богатство горных пород подвижным Са оказывает большое влияние и на
организмы, и на почвы, и на воды, обусловливая резкое отличие данных ландшафтов
от кислой тайги. Автономный ландшафт характеризуется видовым разнообразием,
высокой продуктивностью, хорошим ростом деревьев, богатым травостоем и
кустарниковым ярусом, высокой самоорганизацией. В южной тайге велика биомасса
(3500 ц /га) и ежегодная продукция (100 ц/га), но коэффициент К сохраняет свои
" таежные" значения и равен 0,56 (см. табл.). Возможно, что его небольшое
повышение связано с участием лиственных деревьев и трав в бике. Подвижные
соединения Са обуславливают нейтральную, слабощелочную и даже щелочную
реакцию почв (рН верхних горизонтов 7---8) и насыщенность поглощающего
комплекса Са и Mg. Обменного водорода почвы не содержат. Коллоиды неподвижны,
так как они коагулируются ионами Са и Mg на месте образования. Подобные условия
весьма благоприятны для накопления гумуса (до 7% и выше). Эти дерново-
карбонатные почвы резко отличаются от дерново- подзолистых почв кислой южной
тайги. В слабощелочной среде выветривание направлено в сторону образования
минералов монтмориллонит-бейделлитовой группы, Cu, Pb и другие металлы
обладают низкой миграционной способностью и не выносятся или слабо выносятся из
почвы. Методика литохимических поисков в районах развития таких почв более
проста, пробы можно отбирать с поверхности. Кора выветривания представлена
обычно щебнем известняка с примесью глинистого мелкозема. Она также относится к
карбонатному классу, характеризуется слабощелочной реакцией. Глины имеют
высокую сорбционную способность. Континентальные отложения богаты СаСО3 .
Богатство почв и пород Са обусловливает сравнительно высокое содержание этого
элемента в подземных и поверхностных гидрокарбонатнокальциевых водах, которые
отличаются повышенной минерализацией, местами жесткостью, нейтральной или
слабощелочной реакцией. Са --- мощный коагулятор, в связи с чем воды прозрачны,
бедны коллоидами (в том числе и органическими). В этих водах мала миграционная
способность Fe, малоподвижного в нейтральной и щелочной среде. Легко мигрируют
Мо, U и другие анионогенные элементы. Мигрирует и Mn, вероятно, в условиях
слабоокислительной среды, поэтому по трещинам в известняках встречаются черные
пленки гидроксидов Mn. Местами распространен карст. В нижних частях склонов
грунтовые воды выходят на поверхность в виде ключей с жесткой, чистой и
прозрачной водой. На термодинамическом барьере Н3 осаждается кальцит в форме
известковых туфов, порошковатой массы. На кислородном барьере А7 местами
осаждается Mn.
Так как сопряженные надводные ландшафты питаются жесткими грунтовыми
водами, то они также богаты Са. В местах близкого залегания грунтовых вод (0,5---
1,0 м) развиты низинные болота с разнообразной растительностью. Са
благоприятствует интенсивному разложению растительных остатков, накоплению
черного, хорошо разложившегося, мажущегося торфа (луговой торф). В нижней части
болотной почвы из грунтовых вод аккумулируется углекислая известь (луговой
мергель), здесь развито карбонатное оглеение (малоподвижное Fe, подвижный Mn).
Минерализация вод озер кальциевой тайги в 8---10 раз выше, чем в кислых
таежных ландшафтах. Озерные воды бедны Р , малоподвижным в слабощелочной
среде, РОВ и Fe. Сапропель богат карбонатами.
Организмы Са- тайги имеют все признаки достаточного кальциевого питания. По
сравнению с кислой тайгой здесь реже встречаются болезни скелета (рахит,
остеомаляция и др.), домашние животные более рослые, молочность коров и
яйценосность кур выше, у яиц более прочная скорлупа, в реках больше моллюсков, и
они имеют более толстую и прочную раковину, рога косуль развиваются лучше, весь
организм их крепче и устойчивее к заболеваниям и т . д. Таким образом,
геохимические особенности данного ландшафта в значительной степени связаны с
интенсивной миграцией и аккумуляцией Са, который обусловливает нейтральную и
щелочную реакцию почв, вод, коагулирует коллоиды, входит в состав большинства
продуктов выветривания и почвообразования, является одним из основных
компонентов почвенных, грунтовых и поверхностных вод. Са --- типоморфный
элемент данного ландшафта. Природный кальциевый ландшафт по уровню
самоорганизации значительно превосходит ландшафты кислого класса.
Дерново- карбонатные почвы кальциевой тайги ценны для земледелия. Высоким
плодородием обладают и низинные торфяники, которые после осушения особенно
пригодны для посевов овощей. Именно поэтому ландшафты Са- класса являлись
первыми объектами земледельческого освоения, в них издавна вырубались леса и
распахивались почвы. В эпоху, когда европейские степи представляли "дикое поле",
заселенное половцами и другими кочевниками, ландшафты Са- класса были основной
житницей Новгородской республики и других северорусских территорий. Там
возникали города, монастыри, резко росло население, ландшафт приобретал
" открытость", внешне напоминал лесостепь. Он резко отличался от окружающей
кислой и кислой глеевой тайги. Велика роль подобных ландшафтов и в последующей
истории, в том числе в истории культуры России. И в современную эпоху ландшафты
кальциевого класса представляют высокую хозяйственную ценность. Все же и для них
характерен дефицит некоторых элементов, и для повышения продуктивности
сельского хозяйства здесь необходимо внесение азотных, фосфорных и калийных
удобрений. В некоторых ландшафтах доказана дефицитность для растений В , Cu, Zn,
Mn, Co. Геохимическая формула автономного ландшафта следующая:
Са2+ N, P, K, (B, Cu, Co), J, Zn, Mn...
...
Высокая плотность населения определяет ряд экологических проблем в
ландшафтах Са- класса --- борьбы с техногенным загрязнением, сохранение
исторических памятников и др. Геохимическое изучение археологических объектов
(ископаемой древесины, монет и т . д .) позволяет решать ряд задач, как, например,
определение абсолютного возраста древесины на основе содержания радиоактивного
углерода, установление экономических связей путем анализа элементов примесей в
монетах и др. Имеется опыт использования геохимии ландшафта в археологии (А. К .
Евдокимова и др.).
Интересна геохимическая эволюция кальциевых ландшафтов. В начале
ландшафтообразования углекислая известь содержится с поверхности во всех
отложениях --- известняках, красноцветах, морене, автономные ландшафты особенно
богаты Са. По мере развития ландшафта происходило вымывание углекислой извести
из верхних горизонтов почв, причем наиболее быстро эти процессы протекали на
карбонатной морене, красноцветах и других породах, содержащих меньше
подвижного Са. В зависимости от состава пород, а также от особенностей рельефа
(плоская равнина, склон и т . д .) создалась пестрая картина элементарных ландшафтов,
каждый из которых представляет различную стадию обеднения ландшафта Са,
замещения его водородным ионом, оподзоливания почв. В ходе этого процесса
прежде всего лишились большей части Са автономные ландшафты и значительно
позднее появились подчиненные кислые ландшафты --- кислые болота и озера с
безизвестковым сапропелем. Геохимические ландшафты со слабокислыми почвами,
близким залеганием карбонатов в профиле и т . д . относятся к особому переходному
(Н -Са) классу. Он распространен в европейской южной тайге и на Урале
(южнотаежные возвышенности на пермских красноцветах Прикамья и др.).
Южнотаежные ландшафты, переходные от кислых к магниевым (Н + -Mg2+).
Резкое преобладание Mg над Са в горных породах оказывает большое влияние на
ландшафт, Mg становится типоморфным элементом. Подобные ландшафты известны
на Среднем и Южном Урале в районах распространения ультраосновных пород.
Организмы здесь получают много Mg, повышенное количество Cr, Ni, Co. Бик
своеобразен, преобладают светлые сосновые леса, много представителей особой
" серпентинитовой флоры". Данные ландшафты --- природная лаборатория, в которой
жизнь в течение миллионов лет развивалась в условиях преобладания Mg над Са.
Эволюция здесь, несомненно, протекала своеобразно, вероятен "отбор на Mg-основе"
(центр видообразования?). Изучение Н -Mg-тайги помимо теоретического имеет и
прикладное значение. Важно изучить заболеваемость в "
магниевых" населенных
пунктах, что позволит уточнить роль Mg в организме человека и животных. В этих
ландшафтах возможны поиски руд Ni, Cr, Co, Fe, Pt и других металлов.
Южнотаежные ландшафты сернокислого (Н + --- SО4 2-) класса (сернокислая
южная тайга). К сульфидным месторождениям в тайге приурочены ландшафты с
сернокислыми водами, возникающими за счет окисления сульфидов. Местами они
содержат n.10-2 г/л Cu, Zn и других металлов по сравнению с n.10-6 --- n.10-7 г/л в
фоновых условиях. Почвы на выходах руды, на склонах, сопряженных аллювиальных
отложениях и низинных торфяниках обогащены рудными элементами. Концентрация
сульфат- иона в водах создает возможность развития десульфуризации в подчиненных
ландшафтах, там возникает сероводородный барьер В 1---В 2 . В болотных отложениях,
озерных илах появляются сульфиды Cu, Zn и других металлов. Считается, что
накопление рудных элементов в аллохтонных отложениях, перекрывающих рудные
тела (например, в морене), связано с диффузионными процессами.
Зона окисления сульфидных руд в тайге формируется значительно медленнее, чем
во влажных тропиках. Это объясняется низкими температурами летнего периода и его
малой продолжительностью. Зона здесь менее мощная и слабее выщелочена, ее легче
обнаружить и оценить. Местами в тайге сохранились древние (доледниковые) зоны
окисления, формировавшиеся в течение геологически длительного времени в
условиях пенепленизированного рельефа, влажного и теплого климата. В
биологический круговорот сернокислых ландшафтов вовлечены многие рудные
элементы, их содержание в растениях повышено. Таким образом, вокруг выходов
сульфидных руд в тайге образуются ореолы рассеяния металлов в почвах,
континентальных отложениях, водах, растениях, животных. Здесь эффективны все
основные виды геохимических поисков.
Для сернокислых ландшафтов характерен дефицит N, P, K, Ca и избыток многих
элементов. Из- за высокого содержания некоторых металлов в почвах и водах
возможны заболевания людей, растений и животных. Поэтому многочисленны
экологические проблемы этих ландшафтов, в первую очередь --- борьба с
загрязнением окружающей среды, создание техногенных геохимических барьеров,
локализующих загрязнение.
Обобщенная геохимическая формула южнотаежных сернокислых ландшафтов
следующая:
Н+ --- SО42- N, P, K, Ca...
(Pb,Mo,Cu,Zn,Ag. ..)
Северотаежное семейство
Главная особенность этого семейства --- меньшая интенсивность бика по
сравнению с южной тайгой, т . е . меньшие значения Б , П и О, более медленное
разложение органических веществ, более слабая биогенная аккумуляция в почвах.
Однако соотношение между логарифмами П и Б не меняется, коэффициент К равен
0,54.
Для северотаежного семейства характерны разреженные осветленные леса с
угнетенными деревьями и низким бонитетом. Процессы образования живого вещества
близки к средней и южной тайге, а особенности разложения органических веществ и
связанные с ним выветривание, почвообразование и формирование химического
состава вод ближе к тундре. Впервые на это обратил внимание в 1930 г . Р .С. Ильин,
отметивший, что тундровые и северотаежные грунтовые воды европейской России
образуют единую "зону высоких вод Севера". Позднее, уже с позиций геохимии
ландшафта, А. И . Перельман установил близость водной миграции северной тайги и
тундры. Однако, учитывая примат таксономического значения образования живого
вещества над разложением органических веществ, северную тайгу следует относить к
таежному типу. Поэтому границы ландшафтных, почвенных и гидрохимических зон
на Севере не совпадают.
В северной тайге наиболее распространен кислый глеевый класс ландшафта, но
встречаются здесь и ландшафты кислого, переходного, кальциевого, сернокислого и
других классов (особенно в ландшафтах II и III рода).
Кислая северная тайга формируется на бескарбонатных породах в условиях
хорошего дренажа, т . е. преимущественно в горах (III род) и частично на
возвышенностях и равнинах (II род). По В.О. Таргульяну, для этой тайги характерна
малая мощность коры выветривания, которая совпадает с почвой. Интенсивно
измененные горизонты обычно залегают в пределах 0,5 м , общая мощность продуктов
почвообразования и выветривания редко превышает 1,5 м . В разрушении скальных
пород физическое выветривание явно преобладает над химическим, чем объясняется
" обломочность" профиля, преобладание частиц более 1 мм. Глинообразование
протекает слабо, и мелкоземистые продукты выветривания представлены главным
образом легкими суглинками.
Растительные остатки разлагаются медленно, растворимые продукты быстро
удаляются из почвы с просачивающимися водами. В результате в верхней части
почвы накапливаются преимущественно грубый гумус и торфянистые продукты.
Агрессивные растворимые фульво- и гуминовые кислоты дают подвижные комплексы
с Fe и Al. Са, Mg, K и Na, поступающие в почву в ходе выветривания и разложения
растительных остатков, легко вымываются. Их не хватает для нейтрализации
органических кислот, поэтому в верхней части почвы господствует сильнокислая
реакция (рН около 4), поглощающий комплекс резко ненасыщен Са и Mg. Fe и Al,
мигрирующие с гумусом, частично осаждаются в нижней части почвенного профиля,
образуя иллювиальный железо- алюминиево- гумусовый горизонт буроватого или
красноватого оттенка. М .А. Глазовская подчеркивает интенсивную миграцию Al в
северной тайге Карелии и Кольского полуострова, что находит выражение в
формировании иллювиально- гумусовых глиноземных подзолов, в высоком
содержании Аl в золе растений. Он здесь типоморфный элемент. Глазовская выделила
особую Скандинавскую фульватно- железисто- алюминиевую
ландшафтно-
геохимическую провинцию.
Кислые гумусовые воды выносят SiО2 , и почва, как и во влажных тропиках,
относительно обогащена R
2О3 . В элювиальных почвах разлагаются первичные
силикаты, алюмосиликаты и кварц. Глинистая фракция состоит из гидрослюд,
смешаннослойных минералов, вермикулита и каолинита. Однако каолинизация в
северной тайге имеет подчиненное значение. Характерные продукты выветривания ---
ренгтеноаморфные гидроксиды Fe и Al, аллофаноиды, органоминеральные
комплексы. В почве наблюдается и механическое передвижение глинистых суспензий,
которые аккумулируются на механическом барьере в нижних горизонтах на
поверхности обломков пород в форме пылевато- илистых покрытий. Несмотря на то,
что выветривание в северной тайге протекает медленно, щелочные и
щелочноземельные элементы беспрепятственно выносятся из почвенной толщи, и
морфологически подзолистость выражена достаточно отчетливо (но не во всех
автоморфных почвах). Иначе говоря, в автономных ландшафтах не существует
физико- химических барьеров для большинства подвижных элементов.
В кислой северной тайге В .О. Таргульян выделил два типа почв. В подбурах слабо
выражены морфологические признаки оподзоливания и торфянисто- грубогумусовый
горизонт книзу сменяется бурым иллювиальным, в котором аккумулируются гумус и
гидроксиды Fe. В подзолистых Al---Fe-гумусовых почвах выделяется подзолистый
горизонт, книзу переходящий в гумусо- железисто- алюминиевый горизонт. По
важнейшим физико- химическим свойствам подбуры и подзолистые Al---Fe-гумусовые
почвы близки, так как для них характерно кислое выщелачивание, образование
иллювиального горизонта (
иллювиально- гумусовое оподзоливание), накопление
аморфных форм железа и алюминия в верхней части профиля. По М .А. Глазовской,
они относятся к одному семейству --- альфегумусовых почв, а по А. И . Перельману ---
одному классу --- кислых таежных почв.
По В .О. Таргульяну, общая минерализация рек в северной и средней тайге кислого
класса не превышает 200 мг/л , часто колеблется в пределах 30---100 мг/л , рН близок к
нейтральному (6,8---7,2), но в весенние паводки снижается до 6 и даже 5. РОВ стоит
на втором месте после НСО3 -. Содержание элементов сильно колеблется по временам
года. В горно- таежных ландшафтах химическая денудация преобладает над
механической.
Для северной тайги характерны те же классы, что и для южной, но в иных
соотношениях. Здесь распространены все 3 рода, значительно число видов ---
аналогов. Так, например, аналогами полесских ландшафтов южной тайги в северной
тайге являются мезенские ландшафты.
Кислые глеевые северотаежные ландшафты развиты на слаборасчлененных
водораздельных поверхностях с породами глинистого и суглинистого состава,
замедленным дренажом, периодическим или длительным переувлажнением почв. В
этих условиях формируются как элювиально- глеевые (глее- подзолистые) почвы с
отчетливой дифференциацией полуторных оксидов и емкости поглощения в профиле,
так и гомогенные глеевые почвы с недифференцированным профилем (В . О.
Таргульян). Одним из основных признаков, отличающих эти почвы от неглеевых,
является отсутствие глинообразования, что не способствует сорбционному
накоплению элементов в средней части профиля. Кислородно- сорбционные
геохимические барьеры представлены в основном различными сегрегационнымии
рассеянными формами железа (ортштейны, примазки и др.). Особенно широко кислая
глеевая северная тайга распространена на севере Восточно- Европейской равнины.
Низкая самоорганизация и соответственно малая устойчивость ландшафтов
северной тайги определяет важность ландшафтно- геохимического подхода к
экологическим проблемам. Техногенез здесь нередко приводит к чрезвычайно
опасным последствиям --- сильному загрязнению среды, резкому нарушению
обратных связей, коренному изменению природных условий. Важное значение
приобретает теория геохимических барьеров.
Континентальная сибирская тайга
(без многолетней мерзлоты)
На Ландшафтной карте СССР М 1 : 2 500 000 эти ландшафты показаны в Западной
Сибири и частично в Восточной Сибири (Енисейский кряж, Приангарье, Саяны).
Таким образом, на карте объединены немерзлотные и мерзлотные районы. Однако
геохимическое значение многолетней мерзлоты столь значительно, что сибирские
таежные ландшафты мы разделили на два самостоятельных отдела: т аежно-
мерзлотный и таежный без многолетней мерзлоты.*
Последние ландшафты детально изучены Е . Г . Нечаевой на Обь- Иртышском
междуречье. По ее данным, биомасса древесного яруса здесь достигает 3000 ц/га.
Масса трав, естественно, много ниже, но роль их в бике тем не менее значительна,
особенно в круговороте Si, Al, Ti, Mg, Ba, Sr, Pb, Cu. Говоря о вещественно-
энергетической стороне бика, Е . Г . Нечаева вводит понятие о его функциональном
ядре, которым является углеродно- кальциевый комплекс. Детально охарактеризована
водная миграция, которую автор трактует как функцию бика. Так, одна малая таежная
река за год выносит (в тоннах): органического вещества --- 774, СаО --- 546, Na2O ---
218,MgO---110,SiO2 ---108,SO3 ---51,K20---31,Al2O3 ---11,Fe2O3 ---5,P2O5 ---
1,75 и MnO --- 0,55 (средний расход воды за год --- 0,2 м 3/с, сухой остаток --- 0,3 г/л).
Данные о кислотно- щелочном состоянии вод приведены в таблице 7.5, а в таблице 7.6
--- содержание элементов в разных компонентах ландшафта.
Е . Г . Нечаева охарактеризовала ландшафты кислого и кисло- глеевого классов,
сформировавшиеся на четвертичных отложениях. Это несколько видов, относящихся
к I роду (плоские равнины). К этому же роду относятся и весьма своеобразные
ландшафты южной тайги Зауралья в области древнего пенеплена, перекрытого
маломощными четвертичными отложениями. Неглубоко залегающие здесь
изверженные и метаморфические породы и их коры выветривания находятся в
пределах ландшафта и во многом определяют его геохимические особенности.
Выделяются виды на древней коре выветривания, на гранитоидах, на пегматитовых
полях и др. Эту группу видов мы предложили именовать мурзинскими ландшафтами
(по селу Мурзинка --- центру древнего горного промысла, где в примитивных копях
начиная с XVII в . шла добыча драгоценных камней из пегматитовых жил. В Мурзинке
изучал пегматиты А. Е . Ферсман).
Южнотаежные равнины Западной Сибири не подвергались оледенению и пережили
сложную историю. В прошлом здесь был более сухой климат, ландшафт, вероятно,
относился к переходному (
Н -Са) классу. В настоящее время карбонаты в
четвертичных глинах и суглинках залегают на глубине 2---3 м , в ландшафте много
геохимических реликтов (второй гумусовый горизонт в почвах и др.).
Особенно разнообразны виды в ландшафтах II и III рода --- сформировавшихся в
условиях расчлененного рельефа возвышенностей и гор. Отметим во II роде
ландшафты Салаира и Кузнецкого Алатау на древней коре выветривания, в III ---
ландшафты Алтая на метаморфических и изверженных породах.
Таежно- мерзлотные ландшафты
Многолетняя мерзлота является столь мощным геохимическим фактором, что
рационально объединить все таежно- мерзлотные ландшафты в один отдел, хотя они
распространены в условиях континентального, резкоконтинентального и частично
приокеанического климата. Геохимия этих ландшафтов изучалась в Приангарье (В . А.
Снытко), Забайкалье (И .А. Морозова, Э. Ф . Жбанов, А. И . Перельман, А. Е . Самонов,
Т.Т. Тайсаев, В.Н. Щетников и др.), на Алдане (В.Л. Кожара, И.Б. Никитина, Л.Г.
Филимонова и др.), на Дальнем Востоке (П . В . Ивашов, В . М. Питулько). Ценные
выводы принадлежат представителям Томской гидрогеохимической школы (П.А.
Удодов, Н. М . Рассказов, С. Л . Шварцев и др.).
Таблица 7.5
Кислотно- щелочное состояние природных вод таежного Прииртышья
(пределы изменений и средние данные по наблюдениям в 1976---1983 гг.)
Природные воды
Реакция Щелочность Жесткость
НСО3 -
среды (рН)
мг- экв/л
Са2+
Атмосферные осадки:
на открытой
5,3---7,0
0,3---0,5
0---0,2
поверхности;
6,2
0,4
0,1
4,0
под древесным
4,2---6,5
0,2---0,7
0,1---0,4
2,5
пологом.
5,4
0,5
0,2
Почвенные растворы
(из- под слоя 0-10см):
лесов
4,7---6,1
0,4---0,9
0,5---1,4
0,7
5,5
0,6
0,9
вырубки леса ---
5,6---6,8
0,6---0,8
0,3---0,6
1,7
залежи
6,3
0,7
0,4
Речные воды (малые 6,8---8,2
1,7---6,2
1,4---5,3
1,2
притоки Иртыша)
7,5
3,7
3,1
р. Иртыш
6,4---7,2
1,5---2,4
1,5---2,4
1,0
6,9
1,9
1,9
Озерные воды
6,7---7,9
0,9---1,8
0,7---1,5
1,2
7,0
1,3
1,1
Болотные воды
3,0---6,0
0,1---0,8
0,2---0,9
0,8
4,4
0,4
0,5
Таблица 7.6
Концентрация химических элементов в природных компонентах
южно-таежного Прииртышья (1.10-2% от минерального вещества)
Воды
Элемент
Лесной Торф Почва Порода почвен- болот- малых
опад
ные
ные
рек
Кремний
430
2350 3600 3340 754
807
486
Кальций
2200
700 110
90 2250
1550 3710
Магний 770 190
40
87
630
500 627
Алюминий 260 920
650 630
92
533 53
Железо 85
300
340 320
190
397 30
Калий 460 120
158 178
850
905 224
Натрий 44
40
109 110
868
1132 1346
Сера
130 240
11
15
715
407 178
Фосфор 48
38
5
3
30
367
Марганец
250
11
7
6
44
60
5
Титан
14
40
60
60
4
6
3
Барий
36
4
7
6
23
25
9
Стронций
11
2
4
5
16
8
13 Цинк
7,0
3,0
1,0
1,0
6,0
7,0
1,3 Медь
1,4
0,6
0,2
0,2
2,8
2,1
0,5
Кобальт 0,4
0,1
0,2
0,3
0,2
0,4 0,04
Никель 0,7
0,3
0,4
0,8
2,0
1,4 0,3
Хром
0,5
0,6
2,0
2,0
0,6
1,0 0,2
Цирконий 0,8
2,5
3,0
3,0
0,8
0,8 0,6
Свинец 0,3
0,6
0,2
0,2
0,4
0,9 0,1
Ванадий 0,4
0,6
0,7
1,0
0,5
1,2 0,2
Больше всего развита многолетняя мерзлота в северной и средней тайге Сибири. В
Восточной Сибири она встречается и в южно- таежных ландшафтах. Еще шире ореол
мерзлоты был в ледниковые эпохи, когда она распространялась не только на
современные южно- таежные районы, но на лесостепи и степи (например, в
Центральном Казахстане). Поэтому во многих немерзлотных ландшафтах встречаются
реликты эпохи многолетней мерзлоты.
Биомасса, ежегодная продукция, самоорганизация и устойчивость мерзлотной
тайги ниже, чем в немерзлотной, однако соотношения между Б и П близки. К равен
0,53---0,54.
Миграция элементов в многолетне мерзлом слое резко ослаблена, близкое его
залегание от поверхности уменьшает мощность ландшафта, резко сокращает
подземный сток, благоприятствует оглеению. Кроме льда мерзлые породы содержат и
жидкую воду, не замерзающую при отрицательной температуре. Такая вода мигрирует
в сторону более низких температур: зимой и осенью --- к земной поверхности, весной
и летом --- в обратном направлении. В результате вымораживания происходит
выпадение солей, накопление их в деятельном слое. Чаще всего это подвижные
соединения Fe и Mn. При таянии льда соли Са и Mg (хлориды, сульфаты, карбонаты)
переходят в раствор, а Са осаждается согласно известной реакции:
Са2+ + 2НСО3- Х СаСО3 + СО2 + Н2О
Этим некоторые авторы объясняют низкое содержание Са и СО2 в
маломинерализованных водах мерзлотных районов, увеличение в них роли Na и Mg
(иногда Mg > Са), формирование гидрокарбонатно- натриевых вод.
Многолетнемерзлые толщи --- это не зона геохимического покоя, т . к . здесь
протекают ионный обмен, окислительно- восстановительные реакции, возможна и
ослабленная миграция. Гипергенез при низких температурах И .А. Тютюнов назвал
криогенезом, для которого характерны повышенная растворимость газов в водах (в
том числе СО2 и О2 ), понижение рН вод, усиление выщелачивания карбонатов.
Миграция в мерзлых толщах происходит в результате передвижения пленочной влаги
и растворенных в ней веществ, меньшее значение имеет диффузия. В мерзлых грунтах
коллоиды коагулируются, что приводит к накоплению в почвах и коре выветривания
пылеватой фракции --- продукта агрегации. В результате сезонных криогенных
процессов выпучивается и сортируется по крупности каменный материал, поэтому в
почвах с поверхности залегает щебнистый горизонт, а под ним --- суглинистый с
щебнем. При крайнем выражении этого явления образуются скопления
крупнообломочного (глыбистого) материала --- курумы, геохимия которых детально
изучена И .А. Морозовой, Т . Т . Тайсаевым и другими исследователями. К этой же
категории явлений относится образование пятен медальонов, морозобойное
растрескивание почв. Даже на выположенных склонах (5---10о) развита солифлюкция,
причем смещение достигает многих сотен метров. В результате на рудных
месторождениях формируются оторванные ореолы рассеяния.
Маломощный деятельный слой полностью охвачен почвенными процессами; в
мерзлотных ландшафтах кора выветривания часто совпадает с почвой. Низкая
температура деятельного слоя ослабляет работу микроорганизмов, избыточное
увлажнение понижает интенсивность бика, почвообразовательный процесс
приобретает новые черты, формируются особые типы мерзлотных почв --- таежных
ожелезненных, палевых таежных, мерзлотных болотных и т . д .
Грунтовые воды в районах сплошной мерзлоты превратились в лед, в связи с чем
большую роль приобрел поверхностный и внутрипочвенный сток. В руслах рек
благодаря утепляющему влиянию вод мерзлота часто залегает глубоко, и здесь
возможно поступление в долину подмерзлотных вод. В местах их разгрузки
образуются наледи, с которыми связан термодинамический барьер Н6---Н7. За счет
понижения давления и выделения СО2 в наледь поступают карбонаты Са, Mg, Fe и
Mn. Летом после таяния льда на поверхности почвы остаются соли. П . Ф . Швецов
назвал такие пространства наледными геохимическими полями, И .А. Морозова ---
наледными полянами. В районе Удоканского месторождения медистых песчаников
(Забайкалье) на этих полянах И.А. Морозова установила комплексный окислительно-
сорбционный геохимический барьер (Cu, Ag, Bi).
Стекающие по мерзлой почве атмосферные воды растворяют большое количество
органических веществ. Поэтому поверхностные склоновые воды отличаются большой
цветностью, малой минерализацией (10---20 мг/л), низким рН (4,0---4,6) и резко
выраженным преобладанием в анионном составе SО4 2- (НСО3 - почти нет). По В . Н .
Щетникову, после сильных дождей почвы промываются столь энергично, что водные
вытяжки так же мало минерализованы, как атмосферные осадки. В половодье и при
сильных паводках речные воды также по общей минерализации не отличаются от
атмосферных осадков. В холодной воде органические соединения окисляются
медленно, воды особенно далеки от равновесия. Даже в горных районах реки имеют
коричневую богатую РОВ воду. По И . Б . Никитиной, ультрапресные воды мерзлотных
ландшафтов Алданского нагорья на силикатных породах содержат от 20 до 80 мг/л
минеральных веществ, среди которых преобладает Si, Ca, Mg и НСО3 -
.РОВ(в
основном фульвокислоты) составляют от 10 до 75% растворенных веществ, причем
фульвокислот в 5---10 раз больше, чем гуминовых кислот. Fe, Al, Ti, Mn, V, Cu, Ni, Zn
и другие металлы мигрируют в коллоидной форме или в комплексах с органическими
кислотами, в то время как Si, Na, K, SО4 2- и Cl- преимущественно в форме истинных
растворов. Основным геохимическим фактором, определяющим подвижность и формы
миграции элементов, а также рН и содержание СО2 , является растворенное
органическое вещество. Между его содержанием и количеством в водах Fe, Al, Cu, Zn
существует прямая корреляция. Поэтому в подобных условиях такие параметры
элементов, как ионный радиус, валентность, отходят на второй план: различные
элементы, входя в состав РОВ, мигрируют с близкой интенсивностью. Однако это
лишь общая закономерность, которая может нарушаться. Так, по Л. Г . Филимоновой, в
нижней части элювиальных почв таежно- мерзлотных ландшафтов Алданского нагорья
развит окислительный барьер А2 , на котором осаждаются органоминеральные
соединения. В связи с этим проникающие глубже надмерзлотные воды бедны РОВ.
Подчиненные ландшафты в кислой мерзлотной тайге представлены заболоченными
лесами и болотами. Почвенно- грунтовые и поверхностные воды --- ультрапресные. В
формировании их ионного состава важная роль принадлежит атмосферным осадкам
(особенно для Сl и Na). Однако основное значение имеют процессы разложения
растительных остатков. С целью разработки рациональной методики геохимических
поисков детально изучены донные осадки (В.В. Поликарпочкин, М .А. Константинова,
Э. Г . Абисалов, Г .А. Белоголовов и др.).
В отделе таежно- мерзлотных ландшафтов выделяются 3 семейства: северная,
средняя и южная тайга, в своем распространении подчиняющихся широтной
зональности и высотной поясности. Геохимическая систематика этих ландшафтов,
кроме отмеченных ранее факторов, должна учитывать и особенности распространения
мерзлоты --- мощность деятельного слоя, сплошной или островной характер
мерзлоты, мощность многолетнемерзлых пород, существование межмерзлотных и
подмерзлотных вод. Даже в районах распространения сплошной мерзлоты на участках
зон разломов, озерных впадин, русел крупных рек, сульфидных месторождений
встречаются талики.
В мерзлотной тайге распространены те же классы ландшафтов, что и в
немерзлотной. Детальные исследования В.Н . Щетникова в Чарской котловине
Забайкалья (средняя тайга) позволили установить следующие геохимические формулы
для ландшафтов разных классов:
[H, H--Fe, Ca--Fe] (Pb, Cu, Zn, Ni) Hg
Mo, Sb, Sn
[H--Ca] Mo, Sb, Sn, Hg (Pb, Cu, Zn, Ni)
---
[Ca, Ca--Fe, H] Hg, Pb, Cu, Zn, Mo, Sb, Ni, Sn
[H, H--Fe] Pb, Zn, Cu, Ni (Hg)
Mo, Sb, Sn
[H--Fe] Pb, Cu, Zn, Ni Hg
Mo, Sb, Sn
В квадратных скобках --- класс ландшафта, в числителе --- мигрирующие элементы
(в скобках --- предположительно мигрирующие). В знаменателе --- элементы,
осаждающиеся на геохимических барьерах (
в скобках --- преимущественно
осаждающиеся). После дроби показаны элементы, мигрирующие и осаждающиеся в
равной степени.
Как видим, и в мерзлотной тайге резко различается геохимия ландшафтов кислого
и кальциевого классов.
В связи с разработкой рациональной методики геохимических поисков в районах
распространения многолетней мерзлоты изучена геохимия ландшафтов сернокислого
класса. Так как многолетнемерзлые толщи содержат незамерзающую воду, то в них
возможно окисление сульфидов с образованием серной кислоты и легкорастворимых
сульфатов Fe, Cu, Zn и других металлов. По В . М . Питулько, большинство сульфидных
месторождений в мерзлотных районах имеет зону окисления сульфатного типа, в
мерзлых толщах образуются криогенные солевые ореолы рассеяния. Процессы
окисления сульфидов сопровождаются столь значительным выделением тепла, что
иногда в пределах рудных полей возникают талики. Некоторые зоны окисления
сульфидных руд являются геохимическими реликтами, т . к . они сформировались в
условиях более теплого дочетвертичного климата, когда в Сибири не было мерзлоты.
В мерзлотных ландшафтах колчеданно- полиметаллических и железорудных
месторождений Бурятии Т . Т . Тайсаев установил многочисленные геохимические
барьеры, явления покраснения и ожелезнения почв, сползание ореолов за счет
солифлюкции на тысячи метров. Особенно большое значение для поисков в Бурятии
имеет кислородный барьер, на котором в местах разгрузки глеевых вод отлагаются
железистые осадки. Эти органо- минеральные образования содержат в среднем 12%
органического углерода в сухом веществе. В осадках повышено содержание As, Mo,
Pb, Sn, Zn, увеличивающееся вблизи рудных зон. Это позволило Тайсаеву разработать
новый вариант литохимических поисков --- опробование железистых осадков.
В районе Удоканского месторождения медистых песчаников И.А. Морозова
установила комплексные барьеры вида D 2---С2 (Cu), Е 3---С3 (Мо), А6---D6 (Mn, Со).
А. В . Разин и И . С. Рожков на Алдане изучили миграцию Au в ландшафтах на
золоторудных месторождениях куранахского типа. В . П . Боровицкий показал, что в
Якутии в торфяных почвах над рудными телами наблюдается концентрация рудных
элементов и торфометрия в таких ландшафтах эффективнее металлометрии.
Эффективно также опробование наледей, применение "
медальонной съемки"
(опробование верхних горизонтов почв в пятнах- медальонах, т . к . они являются
продуктом вымораживания более глубокого материала) и другие варианты
геохимических методов поисков. По С. Л . Шварцеву, в Норильском районе
формируются гидрохимические и биогеохимические ореолы (
например, в
лиственнице).
Многообразны геохимические аспекты сельского хозяйства и здравоохранения в
таежномерзлотных ландшафтах, связанные с дефицитом многих элементов и в
меньшей степени --- с избытком (особенно в ландшафтах сернокислого класса).
Контрольные вопросы
1. Дайте сравнительный анализ бика влажных тропических и таежных ланд-
шафтов
2. Охарактеризуйте различия лесных ландшафтов кислого и кальциевого класса, в
частности, падангов и маргалитных
3. В чем состоит специфика сернокислых ландшафтов, как они образуются?
4. Охарактеризуйте геохимию мангров
5. В чем состоит геохимическое значение многолетней мерзлоты?
6. Как образуется геохимический барьер А6, что такое латерит?
7. Каковы главные медико- геохимические особенности кислых лесных
ландшафтов?
Глава 8
ОБЩИЕ ЧЕРТЫ ВОДНОЙ И ВОЗДУШНОЙ МИГРАЦИИ
В АРИДНЫХ ЛАНДШАФТАХ --- СТЕПЯХ И ПУСТЫНЯХ
Как и в ландшафтах лесной группы, в степях и пустынях биологический
круговорот много контрастнее водной и воздушной миграции. Однако в отличие от
гумидных лесных ландшафтов в аридных водная миграция элементов значительно
меньше зависит от бика. Ведущее значение здесь часто приобретает миграция легко-
и труднорастворимых солей --- хлоридов, сульфатов и карбонатов. Важное значение
приобретают процессы засоления и рассоления ландшафтов, не характерные для
гумидных ландшафтов.
В степях и пустынях по сравнению с лесными ландшафтами уменьшается
интенсивность водной миграции большинства катионогенных элементов, изменяются
формы их нахождения, в миграцию вовлекаются анионогенные элементы и элементы-
комплексообразователи, слабоподвижные в кислой среде лесных ландшафтов.
Ландшафтно- геохимические процессы органо-, хелато- и оксидогенеза сменяются
кальцито-, гало- и сульфидогенезом (М. А. Глазовская). Существенно изменяется
глеегенез: из кислого и нейтрального он становится преимущественно щелочным. В
степях заметное влияние на миграцию начинает оказывать присутствие соды в
атмосферных осадках, почвах, поверхностных и грунтовых водах, способствующее
образованию растворимых комплексных соединений ряда химических элементов.
Из- за уменьшения подвижности органического вещества и закрепления многих
элементов в слабоподвижных органо- минеральных комплексах в степях на первое
место среди аддендов (лигандов), благоприятных для комплексообразования, выходят
карбонаты и бикарбонаты щелочей. Способность некоторых элементов образовывать
в щелочной среде растворимые анионные и комплексные соединения существенно
расширяет диапазон их миграции. Особенно хорошо образуют растворимые анионные
и карбонатные комплексы анионогенные элементы --- B, V, Mo, As, S, Cr. Начинают
мигрировать элементы- комплексообразователи, относимые к гидролизатам --- Ti, La,
Y, Zr, Sc, тяжелые редкие земли иттровой группы (Eu --- Lu) и др. Эти элементы
подвижны в щелочной и сильнощелочной среде и малоподвижны в нейтральной и
слабокислой (
А.И. Перельман, Н. С. Касимов, С.Р. Крайнов и др.). Ареал
распространения данного типа химизма в почвах, атмосферных осадках и
поверхностных водах, как это показали И. В. Иванов и Н . Ф . Глазовский на примере
Казахстана, имеет более широкое распространение, чем это считалось ранее.
Особенно он типичен для лесостепных, степных и частично сухостепных
мелкосопочников Мугоджар, Кокчетавской возвышенности, Алтая, Забайкалья,
некоторых районов Монголии, а также для внутриконтинентальных аккумулятивных
равнин --- Кулунды, Барабы.
На геохимическую дифференциацию степных ландшафтов большое влияние
оказывают коренные породы в мелкосопочниках и низкогорьях, а на денудационных и
аккумулятивных равнинах --- континентальные отложения.
8.1. Засоление ландшафтов
Понятие "засоление" чаще всего употребляется по отношению к почвам и грунтам,
однако растворимые соли накапливаются и в водах, атмосфере, организмах, т .е . во
всех компонентах ландшафта, в связи с чем можно говорить о засолении ландшафта в
целом, а также о его рассолении (А.И . Перельман). Засоленным называется ландшафт,
для которого характерно накопление легкорастворимых солей, их активное участие в
бике и водной миграции. Засоление подчиняется зональности, оно усиливается с
засушливостью климата (табл. 8.1). Большое влияние на засоление оказывают и
геологические условия.
Таблица 8.1
Особенности соленакопления в различных
климатических условиях (В . А . Ковда, 1946)
Клима-
Наивысшая
Среднее
Характер- Вторичное
тические
минерализация вод, г/л
количество
ные соли в засоление
условия
солей в верх- солончаках
при
реч-
грун- соленых нем гори-
орошении
ных
товых
озер зонте солон-
чакoв, в %
Пустыни 20--90 200--220 350--450 15--25
NaNO3 , Широко
NaCl, MgCl2 , распрост-
СаSO4 ,
ранено
MgSO4
10--30 100--150 300--350
5--8
NaCl,
Полу-
Na2SO4 ,
Часто
пустыни
СаSO4 , встречается
MgSO4
Na2SO4 ,
Редко
Степи
3--7 50--100 100--250
2--3
NaCl, встречается
Na2СO3
Лесо- 0,5--1,0 1--3 10--100 0,5--1,0
Na2СO3 , Неизвестно
степи
Na2SO4
Источники солей. Универсальным поставщиком солей служат выветривание и
почвообразование, переводящее Na, Cl, S и другие подвижные элементы из горных
пород в водный раствор. Этот процесс осуществляется путем непосредственного
разложения минералов и через бик. Другой универсальный фактор засоления ---
атмосферные осадки и пыль. В молодых ландшафтах принос солей из атмосферы, как
правило, не приводит к засолению. В древних ландшафтах, формирование которых в
аридных условиях продолжалось многие тысячи лет, соли постепенно накапливались
в нижних горизонтах почв. В засолении некоторых территорий важную и даже
основную роль играют соли осадочных пород. Так, пустыни Средней Азии и
Казахстана в основном сложены осадочными породами. В мезокайнозое эта
территория неоднократно покрывалась водами эпиконтинентальных морей, которые,
отступая, оставляли соленые лагуны и озера. В результате в меловых, палеогеновых и
неогеновых отложениях накопилось большое количество солей (особенно гипса),
которые в дальнейшем, включившись в миграцию, засоляли ландшафт.
Соленакопление в прошлом происходило и в континентальных условиях. Например, в
раннем миоцене озерно- пролювиальные отложения сульфат- карбонатной формации
(аральская свита) покрывали почти всю территорию равнинного Казахстана.
Значительный резерв солей в литогенной основе определил особенно интенсивное
засоление почв Западной Азии. Напротив, пустыня Гоби в Монголии с палеозоя не
покрывалась морем, там преобладают изверженные и метаморфические породы.
Поэтому интенсивность соленакопления в Гоби невелика, хотя засоление
распространено широко.
На морских побережьях засоление связано с непосредственным влиянием морских
солей. Классический пример такой солончаковой пустыни --- побережье Каспия,
подпитываемое морскими водами.
По разломам в степях и пустынях происходит разгрузка глубинных холодных или
термальных вод. Если разгружаются большие массы воды, возникает болото, озеро,
река. Если разгрузка происходит медленно и воды успевают испариться, на
поверхности над разломом формируется засоленный ландшафт --- разломный
солончак. Узкие полосы засоленных почв местами пересекают речные долины,
поднимаются на возвышенности, т . е . располагаются не в соответствии с современным
рельефом.
Глубинные холодные и термальные напорные воды местами участвуют в питании
грунтовых вод. В Голодной степи Узбекистана этот источник ежегодно поставляет в
грунтовые воды 20---30% от общего притока. В Араратской долине Армении содовые
напорные воды изменяют состав грунтовых вод и способствуют образованию содовых
солончаков. Яркое выражение разгрузки подземных вод --- грязевулканические
солончаковые ландшафты, геохимия которых детально изучена А. Ахмедовым в
Азербайджане.
Соли в организмах. В результате длительной эволюции организмы засоленных
ландшафтов приспособились к высокому содержанию солей в почвах и водах.
Солелюбивые растения --- галофиты выносят такое содержание солей, которое для
других семейств является губительным. Химическая специализация зашла так далеко,
что многие галофиты в иных условиях погибают или плохо развиваются. Известны
галофиты, концентрирующие хлориды и сульфаты, щелочные соли органических
кислот.
Организмы по- разному приспособились к засолению. Наряду с сочными
солянками, содержащими много солей, имеются виды, выделяющие их избыток на
поверхности листьев (например, тамариск). По солеустойчивости В.А. Ковда выделил
четыре группы растений.
1. Типичные галофиты --- мясистые мокрые солянки, произрастающие на влажных
солончаках с близкозалегающими грунтовыми водами. Содержат до 40---50% золы, в
которой преобладают хлор, сульфат- ионы и натрий.
2. Галофиты --- преимущественно полусухие, содержащие до 20---30% золы. Растут
на сухих солончаках и сильно засоленных почвах.
3. Сухие солянки, ксерофиты и некоторые полыни на слабозасоленных почвах и
солонцах. Зола 10---20%.
4. Злаки, бобовые и полыни на незасоленных или слабозасоленных почвах. Менее
10% золы.
Среди водных мигрантов в галофитах резко преобладают Cl, S и Na, повышено
содержание и наиболее подвижных микроэлементов с высокими коэффициентами
водной миграции --- B, Mo, Sr, иногда Li, Cu, Zn. По сравнению с сухими солянками
на солонцах содержание многих микроэлементов в типичных галофитах (сарсазан,
солерос и др.) понижено.
Растительность солончаков не играет важной роли в соленакоплении, т . к . в ней, по
расчетам В . М . Боровского, содержится примерно в 1,5 тыс. раз меньше солей, чем в
почвах и грунтовых водах. Однако за время почвообразования (сотни и тысячи лет)
через растения проходят и ими преобразуются практически все соли, находящиеся в
почвах. За четвертичный период в солончаковом ландшафте вся масса солей прошла
через растения не менее 100 раз.
Животные засоленных ландшафтов также специфичны, в них повышено
содержание легкоподвижных элементов (преимущественно у беспозвоночных).
Испарительная концентрация элементов. Засоление особенно распространено на
аллювиальных равнинах, где пресные речные воды, фильтруясь в аллювиальные
отложения, дают начало горизонту грунтовых вод. При близком залегании от
поверхности воды поднимаются по капиллярам и испаряются, оставляя в почве легко-
и труднорастворимые соли. Критическим уровнем залегания грунтовых вод
называется тот, с которого возможно капиллярное поднятие вод к поверхности, их
засоление (Б . Б. Полынов). Эта величина --- функция ландшафта и зависит, главным
образом, от климата и почв. В песках она не превышает 1 м . По В .А. Ковде, при
залегании глубже 10---12 м грунтовые воды обычно не участвуют в
почвообразовании. По капиллярам они поднимаются до 3---7 м . Возможно движение и
пленочных вод, которые также растворяют соли. В местах испарения эти воды
мигрируют на 4---6 м . По В .А. Ковде, существуют четыре стадии изменения
минерализации пресных грунтовых вод при испарении: 1) силикатно- карбонатная, 2)
сульфатно- карбонатная (до 3---5 г/л), 3) хлоридно- сульфатная (до 100 г/л и более), 4)
сульфатно- хлоридная (не менее 5---20 и до 150---200 г/л).
В испарительной концентрации участвуют B, F, J, U, Mo, Li, Sr, Zn и другие
редкие элементы, которые накапливаются в водах, почвах, солевых корках
солончаков, организмах.
От каждого источника или области питания вод распространяется шлейф или язык
грунтовых вод, в котором по мере удаления от области питания нарастает
минерализация. Наиболее отчетливо зональное распределение наблюдается на
субаэральных дельтах и подгорных конусах выноса. Верхняя часть субаэральных
дельт и конусов выноса обычно имеет маломинерализованные сульфатно-
карбонатнокальциевые воды. Далее по потоку эта зона сменяется
хлоридносульфатной зоной, а по периферии в местах близкого залегания грунтовых
вод --- сульфатно- хлоридной.
По мере испарения грунтовых вод происходит последовательное насыщение их
различными солями, соли выпадают в осадок. Из менее соленых вод выпадают
труднорастворимые соли (СаСО3 , гипс), а из более соленых --- легкорастворимые. Это
определяет зональные закономерности в накоплении солей: чем менее растворима
соль, тем шире ареал ее осаждения в процессе испарения. Аналогичная
закономерность наблюдается в вертикальном профиле почв и грунтов: ближе к
уровню грунтовых вод осаждаются наименее растворимые соли, выше --- более
растворимые. Следовательно, несмотря на обратные связи, существующие между
грунтовыми водами, почвами, организмами, состав солей, аккумулирующихся в
каждой из этих систем, может быть различным.
Ярко выраженная солевая эпигенетическая зональность в почвах и грунтах
возникает лишь при сравнительно глубоком залегании грунтовых вод. Если они
залегают очень близко к поверхности (например, в пределах 1 м), то при сильном
испарении происходит одновременная разгрузка и легко-, и труднорастворимых
солей.
По Г .А. Буяновскому, накопление гипса в верхнем горизонте супераквальных почв
может быть связано с микробиологическими процессами: в результате
десульфуризации в почве образуются Н 2S и сульфиды; тионовые бактерии окисляют
сульфиды до серной кислоты. Последняя, реагируя с кальцитом, дает гипс. Этот
процесс, вероятно, развит в Ширванской степи Азербайджана, где в верхних
горизонтах луговых почв содержание гипса повышено, а кальцита --- понижено.
Подобный замкнутый цикл серы (сульфат --- сульфид --- сульфат) развивается при
колебаниях уровня грунтовых вод и периодической смене окислительных условий в
верхнем горизонте восстановительными.
По В .А. Ковде, в сухой и жаркий летний период в Средней Азии из грунтовых вод
осаждаются хлориды и сульфаты натрия. В холодный и дождливый зимне- весенний
период вымываются преимущественно хлориды (растворимость Na2SО4 понижается
при низкой температуре --- из раствора выпадает мирабилит --- Na2SO4 .10H2O). В
результате в почвах сульфаты преобладают над хлоридами.
Соотношение засоления и рассоления различно. Известны ландшафты, в которых
преобладает засоление (прогрессивное засоление), и ландшафты, где в годовом цикле
засоление и рассоление примерно уравновешивают друг друга, и , наконец,
ландшафты, рассоляющиеся (прогрессивное рассоление). Во всех трех случаях состав
солей в солончаках различен.
При засолении натриевыми солями изменяется поглощающий комплекс (ПК) почв
и грунтов. Большинство четвертичных и других рыхлых отложений имеет
континентальный тип ПК с Са и Mg. При засолении натрий замещает в ПК Са и Mg,
ПК приобретает морской характер. Са вытесняется энергичнее Mg, поэтому в
засоленных почвах и грунтах ПК часто имеет натриево- магниевый состав с
подчиненным значением Са.
Аллювиальное засоление хотя и наиболее распространенный, но не единственный
процесс формирования засоленных ландшафтов. Специфические засоленные
ландшафты формируются при разломном и морском засолении, в соленосных и
нефтегазоносных районах.
Окислительно- восстановительные условия засоления. Основные черты
геохимии засоленных ландшафтов определяются химическими свойствами
испаряющихся грунтовых и подземных вод, строением вертикального профиля почв и
положением их в катенах. Обычно при изучении засоления основное внимание
уделяется миграции и концентрации ионов. Вместе с тем многие геохимические
особенности солончаков в основном определяются окислительно- восстановительными
и щелочно- кислотными условиями засоления (А. И. Перельман). Засоленные разности
встречаются среди почв окислительного, глеевого и сульфидного рядов, во всем
интервале щелочно- кислотных условий (от кислых до сильнощелочных). То есть
существуют окислительные кислые, окислительные нейтральные, глеевые кислые,
глеевые сильнощелочные, сульфидные кислые, сульфидные сильнощелочные и прочие
солончаки.
При испарении глеевых и сероводородных вод формируются другие виды
барьеров, чем при испарении кислородных вод. В глеевых солончаках это виды F 5 ---
F 8, а в сероводородных --- F9 и F12. Восстановительные солончаки отличаются от
окислительных более резкой геохимической контрастностью из- за совмещения в их
профиле окислительной, глеевой и сероводородной обстановок и комплексирования
испарительных, кислородных, сероводородных и глеевых барьеров (рис. 8.1). Кислые
восстановительные солончаки локально распространены на территории Казахстана и
Средней Азии и практически не изучены.
Преобладают
в
основном
нейтральные,
слабощелочные и содовые сульфидно- глеевые
солончаки.
Дальнейшая дифференциация родов на виды
возможна в соответствии с критериями почвенных
Рис. 8.1. Принципиальная схема
окислительно-восстановительной
зональности при засолении (по А.И.
Перельману).
2. Накопление молибдена и свинца на испарительном
е в разломном солончаке, Северный Казахстан (по Н.С.
ову). Кора выветривания: 1 --- порфиритов; 2 ---
литов; 3 --- четвертичные суглинки; изоконцентрации, 10-
--- молибдена; 5 --- свинца; 6 --- тектонический контакт; 7
жины; 8 --- сухой остаток водной вытяжки.
и гидрохимических классификаций по анионному составу (хлоридные, сульфатные,
содовые и др.) и далее на подвиды по преобладающим катионам (кальциевые,
магниевые, натриевые и др.).
Окислительные солончаки. По почвенному профилю в них преобладает
окислительная обстановка, характерны три основных класса: кислый, нейтральный и
слабощелочной, содовый с определенными видами испарительных геохимических
барьеров и парагенезисами микроэлементов.
Кислые солончаки. Они формируются при испарении кислых и
слабокислых (рН 3,0---6,5) преимущественно сульфатных вод,
образующихся при окислении сульфидов в породах или
сбрасываемых в природную среду в результате производства
органических и минеральных кислот и в виде побочных продуктов других
производств. Природные кислые солончаки встречаются преимущественно в
складчатых областях.
Основная геохимическая особенность кислых солончаков --- ожелезненность. На
сульфидных месторождениях это выражается в виде своеобразных "железных шляп"
--- остаточного накопления оксидов железа на фоне выноса многих других
химических элементов. В аридной зоне "
железные шляпы" часто засолены. Для
кислых солончаков характерны испарительные геохимические барьеры F 1 и F 2.
Специфическая черта таких солончаков --- различное поведение катионогенных и
анионогенных элементов. Первые (Mn, Ag, Pb, Zn, Co и др.) отрицательно
коррелируют с рН и выносятся за пределы ожелезненных кислых солончаков.
Исключение --- стронций, концентрирующийся в сульфатных (гипсовых) горизонтах
до 0,1---0,2%, что на порядок выше, чем в окружающих незасоленных почвах. Вторые
(Mo, Cr, V, As и др.) положительно коррелируются с рН и образуют остаточные
аномалии. По В .А. Бугрову и Н.С. Касимову, сочетание "отрицательных" аномалий
катионогенных элементов с "положительными" аномалиями анионогенных элементов
является одним из поисковых критериев сульфидной минерализации.
Нейтральные и слабощелочные солончаки (рН 6,5---8,5). Они распространены
наиболее широко. В них формируются испарительные барьеры F 3 с концентрацией
элементов из нейтральных и слабощелочных вод. По солевому составу они делятся на
два вида --- хлоридный и сульфатный (хлоридно-сульфатный).
В хлоридных мало минерализованных солончаках возможна испарительная
концентрация металлов, образующих растворимые комплексы с хлором.
Контрастность этих безрудных аномалий, как правило, невелика. Подобные
солончаки типичны для зон разломов Кокчетавской возвышенности, где они
формируются на древних линейных корах выветривания. По сравнению с
незасоленными корами разломные солончаки обогащены в 2---5 раза Ni, Pb, Y, Zr, Ga,
Mo, Co и Sn. Испарительная концентрация микроэлементов в разломных солончаках
начинается
от уровня
трещинно- грунтовых
хлоридно- натриевых вод и
увеличивается вслед за
ростом
засоления
к
дневной поверхности за
счет
увеличения
содержания
подвижных
форм в 5---30 раз (рис. 8.2).
В
сульфатных
и
хлоридно- сульфатных
слабощелочных солончаках
из- за слабой растворимости
в этих условиях сульфатов
многих металлов спектр
концентрирующихся элементов значительно уже, чем в хлоридных солончаках. Как
показали исследования в Казахстане и Средней Азии, парагенезис элементов зависит
не только от геохимических условий засоления, но и от геолого- структурной позиции
района. Так, в Мугоджарах и Центральном Казахстане типоморфными
микроэлементами слабощелочных сульфатных солончаков являются Sr и Мо,
максимальные содержания которых достигают соответственно 1% и 0,001%, т . е .
превышают кларки литосферы этих элементов в 10---30 раз (В . В . Добровольский, Н .С.
Касимов, А. П. Соловов). В хлоридных солончаках содержание стронция на 1---2
порядка меньше. В солончаках пустынных впадин Юго- Восточной Туркмении сильнее
накапливается В . Его содержание в верхнем соленосном горизонте окислительного
сульфатного солончака на периферии соленого озера Ер-Ойлан-Дуз (Бадхыз)
достигает 30---60 кларков концентрации (рис. 8.3). Повышенные концентрации В в
солончаках наблюдаются во многих районах альпийской складчатости и связанной с
ней зоны нефтегазоносности (Прикаспий, предгорья Копет-Дага, Парапамиза и др.).
Содовые солончаки характерны для лесостепных ландшафтов аккумулятивных
равнин Барабы, Кулунды, где они детально изучены Н . И. Базилевич. Встречаются они
и в пустынных районах, когда по разломам разгружаются содовые воды (урочище
Мын- Булак в Тургае, некоторые районы пустыни Гоби в Монголии, Цайдамская
впадина в Китае и др.). Напомним, что особенностью содовых вод является высокая
растворимость в них анионогенных элементов (Mo
,B,V,As
, Si) и элементов-
комплексообразователей (Y, Sc, редких земель), а также некоторых катионогенных
элементов (Cu, Ag, Zn), образующих в этих водах растворимые комплексные
соединения. Поэтому в содовых солончаках на испарительном барьере F 4 эти
элементы накапливаются, что установлено авторами во многих пустынных и
полупустынных ландшафтах Казахстана, Средней Азии и Монголии.
Глеевые и сероводородные (сульфидные) солончаки. Для них характерны
восстановительные глеевые или сероводородные условия в профиле, обычно
встречающиеся на побережьях соляных озер и в шоровых солончаках. Растительность
на поверхности шорового солончака отсутствует. Под коркой соли залегает мокрая
создает возможность для
, поэтому в самом верхнем
окислительная среда, цвет
В окислительном солевом
е отмирания водорослей
оризонты почвы, где нет
тки водорослей и других
идов железа, сульфатов и
вивается десульфуризация,
коллоидный сульфид Fe ---
FeS) достигает --- 0,5В, т.е.
на расстоянии 1-2 см может
Рис. 8.3. Геохимические условия и распределение микроэлементов по профилю
окислительных солончаков Бадхыза (по Н . С . Касимову)
Классы элементарных ландшафтов (I---V): I --- соленосно-сульфидно-глеевый (соленое озеро); II ---
соленосно-сульфидный; III---IV --- соленосно-окислительный: III --- мокрый солончак, хлоридно-
сульфатный, IV --- сульфатный солончак-сарсазанник; V --- пустынно-степной карбонатный.
Окислительно-восстановительная (1---3) и солевая (4---6) обстановки: 1 --- окислительная; 2 --- глеевая; 3
--- сероводородная; 4 --- карбонатная; 5 --- гипсовая; 6 --- соленосная (соляная корка). Породы: 7 --- супесь,
8---песок;9---индексыгоризонтов;10---сухойостаток;11---рН;12---Мо;13---Sr;14---B;15---Pb;
КК ---кларки концентрации.
Рис. 8.4. Геохимические условия и распределение
микроэлементов по профилю сульфидно-глеевых
солончаков. Солончаковая катена оз.Ер-Ойлан-Дуз
(по Н.С. Касимову). Усл. обозн. --- см. рис. 8.3
Ниже гидротроилитового горизонта количество органического вещества убывает,
степень восстановленности среды уменьшается, Еh растет, формируется глеевый
соленосный горизонт. Окислительновосстановительные условия в солончаках
довольно динамичны и границы горизонтов периодически перемещаются по профилю.
Иногда гидротроилитовый горизонт выпадает. Под глеевым горизонтом местами
снова залегает окислительный горизонт. Обычны и переходные горизонты (OG,
GO...).
Нейтральные
и
слабощелочные
сульфидно- глеевые
солончаки
распространены
на
побережьях
Аральского моря, солевых озер Средней
Азии, озер Балхаш и Зайсан в Казахстане
и др. В пустынных впадинах Ер-Ойлан-
Дуз и Намаксаар в Бадхызе (Туркмения)
солончаковые
почвенно- геохимические
катены имеют однотипную структуру от
периферии к центру: окислительные ---
сульфидные
---
сульфидно- глеевые
солончаки --- соленое озеро (рис. 8.4). Для
большинства
микроэлементов
испарительная концентрация не выражена
в широком интервале минерализации почв
(от 1 до 10---20%) и содержания близки к
кларкам литосферы. Лишь содержания
наиболее подвижных В , Мо и Sr
значительно выше их кларков в
литосфере и осадочных породах. В
некоторых
горизонтах
солончаков
существует
прямая
зависимость
содержания В и Sr от изменения солевого
состава и минерализации, а Мо --- от
различий окислительно- восстановительных условий. В сульфидно- глеевых
солончаках на его осаждение сильнее влияют не испарительные, а восстановительные
барьеры --- глеевый (С3) и сульфидный (В 3, В7), на которых содержание Мо
достигает 6---8, а в некоторых разрезах 40 КК. Бор, наоборот, более активно
участвует в испарительной концентрации и его содержания возрастают от 3---10 КК в
сульфидно- глеевых солончаках центра озерной котловины до 40---60 КК в соленосных
горизонтах окислительных солончаков ее периферии (рис. 8.4).
Такое поведение В определяется его испарительной концентрацией, хорошей
растворимостью натриевых солей борных кислот и низкой растворимостью солей
кальция, постоянной валентностью и способностью накапливаться в конечных
бассейнах аккумуляции в аридной зоне. Прямая зависимость между содержанием В ,
Cl, Na и концентрацией солей наблюдается до минерализации 10---20%. В наиболее
засоленных хлоридно- натриевых горизонтах сульфидно- глеевых солончаков
содержание В невелико и уже не зависит от степени минерализации.
Поведение Sr в солончаках определяется подвижностью его хлоридов и слабой
растворимостью сульфатов и карбонатов. В процессе испарительной концентрации
стронций в основном осаждается с сульфат- ионом в гипсовых горизонтах почв и
слабо накапливается в хлоридных и хлоридно- сульфатных горизонтах. Минимальные
содержания Sr (0,1---0,2 КК) приурочены к солевым коркам хлоридных натриевых
сульфидно- глеевых солончаков. Вниз по профилю вслед за уменьшением
минерализации и содержания хлора и сульфатов содержание Sr увеличивается до 1
КК. Такое поведение сходно с его распределением в окислительных солончаках, но в
сульфидно- глеевых солончаках содержания почти на порядок меньше.
В содовых сульфидно- глеевых солончаках концентрация элементов происходит из
сильнощелочных восстановительных вод на испарительных, глеевых и
сероводородных геохимических барьерах (F8, F 12, B4---C4, B8---C8). Геохимию
микроэлементов в этих солончаках изучали В . В . Батоян и Н .С. Касимов в
Жайремском районе Центрального Казахстана, где широко распространены
небольшие содовые озера. По периферии озер развиты окислительные содово-
сульфатные солончаки с рН верхних горизонтов от 9 до 11 и минерализацией 2---3%.
На затопляемых пологих берегах формируются сульфидно- глеевые солончаки с резко
дифференцированным профилем типа ОS --- GFeS --- GO --- OC а . Содержание гумуса в
гидротроилитовых горизонтах колеблется от 1 до 2%, их минерализация около 1%, а
реакция среды несколько ниже, чем в окислительных содовых солончаках --- 8,5---9,0.
За счет латеральной миграции в почвах озерных впадин накапливаются
микроэлементы, подвижные в содовой обстановке --- B, Mo, Cr, Ag, Be, Sc. Особенно
сильно изменение окислительно- восстановительных условий отражается на поведении
Мо. Его концентрация на восстановительных барьерах сульфидно- глеевых солончаков
наблюдается между линией равновесия FeS2 и Fe2O3 и расчетной полосой осаждения
Мо на восстановительном барьере по А. К. Лисицину. Мо начинает осаждаться при
более высоком Еh (примерно минус 100 мВ при рН = 6,5---8,5 и минус 200 мВ при рН
= 8,5---10) (рис. 8.5). Это отражает различия концентрации Мо на восстановительных
барьерах В7-С7 (из нейтральных и слабощелочных вод) и В8-С8 (из содовых вод).
Распределение других элементов переменной валентности --- Cr и V в координатах Еh
--- рН сохраняет ту же тенденцию, что и у Мо, но носит менее четкий характер.
Распределение микроэлементов в содовых сульфидно- глеевых солончаках связано
с рядом факторов: 1) изменением окислительно- восстановительных условий и
осаждением анионогенных элементов переменной валентности (Мо, Cr, V) на
латеральных глеевых и сульфидных барьерах (В 4-С4, В 8-С8); 2) собственно
испарительной концентрацией (барьеры F 8, F 12), влияющей на осаждение Sr, B, Pb,
положительно коррелирующих с солевым составом и минерализацией почв*; 3)
изменением щелочно- кислотных условий, определяющих накопление элементов-
гидролизатов (Ti, Nb, Ga, Y) при смене содовой обстановки на менее щелочную
(кислый барьер Е 8); 4) влиянием сорбционных условий --- гумусности и емкости
Рис. 8.5. Зависимость содержания молибдена от величины Е h и рН в солончаках
Центрального Казахстана (по В . В . Батояну и Н. С . Касимову):
1 --- линия равновесия FeS2 и Fe2О3 ; 2 --- эмпирическое положение сероводородного геохимического
барьера в солончаках. Заштрихована расчетная полоса осаждения молибдена на восстановительном
барьере в пластовых водах, по А.К. Лисицыну (1975).
поглощения засоленных почв, определяющих концентрацию Ti, V, Ga, Cr, Sn. Таким
образом, общей чертой содовых глеево- сульфидных солончаков является антагонизм
относительно
подвижных
анионогенных
элементов
и
элементов-
комплексообразователей, осаждающихся на различных геохимических барьерах, и
катионогенных элементов, отличающихся низкой контрастностью миграции в
сильнощелочной среде.
Воздушная миграция. В степях с атмосферными осадками поступает около 1 ц/га
солей (в луговых --- 1---1,2; типичных --- 0,75---1,0; сухих --- 0,6---0,9 ц/га). Это
значительно
меньше
количества
минеральных
веществ,
потребляемых
растительностью, в связи с чем КА, по Глазовской, для луговых степей составляет
0,2--- 0,3, типичных --- 0,1---0,2 и сухих степей --- 0,4---0,6. В пустынях с
атмосферными осадками поступает 0,63---1,05 ц/га солей, причем атмогенная
составляющая очень мала --- 0,03---0,05 ц/ га. Поступление солей значительно больше,
чем потребляется растительностью (КА --- 1,5---2,0). В пустынях Узбекистана, по А.С.
Хасанову, дождевая вода имеет минерализацию от десятков до сотен миллиграмм на
литр, рН --- 6---7. Это гидрокарбонатно- сульфатно- кальциевые воды. В целом в степях
и пустынях по воздуху переносится огромное количество силикатной пыли и солей.
Песчаные и пыльные бури --- характерная особенность аридных ландшафтов. Во
время таких бурь резко уменьшается видимость, иногда наступают сумерки, воздух
насыщается тонкой пылью. Особенно легко развевается верхний горизонт сухих
солончаков, состоящий из смеси пылеватых частиц и кристаллов соли. Выдувание
верхнего горизонта приводит к разрыхлению и развеванию нижележащего, и так до
тех пор, пока солончак не достигнет уровня грунтовой воды. Поэтому над
солончаками наблюдается особенно запыленная атмосфера (даже в тихие дни).
Благодаря этим процессам, по Б . А. Федоровичу, образовались крупные впадины
пустынь, местами площадью в десятки квадратных километров и глубиной более 100
м . Не менее важна аккумулятивная роль ветра, так многие лессы и лессовидные
породы имеют эоловое происхождение. В аридных районах Казахстана широко
распространены суглинистые покровные четвертичные отложения мощностью от
нескольких сантиметров до нескольких метров. По В . В . Добровольскому,
минеральный состав их глинистой фракции довольно однороден и не зависит от
состава подстилающих пород (преобладают гидрослюды). Гипотеза Добровольского и
других исследователей об эоловом происхождении покровных суглинков весьма
вероятна. Этот вопрос имеет большое практическое значение, так как аллохтонные
покровные отложения экранируют ореолы рассеяния рудных месторождений, что
сильно затрудняет геохимические поиски. Для полноты картины следует напомнить и
об эоловой миграции песчаного материала, о таких явлениях, как наступление песков
на оазисы.
Эволюция ландшафтов при засолении. Засоление обычно развивается в течение
многих лет, иногда столетий и тысячелетий. За это время происходит постепенная
смена ландшафтов. На аллювиальных равнинах первый член серии представлен
незасоленным ландшафтом на пресных грунтовых водах: например, ландшафт на
свежеотложенном аллювии (
незасоленные луга или болота). В дальнейшем
испарительная концентрация обуславливает накопление солей, формирование все
более и более засоленных ландшафтов. Прогрессивное засоление нередко появляется
и в результате иссушения климата, тектонических опусканий и других причин. При
засолении ухудшаются условия существования большинства организмов, уменьшается
ежегодная продукция живого вещества. По влиянию на бик засоление сопоставимо с
иссушением климата. Большинство засоленных ландшафтов относится к соленосному,
соленосно- глеевому, соленосно- сульфидному классам, менее распространены
содовый и содовый глеевый классы. Как правило, соленосный, соленосно- глеевый и
соленосно- сульфидный классы встречаются в одном и том же геохимическом
ландшафте. Это позволяет употреблять для них один общий термин --- соленосный
класс.
Рис. 8.6. Кальциевое рассоление в
черноземных степях и пустынях (по
А.И. Перельману): 1 --- гумусовый
горизонт почвы; 2 --- реликтовый
гипсовый горизонт; 3 --- гипсовый
барьер; 4 --- солевой барьер; 5 ---
граница карбонатного горизонта
(D3).
8.2. Рассоление ландшафтов
Рассоление ландшафта означает не только удаление солей из почв и грунтов, но и
уменьшение минерализации вод, смену флоры (исчезновение галофитов), фауны,
уменьшение засоленности атмосферы. Оно распространено так же широко, как
засоление. Оба процесса характерны для всех аридных зон, нередко они
сосуществуют в пределах одного геохимического ландшафта.
Рассоление развивается постепенно, образуя особую серию ландшафтов,
начальным членом которой является засоленный ландшафт, а последним ---
незасоленный. К промежуточным членам относятся ландшафты, в которых соли
сохранились лишь в нижних горизонтах почв или в грунтах.
Универсальная причина рассоления --- тектонические поднятия, приводящие к
развитию рельефа и понижению уровня грунтовых вод. Поэтому, например, на поймах
рек степей и пустынь преобладает засоление, а на террасах --- рассоление.
В прошлом во многих аридных районах грунтовые воды залегали близко. С
понижением их уровня засоление сменилось рассолением, ландшафты стали
неоэлювиальными. В таких ландшафтах во флоре, фауне, почвах, грунтах
сохранились геохимические реликты засоления. Подобную историю пережили многие
районы европейской России, Украины, Западной Сибири, Средней Азии, Южного
Урала, Казахстана, Кавказа.
Менее универсальная причина рассоления ---
увлажнение
климата,
которое,
как
известно,
неоднократно происходило в четвертичном периоде. При
увеличении
количества
атмосферных
осадков
усиливается промывание почв, оживляется сток,
начинается рассоление. Даже
периодические
одиннадцати- и тридцатитрехлетние колебания климата
имеют в этом отношении определенное значение.
Нередко
оба фактора рассоления действуют
одновременно: тектонические поднятия совпадают с
увлажнением климата. Наконец, важное, но локальное
участие в рассолении принимает ветер, который
удаляет из ландшафта соли. По Е .В . Посохову, в
Казахстане в сухие годы ветры местами полностью
уносят соли с поверхности шоровых солончаков, и во
влажные годы в таких котловинах возникает уже не
соленое, а пресное озеро.
Существует два основных геохимических типа
рассоления: кальциевое и натриевое. В зависимости
от климата эти процессы протекают по-разному.
Кальциевое рассоление характерно для солончаков, содержащих много солей Са.
При рассолении Са вытесняет Na из поглощающего комплекса и в рассоленной почве
образуется кальциево- магниевый поглощающий комплекс. Рассоленная почва и
ландшафт в целом относятся к кальциевому классу.
Неоэлювиальные (рассоленные) кальциевые ландшафты характерны для степей и
пустынь, почвы в них содержат реликтовый гипсовый горизонт. В пустынях он
обычно залегает близко от поверхности. Такой ландшафт получил наименование
гипсовой пустыни. В степях кальциевое рассоление приводит к смене засоленного
ландшафта черноземной и каштановой степью. Эти процессы могут быть названы
соответственно остепнением и опустынением (рис. 8.6). При кальциевом рассолении
на границе гипсового горизонта в почвах возникает гипсовый барьер, на котором
концентрируется Sr, на границе солевого горизонта --- солевой барьер. Соли,
выщелоченные из солончаков, нередко накапливаются в депрессиях рельефа. Поэтому
гипсоносные почвы на террасах часто сопрягаются с солевыми аккумуляциями в
поймах рек и озерных котловинах.
Натриевое рассоление --- образование солонцов. Если в солончаках преобладают
натриевые соли и гипса мало, то поглощающий комплекс в основном насыщен Na
(иногда на 70---80%). При рассолении таких солончаков образуется почва с
существенно натриевым поглощающим комплексом --- солонец. Для нее характерна
своеобразная растительность, особый бик, в связи с чем можно говорить не только о
солонцовых почвах, но и о солонцовых ландшафтах. Слабые солонцовые свойства в
почвах и растительности начинают проявляться уже при содержании в ПК 5%
обменного Na. К промежуточным ландшафтам относятся в разной степени
солонцеватые степи и пустыни --- сильно солонцеватые, слабо солонцеватые и т . д.
Солонцовым ландшафтам принадлежит особая роль в степных и сухостепных
областях --- они служат природной лабораторией, где можно изучать процессы
миграции и концентрации химических элементов, протекающие в сильнощелочной
среде. Многие геохимические особенности этих ландшафтов зависят от окислительно-
восстановительных и щелочно- кислотных условий, солевого состава почв и
грунтовых
вод, биогеохимической специализации растений,
состава
почвообразующих пород, положения в рельефе и других факторов. Поэтому они
отличаются значительной геохимической вариабельностью.
В автоморфных степных солонцах с глубоким уровнем грунтовых вод наиболее
велико конвергирующее влияние биопедогенного фактора и на различных породах
почвы имеют близкое морфологическое строение, химические свойства и
геохимическую специализацию генетических горизонтов.
Первая геохимическая теория происхождения солонцов была разработана К . К .
Рис. 8.7. Накопление микроэлементов на сорбционных барьерах в сончаковатых солонцах Северного
Прибалхашья (А, Б) и Северного Казахстана (В) (по Н.С. Касимову): 1 --- суглинки, 2 --- легкие суглинки, 3
--- глины древней коры выветривания, 4 --- сухой остаток водной вытяжки. Микроэлементы в кларках
концентрации (КК) и рассеяния (КР), * --- в соляно-кислой вытяжке --- n.10-5%.
Гедройцем в 1912---1928 гг. Он доказал, что солонцы образуются в результате
рассоления солончаков. Эта теория хорошо объяснила приуроченность солонцов к
террасам рек, на поймах которых развито засоление. Солонцы также характерны для
участков разломов, испытывающих неотектонические поднятия. В этом случае они
образуются в результате выщелачивания солей из разломных солончаков,
" оторванных" от трещинно- грунтовых вод. Подобные зоны разломов отмечены
своеобразной растительностью и солонцовыми почвами с гипсовым горизонтом.
Солонцы характерны и для железных шляп некоторых сульфидных месторождений,
приуроченных к зонам разломов.
Однако солонцы образуются не только в результате рассоления натриевых
солончаков. Они, несомненно, полигенетичны и формируются при перемежающемся
засолении и рассолении под действием сравнительно слабоминерализованных
сульфатно- натриевых вод, в результате элювиального почвообразования на морских
глинах с натриевым поглощающим комплексом, на склонах при фильтрации
натриевых вод и т .д.
Физические и химические свойства солонцов обусловлены высоким содержанием
натрия в ПК. Коллоиды, насыщенные натрием, легко переходят в раствор, с чем
связано выщелачивание наиболее тонкодисперсной части из верхнего горизонта
почвы А. В результате миграции ила и полуторных окислов из верхней части профиля
возникает резкая элювиально- иллювиальная дифференциация солонцов. Самая
верхняя часть профиля под влиянием щелочного гидролиза осолодевает, формируется
надсолонцовый гумусово- элювиальный осветленный горизонт А1 А2 с фульватным
гумусом. Ниже залегает иллювиальный солонцовый горизонт В tNa --- плотный, бурый,
столбчатый или призматический, с максимумом содержания ила и физической глины,
сильнощелочной реакцией среды, т . е . формируется сорбционный геохимический
барьер G3---G4, на котором осаждаются микроэлементы (рис. 8.7). Но сравнительно
подвижные анионогенные элементы и комплексообразователи на этом барьере
накапливаются слабо (кроме Мо), что указывает на незначительное влияние сорбции
на концентрацию этих элементов в щелочной среде. По- видимому, большое значение
в солонцах имеет содовое выщелачивание элементов, обеспечивающее их миграцию
за пределы солонцовых ландшафтов. На барьерах G3-G4 более типично накопление
некоторых катионогенных элементов --- Cu, Ni, Pb, Ag (В . В . Добровольский, Н.С.
Касимов). Особенно контрастные аномалии металлов образуются в рудных районах,
например, в Северном Прибалхашье с медной металлогенической специализацией.
Роль сорбционных барьеров повышается в солончаковатых солонцах на древних корах
выветривания, где валовое содержание этих элементов в горизонтах В tNa в 3---5 раз
выше, чем в гумусовых горизонтах и почвообразующих породах. Содержание
подвижных форм металлов при этом уменьшается, что указывает на их переход в
более прочные сорбированные формы. В подсолонцовых горизонтах (В Са, В Cs, BS)
реакция среды уменьшается до 8---8,5, засоление сульфатно- хлоридное и хлоридно-
сульфатное, здесь присутствуют реликтовые испарительные барьеры с накоплением
элементов испарительной концентрации. В луговых и лугово- степных солонцах
наряду с резкой текстурной и щелочно- кислотной радиальной дифференциацией
профиля приобретают значение периодически возникающая в нижней части профиля
восстановительная обстановка (глеевый барьер) и биогенная аккумуляция элементов в
гумусовом горизонте.
Таким образом, профиль солонца имеет черты сходства с дерново- подзолистыми
почвами: в обеих почвах интенсивно проявляется выщелачивание (в частности Al, Fe)
и образование иллювиального горизонта. Характерная особенность профиля солонцов
--- ярко выраженная щелочно- кислотная зональность, менее контрастна окислительно-
восстановительная зональность.
В почвенном растворе иллювиального горизонта солонцов содержится сода, что
определяет его высокий рН (до 10---11). По Гедройцу, образование соды происходит в
результате обменных процессов между поглощающим комплексом (ПК) и раствором:
ПК=2Na++Ca2++2HCO3-ХПК=Ca2++2Na++2HCO3- .
ПК=Na++H++HCO3-ХПК=H++Na++HCO3-.
Образование соды возможно и по реакции Гилгардта за счет взаимодействия
сульфатно- натриевых вод с карбонатом кальция:
Na2SO4 + CaCO3 Х Na2CO3 + CaSO4.
В обычных условиях эта реакция идет справа налево, для ее реализации необходим
постоянный отток вод. Накоплению соды благоприятствует высокое содержание СО2
в водах, повышающее растворимость СаСО3 .
Десульфуризация сульфатно- натриевых вод также может служить источником
серы, однако о ее роли в солонцах высказывались противоположные мнения и вопрос
нельзя считать выясненным.
В грунтовых водах степей сода возникает и в результате выветривания полевых
шпатов (если водоносные горизонты состоят из полимиктовых песков и не содержат
гипса).
Некоторые виды полыней, саксаул, камфоросма и другие травы и кустарники
степей и пустынь богаты Na, количество которого (в эквивалентной форме)
превышает сумму сильных анионов --- Cl- и SO4 2-
. После минерализации остатков
таких растений в верхние горизонты почв поступает Na, не связанный с Cl- и SО4 2-, в
почвенном растворе образуется сода.
Накоплению соды в солонцах препятствует гипс: СаSО4 + Na2 CO3 Х CaCO3 +
Na2SO4 . Однако если в почвах содержится немного гипса, то на взаимодействие с ним
расходуется лишь часть соды и содовый характер почвенных вод сохраняется. В этом
случае в почвах возникают псевдоморфозы кальцита по гипсу.
Как отмечалось, в содовых водах мигрируют многие элементы --- Si, Al, Mo, Ag,
Se, U, Y, Sc, Cu, Be, Zr и т . д . Легко растворяется и гумус. Кремнекислота в
нейтральной и слабощелочной среде (рН 8---8,5) присутствует в виде коллоидов с
очень слабыми кислотными свойствами. При возрастании рН от 8,5 до 10,5 менее
подвижные коллоидные растворы переходят в молекулярные, а при рН выше 10,5
кремнекислота находится в полимерной наиболее подвижной форме. Щелочные
реагенты (сода, щелочи) не осаждают полимерные силикаты, что обеспечивает
миграцию соединений кремния, в основном силикатов натрия в солонцовых почвах
(В . Н. Михайличенко). В сильнощелочной среде в виде комплексных анионов
(алюминатов, ферритов) способны мигрировать Fe и Al, что наряду с контрастностью
механического состава усиливает дифференциацию профиля и влияет на миграцию и
концентрацию элементов. Содержание подвижных Fe и Al в верхней части профиля
солонцов составляет соответственно 7---8 и 3---5%. Под воздействием содовых
растворов происходит пептизация и диспергация глинистых минералов (гидрослюд и
дуктов в иллювиальные горизонты. При
елочность понижается и в нижней части
в щелочном плече", т.е. при рН > 7), с
жних горизонтов солонцов. В содовой
ралов --- монтмориллонита и др. В
тез палыгорскита (А. И . Перельман).
Рис. 8.8. Спектры коэффициентов биологического поглощения титана, ванадия и
молибдена в ландшафтах Южных Мугоджар (по Н . С . Касимову).
Виды растений: 1 --- полынь малоцветковая (37), 2 --- камфоросма (24), 3 --- полынь Лессинга (46), 4 ---
бескильница расставленная (12), 5 --- полынь белоземельная (28), 6 --- прутняк (36), 7 --- типчак (58), 8 ---
кокпек (10), 9 --- биюргун (37), 10 --- ковыли (87), 11 --- спирея, ветви (23), 12 --- спирея, листья (17), 13 ---
солянки (28), 14 --- осоки (30), 15 --- береза, листья (11), 16 --- береза, ветви (15), 17 --- ива сибирская, листья
(34), 18 --- ива, ветви (34). В скобках число проб.
Высокое содержание обменного натрия и сильно щелочная реакция
неблагоприятны для жизни и бик на солонцах ослаблен. Поэтому в сухих степях для
солонцов характерна не злаковая, а чернополынная ассоциация, близкая к пустыням.
Жизненные формы растений (кустарнички и т .д .) и бик (Б , П и К) на солонцах в сухих
степях типично пустынные. Это позволяет относить данные солонцы к пустыням. В
черноземных степях солонцы имеют сухостепной облик.
Находясь в своеобразных условиях высокого содержания обменного Na, Mg,
растворимого Si, щелочной среды, флора и фауна солонцов, вероятно, подвергается
отбору на химической основе (центры видообразования). Поэтому для солонцов
характерна биогеохимическая специализация растений. Здесь доминируют семейства
маревых (Chenopodiaceae) и сложноцветных (Asteraceae), в основном полыни. В.А.
Ковда установил обогащенность этих растений натрием, содержание которого в золе
некоторых видов сухих солянок достигает 20---30%, что является одним из факторов
поступления соды в солонцовые ландшафты. Только среди растений, доминирующих
на солонцах, встречаются виды- концентраторы элементов "
содовой миграции", в
основном слабо поглощаемых (кроме Мо) большинством растений.
Исследованиями М .А. Глазовской, М. М . Ермолаева, В . В . Добровольского, В . П.
Иванчикова, А.Д. Айвазян, Н . Н . Васильевой, Н .С. Касимова и др. на Южном Урале, в
Казахстане, Алтае и Монголии установлена селективная концентрация анионогенных
элементов и комплексообразователей (Mo, Cu, Zr, Ga, Al, Ti, Cr, V и др.) многими
растениями семейств маревых (
биюргун, камфоросма, прутняк и др.) и
сложноцветных (
полыни мелкоцветковая, белоземельная, холодная и др.).
Коэффициенты биологического поглощения (А х) элементов "содовой" миграции в
этих растениях для таких биофилов, как Мо, колеблются от 5 до 20, а для элементов
слабого биологического захвата (Cr, V, Zr) достигают 2---3, что почти на порядок
выше, чем в других степных растениях (рис. 8.8). В солонцовых ландшафтах
обнаружены концентраторы даже такого инертного в нейтральной и слабощелочной
среде элемента, как Ti. Так, по Н .С. Касимову, в Мугоджарах АTi в 50---100 раз выше
в различных видах маревых и сложноцветных на солонцах, чем в злаках, степных
кустарниках и деревьях. По М .Д. Скарлыгиной-Уфимцевой, содержание титана в золе
полыней Южного Урала достигает 2,6% (АTi = 4,5).
Катионогенные элементы (Sr, Mn, Ba) малоподвижны в щелочной среде
солонцовых почв и слабо поглощаются растениями. Только Sr обычно имеет
коэффициент биологического поглощения больше единицы (1---5), но это в несколько
раз меньше, чем у кустарниковых и древесных видов гидроморфных ландшафтов. Из
маревых только биюргун энергично поглощает Sr. Некоторые катионогенные
элементы (Ag, Cu), образующие в содовой среде растворимые анионные комплексы,
также могут активно поглощаться маревыми и сложноцветными. Так, АAg в этих
растениях достигает 5---7.
Занимая в катенах транзитные и транзитно- аккумулятивные позиции, солонцы
служат зоной содовой мобилизации химических элементов, поступающих далее в
более подчиненные элементы рельефа. В степных солонцах при отсутствии их связи с
грунтовыми водами особенно велико влияние биогенного фактора на геохимию почв.
В элювиально- аккумулятивных позициях солонцовые ландшафты (Na --- OH, Na ---
HCO3 классы) --- это арена биогеохимической и почвенно- геохимической
мобилизации преимущественно анионогенных элементов и комплексообразователей,
ведущей к их дальнейшей латеральной миграции. Интенсивность содового
выщелачивания из почв зависит от их положения в катене и степени гидроморфности.
Лучше оно развито в степных солонцах, занимающих более автономные позиции. В
более подчиненных лугово- солонцовых ландшафтах депрессий оно обычно
подавляется био- и гидрогенной аккумуляцией и латеральным привносом элементов
" содового" комплекса.
Солонцовые ландшафты --- это модель миграции химических элементов в содовой
среде литосферы, биосферы и техносферы. В этом большое теоретическое значение
геохимического изучения солонцовых ландшафтов.
В сухих степях солонцы часто образуют пятна диаметром в несколько десятков
метров и входят в качестве подчиненного члена в степной геохимический ландшафт.
На местности они резко выделяются разреженной растительностью. Встречаются и
крупные массивы солонцов, занимающих автономное положение. В этом случае в
микропонижениях рельефа нередко развиты солончаки, а весь геохимический
ландшафт представлен солонцово- солончаковым комплексом. По выражению В . М .
Боровского, степи и сухие степи --- это царство солонцов. В этих зонах они занимают
до 30---50% площади, составляя 80---90% от площади всех засоленных почв. В Азии
основные ареалы солонцовых ландшафтов приурочены к денудационным и
аккумулятивным равнинам Казахстана, юга Западной Сибири, Прикаспия и
Закавказья, менее широко они развиты в Забайкалье и Монголии.
В степях солонцы в основном используются как пастбища. Химическая мелиорация
содовых солонцов заключается в их гипсовании: внесенный в почву гипс
способствует удалению натрия из поглощающего комплекса. Через 10---12 лет даже
" злостные" солонцы утрачивают отрицательные свойства. Гипсование солонцов ---
одна из важных задач земледелия в степной зоне. Необходимо учитывать и
биогеохимический аспект животноводства в солонцовых ландшафтах --- возможность
дефицита и избытка ряда элементов.
Оторвавшись от грунтовых вод, под влиянием бика солонцы постепенно
превращаются в Na-Cа или Са-Nа , Н - Са --- ландшафты. По Гедройцу, в лесостепи
эволюция солонцов направлена в сторону осолодения, хотя осолодение, как показала
Н. И . Базилевич, возможно не только в результате развития солонцов. В .А. Ковда
установил, что в степях происходит остепнение солонцов, т . е . превращение их в
каштановые или черноземные почвы. А. И. Перельман показал, что в Средней Азии
эволюция солонцов направлена в сторону опустынивания.
Перемежаемость засоления и рассоления. Засоление и рассоление нередко
многократно сменяют друг друга. Это связано, например, с периодическими
тектоническими поднятиями и опусканиями, изменяющими глубину залегания
грунтовых вод. Так, северное побережье Сиваша опускается и развитые там солонцы
подвергаются засолению (
реградация солонцов). Большое значение для
перемежаемости засоления и рассоления имеет изменение уровня грунтовых вод,
обусловленное сезонными или годовыми колебаниями количества атмосферных
осадков. При небольшом повышении уровня грунтовых вод происходит засоление и
Na входит в ПК, при понижении --- рассоление и формирование солонцовых свойств.
Наиболее резко выраженные солонцовые свойства развиваются при периодическом
увлажнении нижней части почвы за счет грунтовых вод. Такие солонцы формируются
на ранних стадиях засоления до образования солончака, они характерны для пойм
Дона, Волги, Урала и других степных рек. Понятно, что подобные солонцы с
супераквальным режимом резко отличаются от неоэлювиальных солонцов террас.
Сода в этом случае образуется по реакции Гилгарда или в ходе десульфуризации.
Контрольные вопросы
1. Каковы источники солей в аридных ландшафтах?
2. Охарактеризуйте испарительную концентрацию элементов, чем барьер F1
отличается от F3 и F4?
3. Охарактеризуйте окислительно- восстановительные условия засоления?
4. Какие вы знаете геохимические типы процессов рассоления?
5. Каковы биогеохимические особенности растений засоленных ландшафтов?
Глава 9
СТЕПНЫЕ И ЛУГОВЫЕ ЛАНДШАФТЫ
Кроме геохимии степных (9.1) и горнолуговых (9.2) ландшафтов в этой главе
также охарактеризованы лесостепные ландшафты (9.3), включающие в автономных
позициях ландшафты А и В групп.
9.1. Степные ландшафты
9.1.1. Биологический круговорот
Биомасса в степях на порядок меньше, чем в лесных ландшафтах: от 100 до 400
ц/га, причем в отличие от лесов большая ее часть сосредоточена в корнях (70---90%).
Зоомасса в черноземных степях равна n. ц/га --- около 6% от биомассы (в тайге ---
0,01%, тропических лесах --- 1%). Ежегодная продукция П составляет 13--- 50 ц/га, т . е .
30--- 50% от биомассы (в тайге --- менее 10%). Коэффициент К (lg П:lg Б) колеблется в
пределах 0,77--- 0,97, т . е . бик в степях прогрессивнее, чем в лесах.
Во влажные годы в степях ярко выражены "волны жизни": биомасса и число видов
возрастают, бурно развивается фауна. В засушливые годы, напротив, Б уменьшается,
видовое разнообразие падает, ландшафт приобретает более пустынный облик.
Надземная фитомасса во влажные годы может быть в 10 раз больше, чем в
засушливые.
В целинных степях практически вся чистая продукция поступает в почву и
используется для накопления запасов мертвого органического вещества. Поэтому они
обладают наиболее закрытым круговоротом среди всех типов наземных ландшафтов
(Н.И. Базилевич, А.А. Титлянова).
По уровню самоорганизации (П . Б) и устойчивости степные ландшафты уступают
лесным, хотя интенсивность бика, величина П там местами и больше. Это
объясняется в основном много меньшей биомассой. Поэтому при техногенезе в степях
легче нарушается и труднее восстанавливается стационарное состояние. Степи в этом
отношении занимают промежуточное положение между лесными и тундровыми
ландшафтами.
аков, сложноцветных, в меньшей степени
авнению с тайгой здесь меньше мхов и
и отсутствуют. В крупных флористических
ском и др.) число видов высших растений в
как в широколиственных лесах, т . е . близко к
х типах ландшафтов, в первую очередь
нием растений и в меньшей степени
и. Поэтому в одном и том же элементарном
м полыни, последние больше Са и Nа и т.д.
огие химические черты степной флоры
ями среды, так как отдельные виды и роды
Рис. 9.1. Гумидокатные (ГК) и ариданитные (АН) виды растений (по Н.С. Касимову): 1 --- ива, береза; 2
--- спирея, карагана; 3 --- осоки, тростник; 4 --- солянки; 5 --- злаки (типчак, ковыли); 6 ---
сложноцветные и маревые (полыни, камфоросма, биюргун, прутняк и др.); а --- отношения
коэффициентов биологического поглощения элементов в Мугоджарах, б --- поля и соотношения К и А в
растениях Мугоджар и Центрального Казахстана. Каждый знак --- 20---90 проб.
А.Д. Айвазян выделила гумидокатные виды, возникшие в гумидных ландшафтах и
обогащенные в связи с этим катионогенными элементами, более подвижными в
кислой среде. Ариданитные виды сформировались в аридных ландшафтах и активно
поглощают анионогенные элементы. Имеется и переходная группа растений. В
большей степени такая группировка отражает биогеохимическую специализацию
микроэлементов (см. ниже).
В корнях и семенах растений сухого климата больше белков, чем во влажном
климате --- лучшие в мире пшеницы с наибольшим содержанием клейковины
произрастают в засушливых степях. Интересно, что во влажные годы урожай растет,
но содержание белка и азота в семенах падает. Растворимые моносахариды также
сильнее накапливаются в сухом климате; фрукты и ягоды здесь слаще. Накопление
крахмала и других нерастворимых углеводов, напротив, характерно для влажного
климата (например, южной тайги). Многие аридные растения богаты S, которая
входит не только в белки, но и в сульфоорганические небелковые соединения
(горчичные и чесночные, т . н . "аллиловые" масла). Это, по- видимому, обусловлено
высоким содержанием серы в почвах. Fe и Al степная флора содержит мало, что
объясняется их низкой подвижностью в ландшафтах.
Биологический круговорот макроэлементов. По макроэлементному составу золы
Родин и Базилевич делят степные травы на три группы: 1) злаки с высоким
содержанием Si и невысоким N; 2) бобовые со значительным накоплением К, Са и N;
3) разнотравье, занимающее промежуточное положение. Среди степного разнотравья,
по нашим данным, сложноцветные имеют в основном кальциевый и кальциево-
натриевый состав золы, а маревые --- кальциево- натриево- магниевый. Кальций,
кремний, железо и алюминий преимущественно накапливаются в корнях, а натрий и
калий --- в надземных органах. Содержание золы в степных растениях выше, чем в
лесных, и нередко достигает 10%.
Ряды общей биогенности (Бо) макроэлементов для степей имеют следующий вид:
Cl,S P,K,Ca Mg Na,Mn,Si
Al, Fe
n.100 n. 10 n
n --- 0,n 0,n--- 0,00n
Биогенным путем в верхней части почвы аккумулируются Р, S и К , Ах которых
превышает 1, иногда 10 (P > K). Однако содержание Р , S, К может быть и несколько
понижено за счет выщелачивания и других процессов. Са аккумулируется биогенным
путем (Ах > 1), но он и выщелачивается, особенно при образовании почв на
содержащих карбонаты породах.
Характерная особенность бика степей --- скорость. Ежегодно в бик вовлекаются
сотни килограммов водных мигрантов (на га), т . е . значительно больше, чем в тайге
(луговые степи --- 700 кг/га, южная тайга --- 155). В луговых степях с опадом
ежегодно возвращается 700 кг водных мигрантов, в сухих --- 150 (в ельниках южной
тайги --- 120).
В опаде большую роль играют основания, полностью нейтрализующие
органические кислоты. Это определяет насыщенность поглощающего комплекса
кальцием и магнием, нейтральную и слабощелочную реакцию почв. Выделяются два
основных процесса разложения органических веществ в степях и пустынях (А. И .
Перельман): кальциевое разложение --- Са преобладает над Na в поглощающем
комплексе почв; кальциево- натриевое разложение --- наряду с Са и Mg в
поглощающий комплекс входит Na, обуславливая солонцеватость автоморфных почв.
В отличие от лесных ландшафтов почвы степей в 2--- 5 раз богаче органическим
веществом (по Д. С. Орлову и др., в луговых степях до 900 т/га гумуса в метровом
слое). Бактериальный состав микрофлоры почв, нейтральная среда, богатство
растительного опада кальцием, периодическое иссушение приводят к преобладанию
гуминовых кислот над фульвокислотами (ГК/ФК = 1,5 --- 2,0).
В сухих степях фитомасса уменьшается до 100--- 200 ц/га, запасы гумуса в почвах
составляют 100--- 200 т/га, а его содержание уменьшается до 3,0--- 4,5%. В гумусе
увеличивается доля фульвокислот.
Нейтральная и слабощелочная среда, слабая растворимость гуминовых кислот и
отсутствие свободных агрессивных фульвокислот, обилие органических коллоидов и
высокая емкость поглощения черноземных почв, непромывной водный режим
определяют низкую интенсивность миграции многих химических элементов.
Биологический круговорот микроэлементов. Микроэлементный состав флоры
черноземных и сухих степей сходен и определяется в основном систематической
филогенетической биогеохимической специализацией видов, родов и семейств.
Биогеохимия степных и сухостепных растений особенно хорошо изучена на
территории Казахской складчатой страны, Рудного Алтая, Южного Урала,
Забайкалья, Монголии, юга Украины, Закавказья (А.Д. Айвазян, В . А. Алексеенко,
В.В. Добровольский, М.А. Глазовская, В.П. Иванчиков, Н.С. Касимов, А.Л.
Ковалевский, В.В. Ковальский, Д.П. Малюга, Б.Ф. Мицкевич, А.И. Перельман, М.Д.
Скарлыгина-Уфимцева, В . Б . Черняхов и др.). В качестве основных биогеохимических
параметров используются обычно кларки концентрации относительно литосферы (КК)
или показатели общей биогенности (Бо), а также коэффициенты биологического
поглощения (Ах) и биогеохимической подвижности (В х).
Основной фон ландшафтов создают ариданитные растения (сложноцветные,
маревые, частично злаки) с достаточно хорошо выраженной бор- молибденовой
(анионофильной) специализацией, к которой иногда добавляются и некоторые
катионогенные элементы (серебро, медь), образующие в щелочной среде растворимые
карбонатные комплексы, доступные растениям. На этом фоне локально встречаются
гумидокатные (
катионофильные) растения со стронциево- марганцево- цинковой
специализацией, приуроченные преимущественно к переувлажненным лесоболотным
незасоленным местообитаниям (береза, ива, степные кустарники). Общие тенденции
поглощения микроэлементов выявляются при использовании средних кларков
концентрации или коэффициентов биологического поглощения отдельно для каждой
ассоциации: К --- для катионогенных, А --- для анионогенных элементов (рис. 9.1).
В Мугоджарах и Центральном Казахстане, по Н .С. Касимову и Ю. В. Проскурякову,
для основных семейств- доминант характерны следующие биогеохимические формулы,
составленные по значениям кларков концентрации наиболее накапливающихся
ором). Перед скобками КК
--- Sr, Mn (Zn, Mo)...
ой группе видов являются и
пример, стронция и титана,
уппа) отличаются высокими
ми (0,1--- 1) --- молибден-
тся на две подгруппы. IIа ---
оким молибден- стронциевым
шениями. Это многие злаки
окпек, камфоросма, лебеда
тям почв. IIб --- растения, у
сопровождается усиленным
ны этого различны: для
шение щелочности почв и
солерос, солянки) --- рост
увеличение увлажнения и
жар (по Н.С. Касимову): 1 --
овые; 6 -- осоковые; 7 --
оцветные; 12 -- эфедра; 13 --
и А1; б -- отношения пар
Рис. 9.3. Радиальные
геохимические
барьеры в основных типах почв Западной
Сибири и Казахстана (по А . И . Перельману,
И.П. Гавриловой, Н.С. Касимову и др.):
Барьеры: 1 --- кислородный, 2 --- глеевый, 3 ---
щелочной, 4 --- испарительный, 5 --- собционный, 6
--- направление движения растворов; типы почв: ТГ
--- тундровая глеевая, ПИГ --- подзолистая
иллювиально-глеевая, Ч --- черноземная, К ---
каштановая,
Сн --- солонец, Ск --- солончак.
9.1.2. Элювиальные почвы, коры выветривания,
континентальные отложения
Элювиальные почвы. В автономных ландшафтах бореальных степей формируются
черноземные и каштановые почвы, которые М .А. Глазовская объединила в семейство
кальций- гумусовых степных почв. Биогенная аккумуляция в них, как правило,
сильнее, чем в лесах, а выщелачивание слабее, что объясняется щелочной средой,
менее благоприятной для миграции большинства металлов (кислое выщелачивание
отсутствует), а также слабым промачиванием в условиях сухого климата. Здесь,
следовательно, резко выражен механизм отрицательной обратной биокосной связи,
стабилизирующий состав почв.
Характерная особенность степных почв --- накопление гумуса, количество
которого постепенно убывает с глубиной. В верхней части горизонта А в связи с
энергичным разложением органических остатков почвенный воздух содержит много
СО2 , а в растворе устойчива система Са2+ + 2НСО3 -. В нижней части гумусового
горизонта СО2 меньше и там на геохимическом барьере Н 3 из раствора осаждается
СаСО3 , образуя иллювиальный карбонатный горизонт:
Са(НСО3)2 ® СаСО3 + Н2О + СО2.
Определенную роль в осаждении СаСО3 играют и другие причины, например,
испарение растворов. По М .А. Глазовской, в этом процессе, вероятно, участвуют и
микроорганизмы, которые получают энергию за счет данной реакции. Следовательно,
иллювиальный карбонатный горизонт является продуктом бика, он не менее
биогенен, чем гумусовый горизонт. Поэтому основные горизонты степных почв ---
гумусовые и карбонатные порождены одной причиной --- биологическим
круговоротом атомов. От интенсивности бика, мощности гумусового горизонта
зависит и глубина залегания карбонатного горизонта.
В зависимости от климатических
условий и характера материнской
породы карбонаты кальция залегают на
разной глубине: иногда в виде тонких
белых нитей, пятен, землистых масс они
пропитывают почву с 20--- 30 см, иногда
фиксируются с глубины 0,5 м , 1 м и
более1м(
у сильно промытых
черноземных почв). При формировании
степной почвы на породах, содержащих
карбонаты (
например, лессах), из
верхней части выщелачивается СаСО3 .
Так как скорость этого процесса
различна, встречаются и остаточно-
карбонатные почвы, вскипающие от
НСl с поверхности. Это обеспечивает
гидрокарбонатно- кальциевый состав
почвенных растворов. Ах Mg меньше,
чем у Са, вынос его также слабее. Бик и
выщелачивание определяют миграцию в
почве некоторого количества К и Na,
однако их много меньше, чем Са,
поэтому Са занимает господствующее
положение в поглощающем комплексе.
Итак,
для
черноземных
и
каштановых почв характерны два основных радиальных геохимических барьера: 1)
биогеохимический в верхней части гумусового горизонта, где за счет биогенной
аккумуляции накапливаются Р , S, K, Ca, местами Mg, Na, Sr, Mn, Cu, Zn, Mo, Co, As,
Ag, Ba, Pb и другие микроэлементы; 2) щелочной D 3 (реже D 4) и термодинамический
Н 3 барьеры в нижней части гумусового горизонта и верхней части карбонатного, где
накапливается СаСО3 (рис. 9.3).
В элювиальных почвах преобладают окислительные условия, на что указывает
неподвижность Fe, отсутствие оглеения. Вероятно, в черноземах в связи с их лучшим
увлажнением периодически создается слабоокислительная среда с подвижным Mn и
на короткий срок --- слабовосстановительная. Возможно, этим объясняется
формирование гумуса черного цвета и местами передвижение Mn. В каштановых
почвах среда более окислительная, чем в черноземах, и поэтому предположительно
гумус в них коричневый, Mn менее подвижен.
Карбонатная кора выветривания. В степях и пустынях, сформировавшихся на
скальных породах, под гумусовым горизонтом располагается обломочный горизонт с
корками кальцита на поверхности обломков. Нередко кальцита так много, что весь
щебень покрыт белой коркой. В обрывах плато, в искусственных выемках
карбонатный горизонт прослеживается в виде белой полосы, параллельной земной
поверхности. Его нижняя часть находится вне сферы почвенных процессов и должна
быть отнесена к коре выветривания. Такую кору Б. Б . Полынов назвал обломочной
обызвесткованной. Особенно характерна она для степных базальтовых плато. В
Армении мощность такой коры достигает 1---1,5 м . По Г . К . Габриеляну, в
образовании известковой коры решающее значение принадлежит атмосферной
миграции, так как 1 км2 базальтового плато в предгорьях Армении ежегодно получает
15---18 т бикарбоната кальция с атмосферными осадками. Последний быстро
преобразуется микроорганизмами в кальцит. Важным источником Са служит также
атмосферная пыль. Атмосферный принос Са вероятен и в других субаридных районах,
например, в Южной Австралии (М .А. Глазовская). Чем древнее ландшафт, тем больше
роль этого фактора в формировании иллювиального горизонта степных почв и
карбонатной коры выветривания. Вместе с тем атмосферный принос --- не
единственный источник Са карбонатных горизонтов. В большинстве степей, особенно
в молодых ландшафтах, вероятно, ведущее значение имело выветривание и
последующее перераспределение Са с участием бика. Эти процессы играли
определенную роль и при образовании карбонатной коры выветривания базальтов.
Последующий смыв и сдув почв мог вывести карбонатную кору на поверхность и
создать впечатление отсутствия выветривания базальтов. Постоянная эрозия верхних
горизонтов почв обусловливает постепенное "
въедание" коры в толщу породы.
Наконец, некоторые карбонатные горизонты являются реликтом луговой стадии
развития ландшафтов, когда накопление кальцита происходило из грунтовых вод.
Особенно характерны такие горизонты для террас и плоских равнин. В нижней части
былых супераквальных горизонтов наблюдаются следы оглеения, вместе с
карбонатами иногда аккумулировались железо и марганец.
В плейстоцене карбонатные коры формировались на всех материках. В Америке их
называют "каличе", "калькреты", в Передней Азии и Северной Африке --- "нари".
Часть из них, несомненно, имеет супераквальное происхождение.
Лессы и лессовидные породы многие авторы относят к коре выветривания,
которая формировалась в четвертичном периоде в условиях сухого климата ---
холодного (Украина, Сибирь) или теплого (Средняя Азия). В европейской России,
Белоруссии и Украине лессы отлагались в ледниковые эпохи в перигляциальных
областях. Возможно, некоторые лессы образовались в результате мерзлотных
процессов --- попеременного промерзания и протаивания. С этим связывают
формирование пористости, призматических отдельностей. А. И . Попов отнес
некоторые виды лессов к криопелитам --- конечным продуктам криогенного
выветривания. А. И . Спиридонов считает, что эоловый лессовидный материал
первоначально закреплялся на сырой поверхности снежников. Об этом говорят и
наблюдения И . Н . Степанова в Тянь- Шане и на Кавказе.
Л .С. Берг ввел понятие о процессе "
облессования", необходимым условием
которого является мелкоземистость и карбонатность исходной породы. По его
представлениям, материнская порода лесса может образоваться водным (аллювий,
делювий, пролювий), эоловым и другим путем, но характерные особенности лесса она
приобретает только в результате выветривания. Согласно К . К . Маркову, эта
геохимическая теория является основной теорией образования лессовых пород. По
О. П . Добродееву, лессы европейской России всегда несут следы почвенных
процессов, в форме следов корней и стеблей, гумуса, по составу, близкому к гумусу
современных пустынных почв (
в среднем около 0,3%), агрегированности.
Аккумуляция мелкозема происходила в основном из атмосферы со скоростью 0,1---1
мм в год. В условиях сухого и холодного перигляциального климата этот осадок сразу
же преобразовывался почвенными процессами пустынного типа. С этих позиций лесс
не только эоловое отложение, но и ископаемая почва ледниковых эпох, причем
почвообразование происходило одновременно с осадкообразованием.
Мелкоземистость и карбонатность сами по себе обеспечивают лессовидные черты,
особенно если порода отложилась в сухом климате. Поэтому, не отрицая теории Берга
и его последователей и признавая, что лесс может быть особой корой выветривания,
ряд авторов не исключают возможности формирования лессов и лессовидных пород
непосредственно в ходе осадкообразования. Согласно этим представлениям в
результате выветривания и почвообразования создается лессовый материал в виде
пылеватой карбонатной фракции, весьма характерный для районов аридного климата.
При переотложении водой или ветром данного материала образуется плащ лессов и
лессовидных пород.
В геохимическом отношении лессы и лессовидные породы аналогичны
обызвесткованной коре выветривания: все карбонатные коры выветривания и
континентальные отложения относятся к кальциевому классу.
Степные ландшафты относятся ко многим типам, мы рассмотрим характерную для
Евразии термосерию: черноземные степи --- сухие каштановые степи ---
субтропические степи. Первые два типа образуют также гидросерию. Каждый тип
состоит из нескольких отделов, а последние из северного, среднего и южного
семейств.
9.1.3. Черноземные степи
Этот тип включает три основных отдела:
Умеренноконтинентальные степи (европейские)
Континентальные степи (западносибирские)
Резкоконтинентальные степи (восточносибирские).
В каждом отделе имеется 3 семейства --- северные (луговые), средние (настоящие)
и южные (
засушливые) черноземные степи. В зависимости от зонально-
провинциальных особенностей и характера катенарной дифференциации в семействах
формируются ландшафты кальциевого, кальциево- глеевого, кальциево- натриевого и
других классов.
Для черноземных степей характерны все три рода геохимических ландшафтов.
Ниже рассмотрена геохимия трех классов семейства луговых степей, относящихся к
европейскому отделу, и особенности родов, общие для всех отделов, семейств и
классов.
9.1.3.1. Европейские луговые степи
Ландшафты этого семейства простираются сплошной полосой от Волыно-
Подольской возвышенности до Южного Урала, их относят к лесостепной зоне.
Фрагменты целинных степей сохранились только в заповедниках, местность почти
полностью распахана.
Луговые степи кальциевого (
Са) класса. Эти ландшафты отличаются
наибольшими Б и П . Бик поставляет в почву много органических веществ, и
оснований не хватает для их нейтрализации. В результате в верхней части почвы
развивается слабокислая среда (рН 6---6,5), в поглощающем комплексе появляется
небольшое количество водородного иона. Однако в луговых степях имеется только
начальная стадия этого процесса, большее его развитие знаменует смену степного
ландшафта луговым или лесным.
Для кальциевых луговых степей характерны выщелоченные, мощные и тучные
черноземы с высоким содержанием гумуса (до 20%) и большими его запасами (до 900
т/га). Размыв почв и коры выветривания, переотложение их материала приводит к
образованию склоновых отложений и аллювия. Все они богаты СаСО3 и относятся к
кальциевому классу.
Если грунтовые воды формируются в грубообломочном элювии и затем
фильтруются через трещиноватые изверженные породы, содержащие мало продуктов
выветривания, то они слабо минерализованы, нередко содержат силикаты и
бикарбонаты щелочей (
преимущественно Na). Такие воды имеют силикатно-
карбонатный состав с преобладанием среди катионов Na. Их минерализация не
превышает 0,5 г/л . Иной состав приобретают грунтовые воды в ландшафтах с более
мощными продуктами выветривания. В этом случае высокое содержание углекислой
извести в почвах, элювии и склоновых отложениях накладывает резкий отпечаток на
состав грунтовых вод. При их формировании важнейшее значение приобретает
растворение углекислого кальция, в связи с чем в водах среди катионов преобладает
кальций, а среди анионов --- гидрокарбонатный ион. Кальций как сильный коагулятор
обусловливает чистоту и прозрачность вод, которые почти не содержат в растворе
РОВ. В обоих рассмотренных случаях воды пресные, маломинерализованные, однако
воды склоновых отложений отличаются значительной жесткостью. Содержание хлора,
сульфат- иона, натрия в них невелико. По мере движения вод и их испарения
содержание SО4 2- повышается, воды приобретают местами сульфатно- кальциевый
состав. Из них возможно осаждение гипса в нижней части коры выветривания и в
континентальных отложениях на геохимических барьерах D 3 и H 3 (в форме
одиночных кристаллов). Мощные гипсовые горизонты не возникают.
Супераквальные ландшафты, питающиеся гидрокарбонатно- кальциевыми водами,
представлены лугами и болотами в долинах рек. Для них характерны пышная
травянистая растительность, кальциефилы. Это объясняется не только богатством вод
Са, но также накоплением СаСО3 в почвах в форме лугового или болотного мергеля
(накапливается также Sr). Реакция почв нейтральная или слабощелочная, в них
энергично разлагаются органические остатки, накапливается много гумуса (на лугах)
или хорошо разложившегося торфа (на болотах), развивается карбонатное оглеение.
Fe и Mn приобретают подвижность и образуют аккумуляции в форме железистых и
марганцевых конкреций на барьерах А7 и Н3. Однако миграционная способность Fe
ниже, чем в таежном ландшафте, болотные железные руды не возникают. В грунтовых
водах автономных ландшафтов иногда развивается слабовосстановительная среда,
поэтому железистые и марганцевые новообразования встречаются и в нижних
горизонтах коры выветривания. По В . В . Добровольскому, главный минерал
железистых новообразований --- гидрогетит, содержащий примеси As, Cu, V, Mo, Co,
Сr, Ni, Mn. Марганцевые черные сажистые пленки и дендриты представляют собой
вады (полиперманганиты), в которых преобладает MnO2 и обычно содержится до 2%
ВаО, примесь Ni, Cu, V, Cr, Co. Карбонат кальция нередко образует мелкие скопления
в форме различных "
журавчиков" и "дутиков", в которых наблюдаются реликты
коллоидного состояния и , в частности, металлоколлоидная структура. Для такого
кальцита характерны примеси Mn, Sr, Ba, Cu (барьеры G3, G7).
Формирование химического состава речных вод связано с поступлением в русло
грунтовых и поверхностных вод. Ручьи и плоскостной сток, взаимодействуя с
верхними горизонтами или размывая более глубокие горизонты черноземных почв и
кору выветривания, естественно, растворяют некоторое количество соединений Са.
Биологические процессы, протекающие в самой воде, --- дыхание организмов и другие
благоприятствуют накоплению в ней СО2 и , следовательно, гидрокарбонатного иона
(НСО3 -). Поэтому речная вода имеет гидрокарбонатно- кальциевый состав, ее реакция
слабощелочная. Вода, как правило, насыщена ионами Са и не растворяет известь.
Помимо растворенных солей речная вода содержит местами значительное
количество мути --- взвешенных наносов, содержащих до 20% СаСО3 . А так как
речная вода не способна растворять карбонаты, то они частично отлагаются в
аллювии, обусловливая его известковистость. По Н . М . Страхову, из речной воды
происходит и химическая садка кальцита. Аллювий обогащается и за счет
известковых скелетов животных.
Итак, типоморфным элементом луговых черноземных степей является Са,
находящийся в виде углекислой извести в почвах и подстилающих породах, с чем в
основном связана слабощелочная реакция почвенных и грунтовых растворов и
коагуляция минеральных и органических коллоидов на месте их образования. Воды
бедны растворимыми коллоидами. Среди обменных катионов преобладает Са.
Богатство ландшафта подвижным Са определяет ряд особенностей флоры и фауны ---
растения не испытывают недостатка Са, животный мир имеет все признаки
достаточного кальциевого питания. Велики в почвах и потенциальные запасы N, P, K
и других питательных веществ. Однако они слабо подвижны, и культурные растения
часто нуждаются в этих элементах. Особенно резко сказывается дефицит Р .
Применение азотных удобрений наряду с фосфорными позволяет резко поднять
урожайность, причем N и Р не только повышают урожай, но и влияют на его
качество: Р увеличивает устойчивость растений к засухе, повышает содержание белка
в зерне. Эффективны и необходимы микроудобрения. Так, марганцевые и борные
удобрения повышают урожай сахарной свеклы. На Кубани под свеклу используются
серпентинитовые удобрения, содержащие Mg. Применяются цинковые, молибденовые
и другие микроудобрения. Луговые черноземные степи сравнительно хорошо
обеспечены влагой, но все же и здесь в отдельные годы бывают засухи. Для
некоторых культур, особенно на поймах и террасах, применимо искусственное
орошение, причем именно на орошаемых землях удобрения дают наивысший эффект.
Большое значение приобретает в этих ландшафтах и химизация животноводства
(подкормки солями Са и Р , микроэлементами).
В медико- геохимическом отношении луговые степи относятся к сравнительно
благополучным ландшафтам. Эндемический зоб, кариес и другие болезни, связанные
с дефицитом элементов, здесь распространены значительно меньше, чем в тайге.
Однако мочекаменная болезнь, связанная с жесткостью вод и другими условиями,
наблюдается чаще.
В европейской России распространены все 3 рода ландшафтов (рис. 9.4, 9.5, 9.6),
но наиболее характерен второй --- луговостепные эрозионные возвышенности. Их
геохимия изучена Н. С. Касимовым, А. Н . Геннадиевым и М .Ю. Лычагиным в
заповеднике "
Михайловская целина" на Средне- Русской возвышенности. Здесь
Рис. 9.4. Кальциевые луговые степи I рода (вариант, по А . И . Перельману)
1 --- лёсс, 2 --- лёссовидные склоновые отложения и аллювий, 3 --- чернозем мощный, 4 --- луговые и
болотные почвы; геохимические барьеры: 5 --- биогеохимический, 6 --- испарительный (F3, F7), 7 ---
сорбционный (G3, G7), 8 --- щелочной (D3), 9 --- нижний испарительный (Н7, F3).
распространены типичные черноземы на лессовидных суглинках. В нейтральной и
слабощелочной среде почв механическая миграция элементов в виде суспензий
(лессиваж) выражена слабо, в связи с чем их силикатные (валовые) и сорбированные
формы распределены в профиле малоконтрастно, за исключением Mn, имеющего
биоаккумулятивное распределение. Более энергична миграция органо- минеральных
(ЭДТА-растворимых) и особенно легкоподвижных (воднорастворимых и карбонатных,
извлекаемых, например, ацетатно- аммонийной вытяжкой) форм элементов с
накоплением наиболее подвижных из них --- Cd, Pb, Cu и Co (R = 2---3) в
иллювиальных карбонатных горизонтах, а Mn и Zn, активно участвующих в бике --- в
гумусовых горизонтах (R = 1,8---2,0).
В типичных черноземах баланс миграционно- способных форм микроэлементов
изменяется от гумусовых горизонтов к иллювиальным карбонатным. В гумусовых
резко преобладают органо- минеральные формы Co, Mn, Pb и Cd при подчиненном
значении легкоподвижных и более инертных сорбированных форм. У Fe и Zn
преобладают сорбированная форма, Cu и Ni находятся преимущественно в
сорбированной и органо- минеральной формах. В карбонатных горизонтах возрастает
доля легкоподвижных форм Cd, Pb, Co и Mn (30---50% от общего содержания
подвижных форм), что указывает на их иллювирование из верхней части профиля.
В водораздельно-балочных катенах (типичные черноземы --- лугово- черноземные и
торфяно- глеевые почвы) латеральная миграция микроэлементов происходит главным
образом в легкоподвижной и органо- минеральной формах. Содержание первой у Mn,
Zn, Pb и Cd в гумусовых и торфяных горизонтах почв подчиненных лугово-болотных
ландшафтов в 3---7 раз выше, чем в горизонте А1 автономных черноземов (рис. 9.7).
Органо- минеральные формы (кроме Zn) распределены в катене менее контрастно.
Еще слабее латеральная дифференциация сорбированных и валовых форм
микроэлементов, за исключением участвующих в биогенной и гидрогенной
аккумуляции (Sr). В торфяно- глеевых почвах балок в балансе подвижных форм
нахождения за счет уменьшения сорбированных форм резко возрастает доля органо-
минеральных форм Fe и Cu, активно поглощаемых лугово-болотной растительностью.
Рис. 9.5. Кальциевые луговые степи II рода (вариант, по А . И . Перельману)
1 --- лёсс и лёссовидные суглинки (Са), 2 --- лёссовидные отложения склонов (продукт размыва
водораздельных лёссов и коренных пород (Са), 3 --- коренные осадочные породы, 4 --- лёссовидный аллювий
(Са), 5 --- элювиальные черноземы (без геохимических реликтов), 6 --- неоэлювиальные черноземы
(пережившие супераквальную стадию с реликтовым известковым горизонтом), 7 --- современный уровень
грунтовых вод, 8 --- древний уровень грунтовых вод; геохимические барьеры: 9 --- биогеохимический, 10 ---
щелочной, 11 --- испарительный, 12 --- нижний испарительный, 13 --- сорбционный.
Начинает проявляться латеральная миграция элементов- гидролизатов (Zr, Sc, Ti), Mo,
подвижных в щелочной окислительной обстановке, особенно хорошо выраженная в
степных и сухостепных ландшафтах (см. ниже). Формы миграции этих элементов
изучены слабо.
Кальциево- натриевые луговые степи (Са --- Na). Формирование ландшафтов
данного класса связано с развитием засоления и рассоления. Они характерны для
Днепровской и Окско-Донской низменностей, где солонцеватые черноземы
чередуются с солонцами, содовыми солончаками, лугами и болотами.
На плоских террасах Днепра и Десны в лесостепной зоне Украины почвы
представлены солонцеватыми и осолоделыми черноземами, солодями, реже луговыми
и болотными почвами, содовыми солонцами и солончаками. Грунтовые воды нередко
содержат соду. Это провинция содово- сульфатного засоления. В эпоху близкого
стояния грунтовых вод, когда террасы являлись поймами, на последних, вероятно,
широко были распространены процессы засоления и осолонцевания, ландшафт носил
характер солончаковатых и солонцеватых лугов. В дальнейшем с понижением базиса
эрозии (а возможно, и с увлажнением климата) началось рассоление, приведшее к
образованию черноземов, сохранивших в качестве реликтов различные признаки
солонцеватости и осолодения. В современных депрессиях рельефа создались условия
для накопления соды и образования солончаковых почв и солончаков (К . К . Гедройц).
Так как часть солонцов вторично
засолена, то очевидно, что поднятия
сменялись опусканиями. Реки в подобных
ландшафтах текут медленно, воды в
основном гидрокарбонатно- кальциевые,
но есть и натриевые с повышенной
щелочностью (сода!). Долины рек, как
правило,
сильно
заболочены,
встречаются и моховые низинные болота
с ярко выраженным сизым глеевым
горизонтом под торфяным слоем.
Рис. 9.6. Кальциевые луговые степи III рода (вариант, по А . И . Перельману)
1 --- щебнистый элювий и склоновые отложения, 2 --- щебнисто-суглинистые карбонатные склоновые
отложения, 3 --- карбонатный и карбонатный глеевый аллювиц, 4 --- черноземовидные щебнистые
почвы, 5 --- черноземы, 6 --- черноземно-луговые почвы, 7 --- болотные почвы; геохимические барьеры: 8
--- биогеохимический, 9 --- щелочной, 10 --- испарительный (F3, F7), 11 --- нижний испарительный, 12
--- сорбционный (G3, G7).
Рис. 9.7. Коэффициенты латеральной миграции
(L) в водораздельно- балочной катене луговой степи
(по Н.С. Касимову, А.Н. Геннадиеву и М.Ю.
Лычагину).
L --- отношение содержания элементов в торфянисто-
глеевых почвах балки к их содержаниям в типичных
черноземах автономного ландшафта. Формы элементов: 1
--- водорастворимые и карбонатные, 2 --- органо-
минеральные, 3 --- непрочносорбированные.
Кальциево- магниевые луговые степи (Са --- Mg). Этот класс формируется на
гипербазитах, доломитах и других породах, богатых Mg. В низкогорных
серпентинитовых массивах Южного Урала почвы и рыхлые отложения обогащены Mg,
Cr, Co и Ni, воды здесь гидрокарбонатно- магниевые. Весьма специфична флора. Все
же в бике главное участие принимает не Mg, а Са, в почвах и делювии
преимущественно накапливается кальцит. В связи с этим ландшафты на гипербазитах
относятся к Са --- Mg классу (а не к чисто магниевому).
9.1.3.2. Средние и южные
черноземные степи (все отделы)
В систематическом отношении
они аналогичны луговым степям:
здесь также имеются ландшафты
кальциевого (
преимущественно в
условиях расчлененного рельефа),
кальциево- натриевого
(
на
аккумулятивных равнинах
и
перекрытых пенепленах), кальциево- магниевого (
на ультраосновных породах)
классов, все три рода и большое число видов.
Черноземные степи III рода. Наиболее совершенное геохимическое сопрежение
элементарных ландшафтов характерно для данного рода. Это преимущественно
степные низкогорья и мелкосопочники, хотя к III роду относятся и участки с очень
резким овражным рельефом на равнинах. Данные ландшафты распространены на
Южном Урале, в Казахском мелкосопочнике, на Алтае, в Забайкалье, Монголии.
Отличаясь по некоторым ландшафтообразующим факторам (климату, геологическому
строению, рельефу, почвенно-растительному покрову), все они обладают рядом
общих геохимических свойств, определяемых близостью условий миграции
химических элементов. Это районы неотектонических поднятий с энергичным
водообменом и сравнительно простой историей ландшафтов, в которых мало
геохимических реликтов. В зависимости от геологического строения имеется большое
число видов ландшафтов --- на гранитоидах, основных эффузивах, сланцах и т . д .
Структура степных ландшафтно- геохимических катен в низкогорьях и
мелкосопочниках в разных геолого- геоморфологических условиях достаточно
однородна. В автономных и трансэлювиальных позициях, где происходит
биогеохимическая и почвенно- геохимическая мобилизация веществ под разнотравно-
злаковыми петрофитными сообществами, формируются маломощные щебнистые
черноземы и черноземовидные почвы. Для них характерны нейтральная и
слабощелочная реакция, фульватный состав гумуса, контрастное распределение
илистой фракции в профиле с резким максимумом в гумусовом горизонте,
бескарбонатность верхней части почвы.
Основная геохимическая особенность почвообразования на силикатных породах (кислых,
средних, основных) состоит в создании содовой среды, в которой приобретают подвижность
анионогенные элементы и комплексообразователи. Они затем депонируются илистыми
минеральными и органическими частицами в дерновом и гумусовом горизонтах маломощных почв
(сорбционный барьер G3) или биогенным путем, а также могут участвовать в дальнейшей
латеральной миграции. Катионогенные элементы также могут накапливаться в гумусовых
горизонтах, но это менее типично. Преимущественная концентрация анионогенных элементов и
комплексообразователей в щебнистых маломощных черноземах установлена И.П. Гавриловой, Н.С.
Касимовым, И.Г. Побединцевой и О.А. Самоновой на Южном Урале, Рудном Алтае и Кокчетавской
возвышенности.
Так, для автономных маломощных черноземовидных почв на элювии липаритовых
туфов в предгорьях Рудного Алтая характерен следующий ряд коэффициентов
радиальной дифференциации (R) относительно почвообразующих пород (по 8
разрезам):
ГоризонтА1 Ti,V > Mo >Cr,As,B,Y > Mn,Ni >Cu... .
2,1 1,7
1,2 ---1,3
0,9---1,0 0,5
Катионогенные элементы в почвах не дифференцированы из- за низкой
подвижности.
В щебнистых выщелоченных черноземах на элювии гранодиоритов Кокчетавской
возвышенности наряду с анионогенными элементами и комплексообразователями (Cr,
Ti) в гумусовых горизонтах накапливаются Cu, Co и Pb (R = 1,5---2,5). Более
контрастно в малоразвитых черноземах распределены подвижные ацетатно-
растворимые формы Zn и В (R = 2---5).
В подчиненных позициях --- долинах небольших рек обычно формируются
элементарные
ландшафты
гидрокарбонатно- кальциевого- глеевого
или
гидрокарбонатно- натриевого глеевого классов с лугово- черноземными почвами и
солодями под луговыми сообществами и осиново- березовыми колками. На Рудном
Алтае в таких катенах установлено обогащение подчиненных ландшафтов элементами
" содового" комплекса при слабой подвижности катионогенных элементов.
Обобщенный ряд коэффициентов латеральной дифференциации (L), отражающих
накопление элементов в почвах подчиненных ландшафтов относительно автономных
следующий:
Ti,Mo >Cr >V>Cu >Ni>Pb,Zn,Co >Mn.
2,0
1,9 1,7 1,5 1,3
1,0
0,5
Близкие особенности латеральной дифференциации установлены и в степных
катенах Зерендинского массива Северного Казахстана. Подчиненные дерновые
глееватые почвы обогащены здесь по сравнению с автономными и
трансэлювиальными обыкновенными и выщелоченными черноземами Мо, В , Cr, V и
Ni. Особенно велика латеральная дифференциация катен на кислых породах
(гранитах, вторичных кварцитах), на низком геохимическом фоне которых заметнее
обогащенность более тяжелых по механическому составу почв и отложений
подчиненных позиций, где образуются еще более контрастные аномалии Nb, Y, Ti, B
и Мо. Зона максимального накопления этих элементов, как правило, приходится на
ландшафты делювиальных шлейфов.
Основным механизмом селективной дифференциации анионогенных элементов и
комплексообразователей является их мобилизация в щелочной среде почв автономных
ландшафтов, миграция и осаждение на глеевых, кислых и сорбционных
геохимических барьерах в почвах подчиненных ландшафтов логов мелкосопочника и
долин небольших рек и ручьев (Н .С. Касимов).
Черноземные степи II и I родов простираются широкой, местами прерывистой,
полосой от Украины до Китая. Ко II роду в основном относятся ландшафты
эрозионных возвышенностей, а к I --- ландшафты аккумулятивных низменностей (юг
Окско-Донской, юг Западно-Сибирской и др.). Для ландшафтов I рода характерны
лессовидные отложения, коренные породы залегают глубоко. Эти ландшафты
пережили луговую стадию, местами засоление.
Черноземные степи II рода занимают денудационные возвышенные равнины
Украинского щита, Южного Урала, Северного Казахстана, Алтая, Забайкалья. В них
широко развиты геохимические реликты в виде древних мезо- кайнозойских кор
выветривания, часто на поверхность выходят коренные породы. Широко
распространены плейстоценовые, преимущественно карбонатные лессовидные
отложения. Эти ландшафты пережили сложную историю, так как в районах их
распространения континентальный режим существовал уже в палеогене и неогене. В
плейстоцене они не покрывались ледником. Местами на поверхность выходят
геохимические реликты этих эпох --- палеогеновые и неогеновые континентальные
отложения и погребенные почвы.
В ледниковые эпохи здесь формировалась холодная лесостепь, была развита
многолетняя мерзлота, уровень грунтовых вод на плоских водоразделах стоял высоко,
и эти участки местами прошли через супераквальную стадию, реликтом которой
служит карбонатный горизонт в плакорных черноземах с мощным накоплением
углекислой извести. К реликтам гидроморфной стадии относятся также
встречающиеся в них гидроксиды железа и марганца.
Геохимическая контрастность степных ландшафтов II и I родов в связи с широким
распространением покровных рыхлых отложений значительно меньше, чем в
низкогорьях и мелкосопочниках (III род), в которых фон сильно дифференцирован из-
за геохимической пестроты коренных пород. Это связано с тем, что покровные
лессовидные отложения четвертичного возраста имеют в различных районах сходные
геохимические особенности: средне- тяжелосуглинистый гранулометрический состав,
повсеместную карбонатность, слабую засоленность, определяющие близость их
микроэлементного состава. Хотя плащ покровных суглинков в ландшафтах II рода
имеет небольшую мощность (несколько метров), в фоновых условиях он практически
полностью экранирует почвы от геохимического влияния подстилающих неогеновых,
палеогеновых и более древних отложений, древней коры выветривания, редко
выходящих непосредственно на дневную поверхность. Все это обеспечивает
относительную монолитность каскадных ЛГС на равнинах и благоприятствует
установлению особенностей современной (голоценовой) латеральной миграции
микроэлементов.
Миграцию и дифференциацию элементов в методическом отношении удобно
изучать в локальных КЛГС водосборов I порядка, например, в водораздельно-
западинных и водораздельно- балочных катенах, где отсутствует приток вещества со
стороны.
Пространственная структура ландшафтов II и I родов сравнительно однородна. В
автономных условиях вершин и верхних частей склонов пологих холмов и гряд на
лессовидных карбонатных суглинках развиты зональные разнотравные ковыльные
степи на типичных, обыкновенных и южных черноземах. В нижних частях склонов и
депрессиях рельефа (элювиально- аккумулятивные ландшафты) обычно формируются
ковыльно- типчаково- полынные сообщества на карбонатных и и солонцеватых
черноземах, иногда солонцах. В западинах и балках с близким уровнем грунтовых вод
или верховодки (супераквальные и супераквально- аккумулятивные ландшафты)
развиты осиново- березовые колки и заболоченные луга на лугово- черноземных
осолоделых, торфянисто- глеевых почвах и солодях.
Автономные ландшафты кальциевого класса. Черноземы на рыхлых отложениях
разного минералогического и химического состава отличаются главным образом
уровнями содержания микроэлементов (обычно не более чем в 2---3 раза), но сходны
по характеру распределения их в почвенном профиле. Полноразвитые черноземы на
покровных отложениях европейской России, Урала, юга Западной Сибири, Северного
Казахстана и Алтая характеризуются неконтрастной радиальной дифференциацией
микроэлементов (Глазовская, Золотарева, Ильин, Касимов, Протасова и др.). Это
связано со слабой изменчивостью минералогического и гранулометрического состава
по профилю и отсутствием контрастных геохимических барьеров. Коэффициенты
радиальной дифференциации большинства микроэлементов в этих почвах обычно
близки к единице во всех генетических горизонтах, что отличает их от
дифференцированных черноземов на массивно- кристаллических породах в
мелкосопочнике.
Таким образом, для черноземов на покровных лессовидных суглинках в целом не
типичны аномалии валовых форм большинства микроэлементов. Аномалии некоторых
элементов в этих почвах и других подтипах черноземов в отдельных районах имеют
либо рудогенный, либо техногенный генезис.
Подвижные формы микроэлементов в южных черноземах распределены более
контрастно по сравнению с валовыми содержаниями. Однако даже в гумусовом
горизонте коэффициенты их радиальной дифференциации не превышают 1, что
указывает на слабую связь микроэлементов с органическим веществом в щелочной
окислительной обстановке. В иллювиальном карбонатном горизонте образуются
слабые аномалии подвижных форм Cu, Pb, Co, Ni, Cr и Cd --- тяжелых металлов,
осаждающихся на щелочном геохимическом барьере D 3. По- видимому, они
мигрируют в форме бикарбонатов. Некоторое увеличение содержания подвижных
форм в карбонатном горизонте может быть связано и с утяжелением механического
состава по сравнению с выше- и нижележащими горизонтами (сорбционный барьер
G3).
9.1.4. Сухие степи
Тип сухих степей является переходным между черноземными степями и
пустынями. Во многих районах это находит выражение в характере растительного
покрова, в котором преобладают полынно- злаковые ассоциации (для типичных
черноземных степей характерны злаковые, для северных пустынь --- полынные).
Между черноземными и сухими степями нет столь четких различий, как между
тайгой и широколиственными лесами, переходы постепенные, и , например, сухие
степи на темнокаштановых почвах весьма близки к южным черноземным степям. С
другой стороны, между пустынями и сухими степями также имеется много общего, и ,
возможно, систематическую границу между степями и пустынями следует проводить,
как это предлагают некоторые географы и ботаники, внутри сухих степей, относя
степи на светлокаштановых почвах к полупустыням.
Уровень самоорганизации (П :Б) в элювиальных ландшафтах сухих степей ниже,
чем в черноземных степях.
На территории России и Казахстана распространены 2 отдела сухих степей ---
континентальные
(Европейско- западно-сибирско- казахстанские)
и
резкоконтинентальные сухие степи (средне- и восточносибирские) с длительным
промерзанием почв, а местами и с островной многолетней мерзлотой. В каждом
отделе выделяется 2 семейства: северное на темнокаштановых почвах с более
интенсивным биком и южное на светлокаштановых почвах. Возможно, сухие степи
Армении, Тянь- Шаня следует относить к особым отделам.
Для сухих степей типична комплексность почвенно-растительного покрова:
наиболее часто встречается сочетание каштановых почв с солонцами, в некоторых
районах солонцы преобладают. Помимо типичных солонцов широко развиты
каштановые солонцеватые почвы. Особенно велика комплексность на плоских
недренированных равнинах (I род).
9.1.4.1. Северные европейские и казахстанские сухие степи
Среди них преобладают ландшафты Са и Са---Na-классов. Ниже рассматриваются
примеры геохимически контрастных сухостепных ландшафтов III и II родов.
Ландшафты III рода в складчатых областях представлены сухостепным
мелкосопочником или низкогорьем. По названию горы в Мугоджарах мы их назвали
кучукбайскими. Выделяется несколько видов --- на гранитоидах, основных эффузивах,
сланцах, известняках и других породах. Кучукбайские ландшафты распространены на
участках, где активно проявились неотектонические поднятия и смыв явно
преобладает над аккумуляцией. На вершинах и крутых склонах сопок здесь
обнажаются скальные породы, обломки которых покрыты накипными лишайниками,
выполняющими функции первых агентов выветривания и создающими мелкозем
первичных почв. На менее крутых склонах преобладают маломощные щебнисто-
мелкоземистые почвы. Между обломками коренных пород в них залегает коричневый
гумусированный мелкозем, образовывающийся, вероятно, за счет минерализации
растительных остатков (в том числе лишайников), раздробления коренных пород
(песчаная и пылеватая фракции), эолового приноса. Коричневый горизонт книзу
сменяется обызвесткованным щебнем, переходящим в трещиноватую коренную
породу. Мощность профиля часто не превышает 0,3---0,5 м . Таким образом, на
склонах почва и кора выветривания совпадают. Растительный покров этих
каменистых степей представлен петрофитами, наряду с травами широко
распространены кустарники. Такие элементарные ландшафты относятся к
кальциевому классу. Для более пологих склонов с полынно- злаковой растительностью
характерны щебнисто- суглинистые или щебнисто- супесчаные плащи, в них выше
процент мелкозема, каштановая почва имеет более развитый профиль, нередко
содержит иллювиальный солонцеватый горизонт В , который книзу переходит в
белесый карбонатный. В этом случае почва, как правило, отделяется от склоновых
отложений, мощность которых все же не превышает 3---5 м .
По М .А. Глазовской, полыни степей Казахстана являются выходцами из
Средиземноморья, их виды формировались на засоленных морских побережьях
палеоген- неогеновых морей и поглощали много Na. Закрепленное наследственностью,
это свойство обусловило высокое содержание Nа в золе, хотя теперь полыни растут и
в элювиальных условиях на субстратах, бедных подвижным Na. При разложении
растительных остатков некоторое количество натрия входит в поглощающий
комплекс, обеспечивая солонцеватость почв (полного насыщения ПК Na не
происходит, так как в золе все же преобладает Са). Подобные элементарные
ландшафты относятся к Са---Na-классу. Роль Na в бике и почвенных процессах
значительна, рН горизонта В каштановых солонцеватых почв нередко достигает 8---
8,5.Иные условия в сухих степях Тянь- Шаня, где элювиальные почвы не солонцеваты,
почти не содержат Na в ПК. В золе растительности этих степей, в частности, в
местных видах полыней, содержится мало Na и много Са. При минерализации
растительных остатков Na почти не входит в ПК. Глазовская подчеркивает, что
полыни и другие травы сухих степей внутреннего Тянь- Шаня являются выходцами из
Центральной Азии. В прошлом это нагорные ксерофиты, и понятно, что состав их
золы отражает условия автономных степных ландшафтов, где почвы богаты Са и
бедны Na. Возможно, что этими же причинами объясняется незначительное
распространение солонцеватых почв в сухих степях Монголии. Таким образом, в
сухих степях Казахстана преобладают ландшафты Са---Na-класса, а в сухих степях
Центральной Азии, Восточной Сибири, Тянь- Шаня --- Са- класса.
Рис. 9.8. Участок долины реки, приуроченный к зоне разлома в кучукбайских
ландшафтах (по С . И . Сотниковой):
1 --- осока, 2 --- рогоз, 3 --- тростник, 4 --- камыш; Cr3, V2 --- кларки концентрации.
Рис. 9.9. Накопление молибдена на глеевом барьере в луговых почвах Южных
Мугоджар (по С . И . Сотниковой)
а --- валовое содержание, б --- баланс форм нахождения молибдена в вытяжках (% от валового
содержания): 1 --- водной, 2 --- Тамма, 3 --- щелочной, 4 --- нерастворимый остаток.
Рис. 9.10. Геохимическое сопряжение в
кальциево- натриевых сернокислых южных
степях (по А . И . Перельману)
А --- степные ландщафты, Б --- сернокислые
солончаки, болота, леса; геохимические барьеры:
испарительные --- F1, F2, F5, F6, кислородные
--- А1, А2, А5, А6, сорбционные --- G1, G2, G5,
G6).
Лога кучукбайских ландшафтов выполнены суглинками и супесями со щебнем,
образовавшимися за счет размыва и переотложения рыхлого материала склонов.
Маломощный овражный аллювий плохо отсортирован и в геохимическом отношении
относится к Са- классу. Лога обычно заполняются водой только в короткие периоды
снеготаяния или после сильных ливней, подавляющую часть года они сухие,
грунтовые воды в них отсутствуют. Однако днища логов увлажняются лучше, чем
склоны, запасы воды в них больше, растительный покров богаче, травы гуще (много
злаков, кустарников), почвы часто выщелочены от карбонатов или же вскипают от
НСl на глубине более 1 м . Элементарные ландшафты сухих логов, следовательно,
относятся к Са- классу (а не к Са---Na), промытость почв определяет возможность
выноса ряда элементов.
Разгрузка трещинно- грунтовых вод зоны местного стока обычно происходит по
разломам. Нередко по ним разгружаются и воды зоны регионального стока или еще
более глубокие. По составу они пресные гидрокарбонатные, реже сульфатно-
гидрокарбонатные. Если формирование вод связано с биком и карбонатной корой
выветривания, то среди катионов преобладает Са. Если в ландшафте мощность
карбонатной коры очень мала или воды длительно циркулируют по разломам, то они
приобретают иной состав за счет взаимодействия с коренными породами,
метаморфизации, окисления сульфидов и других процессов. Нередко это
гидрокарбонатно- натриевые воды (Na из вмещающих пород), в них повышается
содержание S
О4 2- (за счет окисления сульфидов). При глубокой циркуляции
наблюдается и глеевая среда, наличие Fe2+ и Mn2+.
К более крупным разломам нередко приурочены долины небольших рек, русла
которых заполняются водой только весной, за исключением участков активных
разломов, где образуются постоянные плесы и омуты (рис. 9.8). В долинах таких рек
на выходах источников развиты луга, болота, небольшие рощи. В Мугоджарах и
Центральном Казахстане это обычно березовые леса ("колки"
--- реликты
четвертичной лесостепи). По С. И . Сотниковой, водная и болотная растительность
таких долин в Мугоджарах концентрирует Mn, реже Fe (у кувшинки), обнаружен и
концентратор Sn (рдест). Как и в луговых степях, Mn здесь подвижнее Fe.
По М. М . Ермолаеву, в сухих степях Орского Зауралья в почвах луговых и
болотных ландшафтов концентрируются Ni, Zn, Cu, образующие безрудные аномалии
на геохимических барьерах. На глеевом барьере С3 в Мугоджарах осаждается Мо,
возможно в виде соединений Мо5+ в смеси с гидроксидами железа (рис. 9.9). С. И .
Сотникова предполагает следующую окислительно- восстановительную реакцию:
Na2 MoO4 + Fe(HCO3)2 + 3H2O Х MoO(OH)3 + Fe(OH)3 + 2NaHCO3 .
К зонам разломов приурочены и солончаки. Воды, питающие солончак, могут быть
пресными, и они засоляются только вблизи поверхности (F 3). Учитывая важность
водоснабжения в сухих степях, необходимо обращать внимание на линейное
засоление в зонах разломов. При бурении скважин на таких участках может быть
найдена хорошая пресная вода.
Кучукбайские ландшафты благоприятны для
металлометрических
поисков:
каштановые
почвы склонов выщелочены слабо, и вторичные
ореолы не ослаблены или почти не ослаблены,
как
правило,
соответствуют
коренному
оруденению. Если в зоне разлома на глубине
имеется сульфидное оруденение, то воды
становятся
кислыми
сульфатными
и
образующиеся разломные солончаки содержат
много сульфатов, в том числе гипса (рис. 9.10).
Поэтому гипсовые горизонты, лишенные
карбонатов, на участках разломов являются
следами современного или былого кислого
засоления (F1), указателем распространения сульфидов на глубине. Применимы в
кучукбайских ландшафтах и гидрогеохимические поиски, которые позволяют
обнаруживать скрытое оруденение.
Ландшафты II рода характерны для Ергеней, Приволжской возвышенности,
Общего Сырта, Мугоджар, Казахской складчатой страны. Среди них в геохимическом
отношении резко различаются ландшафты складчатых и платформенных областей. В
складчатых областях мы выделяем каиндинские ландшафты, которые включают в
себя несколько видов (топонимика связана с наименованием реки в Мугоджарах). Это
пенеплены, сложенные изверженными и метаморфическими породами с
раннемезозойской и мел- палеогеновой линейной и площадной корой выветривания, с
широкими древними долинами, выполненными осадочными отложениями. Типичное
геохимическое сопряжение: автономный ландшафт плоских водоразделов ---
сухостепной пенеплен, сложенный скальными породами, нередко фиксированный
древней корой выветривания с маломощными четвертичными отложениями;
подчиненные ландшафты котловин и древних долин --- сухие степи и солонцы на
континентальных отложениях. Бик микроэлементов в каиндинских ландшафтах
изучен М . М . Ермолаевым с сотрудниками в Орском Зауралье. Ковыль и типчак, как
правило, не концентрируют Cu (Ах < 1), в то время как некоторые полыни, биюргун,
другие травы и кустарники на солонцеватых и засоленных почвах накапливают этот
металл (Ах = 2---4). Установлены также растения- концентраторы Со (Ах = 2---6,7), Ni,
Mo, Pb, Sr, Ba, Zn (Ax > 1). Обнаружены растения, концентрирующие Ti (более 1% в
золе), Zr, V, Y. Все эти сравнительно малоподвижные анионогенные элементы
накапливаются в элювиальных и трансэлювиальных ландшафтах на солонцах или
солонцеватых каштановых почвах. В содовой среде Zr, V, Y, Mo образуют достаточно
растворимые комплексные соединения и могут поглощаться растениями. Ti, Zr, Y и
другие малоподвижные элементы накапливаются только в тех растительных
ассоциациях, которые включают лишайники. Возможно, что лишайники
" ответственны за вовлечение этих элементов в биологический цикл".
В неоген- четвертичное время кислая выщелоченная древняя кора выветривания
местами подверглась засолению, которое позднее сменилось рассолением, чем и
объясняется широкое распространение солонцов. Вероятно, в прошлом на
поверхности пенеплена были развиты и лугово- солончаковые ландшафты, рассоление
которых привело к формированию сильно солонцеватых каштановых почв с
реликтовым гипсовым горизонтом.
Понижения рельефа в каиндинских ландшафтах предсталяют собой древние
долины, выполненные континентальными мезокайнозойскими отложениями с
ландшафтом сухой солонцеватой каштановой степи или типичными солонцами. По
дну долин обычно петляет сухое русло или небольшая речка, которые явно не
соответствуют размерам долины. Грунтовые воды часто залегают глубоко, однако в
более крупных долинах имеется горизонт грунтовых вод, с которыми связаны лугово-
солончаковые и лугово- солонцовые ландшафты.
Формирование химического состава грунтовых вод в каиндинских ландшафтах
протекает по- иному, чем в кучукбайских. Здесь, как правило, действуют законы
растворения солей, накопившихся в предшествующие этапы развития ландшафта и
заключенных в почвах и континентальных отложениях. Это определяет пестрый
состав и различную минерализацию вод, широкое распространение хлоридно-
сульфатных вод.
При геохимических поисках в каиндинских ландшафтах наиболее благоприятны
для поверхностной металлометрии элементарные ландшафты сухой каштановой степи
на скальных породах. Здесь условия поисков те же, что и в автономных кучукбайских
ландшафтах.
В древней коре выветривания содержание многих элементов резко понижено по
сравнению с коренными породами. Вторичный ореол в этих условиях ослаблен или
отсутствует. С поверхности древняя кора нередко перекрыта маломощными
четвертичными отложениями, на которых сформировалась каштановая почва с
повышенным (
против содержания в древней коре) содержанием элементов.
Поверхностное металлометрическое опробование на таких участках не эффективно,
необходим более глубокий пробоотбор.
Поиски на участках развития аллохтонных четвертичных и более древних
осадочных отложений еще более сложны в связи с экранированием ореолов, резким
их ослаблением. В .А. Бугров показал, что в Мугоджарах в четвертичных песках
существуют оторванные аномалии, обязанные былому близкому залеганию грунтовых
вод. Эти древние испарительные барьеры залегают над вторичными ореолами в
древней коре выветривания, причем концентрации Мо и Zn отрываются от ореолов на
18 м (по вертикали), а Cu, As, Ag, Pb --- на 6 м . Часть металлов находится в песках в
воднорастворимой форме (для Zn до 40% валового содержания).
Если рыхлые отложения не превышают первые десятки метров, эффективны
биогеохимические поиски с опробованием полыни, кокпека, биюргуна, камфоросмы и
других полукустарничков. Гидрогеохимические поиски также эффективны, однако
водные ореолы для ряда металлов короткие (за счет осаждения элементов из
минерализованных вод). Zn, Mo, SO4 2- накапливаются в минерализованных водах за
счет испарения и других процессов, образуя безрудные аномалии.
Каиндинские ландшафты значительно разнообразнее, чем кучукбайские (сложнее
история, больший возраст ландшафтов и большее количество информации в них).
Имеются виды, где на водоразделах преобладает площадная древняя кора
выветривания и виды, где она полностью смыта и лишь местами встречается линейная
кора. В древних долинах одних ландшафтов с поверхности залегают неогеновые
глины, в других --- они перекрыты маломощными четвертичными отложениями.
Ландшафты I рода развиты в равнинных областях, сложенных мощной толщей
осадочных пород (Прикаспийская и Причерноморская низменности, Тургайская
впадина, Северный Казахстан и др.). Северные сухие степи I рода в геохимическом
отношении отличаются от каиндинских ландшафтов. В них в миграцию, как правило,
вовлечены морские соли осадочных пород, здесь особенно много солончаков,
солонцов, соленых озер. Темнокаштановые почвы солонцеваты, роль натрия
повышена по сравнению с ландшафтами складчатых областей.
9.1.4.2. Южные сухие степи
Они отличаются более сухим климатом и , соответственно, меньшей
интенсивностью бика, меньшим накоплением гумуса, более слабым стоком, широким
развитием светлокаштановых почв. Подзона южных сухих степей в России и
Казахстане простирается от Прикаспийской низменности до Зайсанской котловины и
характеризуется наибольшим распространением солонцового процесса. Здесь много
типичных солонцов, почти все светлокаштановые почвы солонцеваты. Систематика
южного семейства аналогична северному, однако кальциевый класс здесь менее
распространен. В Са---Na-классе имеются аналоги кучукбайских и каиндинских
ландшафтов.
Во впадинах, окруженных гранитными массивами, широко распространены
полимиктовые песчаные отложения. При их выветривании происходит мобилизация
натрия, на осушенных террасах озерных впадин преобладают солонцы с
анионофильной специализацией видов сложноцветных и маревых, создаются
особенно благоприятные условия для латеральной миграции анионогенных
микроэлементов. Так, в ландшафтах эолово- аккумулятивных равнин Жаильминской
впадины в юго- западной части Центрального Казахстана в подчиненных содово-
солончаковых почвах накапливаются бор (в 4---5 раз больше, чем в почвах
автономных ландшафтов); в солонцах по периферии озерных впадин --- хром, серебро,
ванадий; в донных осадках соленых озер --- бериллий, молибден, скандий. Для
катионогенных элементов латеральная миграция в содовой среде не характерна, и они
не накапливаются в почвах подчиненных ландшафтов.
Особенно четко миграция элементов "содового" комплекса видна на фоне слабой
подвижности катионогенных элементов при анализе их подвижных форм (рис. 9.11).
9.1.4.3. Геохимические проблемы здоровья населения
и сельского хозяйства в сухих степях
В медико- геохимическом отношении сухие степи отличаются избыточностью
некоторых элементов и связанной с ней заболеваемостью уролитиазом, местами
флюорозом. Избыточность особенно сильно проявляется в районах рудных
месторождений.
Важнейшая проблема развития сельского хозяйства в сухих степях --- преодоление
дефицита воды. Экономное расходование влаги атмосферных осадков
(снегозадержание и др.), использование наиболее засухоустойчивых сортов
позволяют возделывать культурные растения в автономных ландшафтах северных
сухих степей. Южные сухие степи на светлокаштановых почвах нуждаются в
орошении. Однако и в северных степях полное решение проблемы земледелия связано
с искусственным орошением. Дефицит воды во многих районах сдерживает развитие
животноводства.
Почвы и воды сухих степей сравнительно богаты большинством биологически
ценных элементов, но и здесь наблюдается дефицит некоторых из них, особенно N и
Р . В засушливые периоды года и особенно в засушливые годы в пастбищных
растениях понижается содержание Р , что отражается на домашних животных. Не
хватает также Са и NaCl (необходима минеральная подкормка). В некоторых районах
дефицитны Mn, J, Cu, Со.
Не менее характерен для сухих степей избыток ряда элементов. Это относится как
Рис. 9.11. Коэффициенты латеральной миграции (L) подвижных форм Мо, Cu, Zn и Mn в содово-солончаковой катене
Центрального Казахстана (по Н.С. Касимову). Цифры --- L относительно автономных почв К1. Почвы: К1 --- светло-
каштановые, Сн --- солонцы, Клсн --- лугово-каштановые солонцеватые, СКНСО3 --- солончаки содовые, СКН2S --- солончаки
сульфидные. 1 --- минеральные горизонты, 2 --- гумусовые горизонты почв (по 3 пробы из горизонта в каждом ландшафте).
к макро-, так и к микроэлементам. Известны ландшафты с избытком Мо, Sr, Ba, Se.
Районы медных, свинцовых, цинковых и прочих месторождений в сухих степях
заслуживают изучения с точки зрения избытка элементов и борьбы с заболеваниями
культурных растений и домашних животных. Не исключено, что повышенное
содержание некоторых микроэлементов оказывает и положительное влияние на
качество мяса, шерсти, молока, зерна. Изучение геохимии микроэлементов в сухих
степях с этих позиций имеет большое практическое значение.
9.1.5. Общие черты латеральной миграции элементов в степях
В подчиненных лучше увлажненных позициях степной зоны повсеместно, но
локально распространены лугово-болотные и лесные ландшафты. Занимая
подчиненное положение в катенах, они служат конечными резервуарами для
мигрирующих из автономных ландшафтов веществ, которые осаждаются здесь на
многочисленных геохимических барьерах. По геохимическим особенностям лесо-
лугово-болотных ландшафтов можно судить о миграционных процессах на степных
водосборах и оценить латеральную геохимическую структуру ландшафта.
Осиново-березовые рощи характерны для заболоченных западин Окско-Донской
низменности ("осиновые кусты"), для юга Западной Сибири, равнин Северного
Казахстана и Алтая ("березовые колки"). По долинам рек они проникают в
мелкосопочник Мугоджар и Центрального Казахстана. Геохимия этих ландшафтов
существенно отличается от степных ландшафтов водораздельных пространств. В них
формируется своеобразная радиальная геохимическая структура, иной тип
биологического круговорота и биогеохимической специализации растений.
Миграция элементов в системе "автономный степной ландшафт --- подчиненный
лесо- лугово-болотный ландшафт" определяется, главным образом, содовым составом
атмосферных осадков и вод склонового стока, способствующих образованию в
щелочной среде растворимых комплексных соединений анионогенных элементов и
элементов- гидролизатов. Соотношение процессов мобилизации и аккумуляции
элементов различно для трех основных ландшафтных ситуаций в гипотетической
катене (рис. 9.12).
Автономные кальциевые ландшафты с черноземами или каштановыми почвами на
различных почвообразующих породах представляют собой арену первоначальной
мобилизации как анионогенных элементов и комплексообразователей, так и
Рис. 9.12. Принципиальная схема мобилизации и аккумуляции микроэлементов в степных
ландшафтах (по Н.С. Касимову).
катионогенных микроэлементов в результате степного почвообразования и
селективного биогенного поглощения. Так, злаки, доминирующие в этих условиях,
обычно занимают промежуточное положение между типично анионофильными и
катионофильными
видами растений (
Айвазян, Касимов). Иногда они
специализированы на селективное поглощение катионов, например, стронция, в ряде
случаев --- молибдена. Однако возможность дальнейшей латеральной миграции в
сопряженных ландшафтах реализуется только для анионогенных элементов.
Большинство катионогенных слабо подвижны в щелочной среде черноземов и
каштановых почв и практически не перераспределяются в степных катенах.
Элювиально- аккумулятивные кальциево- натриевые и солонцовые ландшафты
степных равнин, возвышенностей и мелкосопочника с солонцеватыми черноземами и
каштановыми почвами в комплексе со степными солонцами под злаково- полынными
сообществами представляют собой зону дальнейшей мобилизации "
содового"
комплекса элементов. Щелочная и сильнощелочная среда этих почв благоприятствует
образованию растворимых комплексных соединений гидролизатов и повышает
доступность растениям этих, в целом слабоподвижных элементов. Поэтому, как уже
отмечалось, растения на солонцах (
полыни, маревые) часто являются
концентраторами молибдена, титана, хрома, ванадия, меди, серебра. Биогенная
мобилизация этих элементов начинает играть существенную, а может быть, и
определяющую роль в их дальнейшей латеральной миграции.
Рис. 9.13. Ландшафтная аномалия иттрия, скандия и циркония в почвах (по горизонту А1) колочно-
степной катены в Южных Мугоджарах (по Н.С. Касимову).
Рис. 9.14. Влияние рН на концентрацию
иттрия в гумусовых горизонтах солодей в
Северном Казахстане (по Н.С. Касимову).
Поступая в подчиненные супераквальные ландшафты колочных западин и логов с
поверхностным и внутрипочвенным стоком, анионогенные элементы и
комплексообразователи встречают на пути миграции кислые, кислые глеевые,
бескарбонатные глеевые обстановки с целой системой геохимических барьеров, на
которых часто происходит образование довольно контрастных безрудных
ландшафтных аномалий элементов этого парагенезиса (рис. 9.13). Наибольшую роль в
их образовании играют кислые (Е), глеевые (С), сорбционные (G) и двусторонние
кислотно- щелочные (Е ---D) барьеры.
Основные черты геохимии лесо- лугово-болотных ландшафтов определяются
различиями поведения трех парагенетических ассоциаций микроэлементов,
концентрирующихся в почвах и растениях.
Первая --- комплексообразователи (элементы- гидролизаты) с постоянной
валентностью: иттрий, скандий, цирконий, бериллий, титан, накапливающиеся на
латеральных кислых и сорбционных барьерах в органогенных горизонтах
слабокислых и нейтральных глеевых солодей и осолоделых торфянисто- глеевых почв
березовых колков Алтая, Мугоджар и Северного Казахстана (рис. 9.14). В древесных
и лугово- болотных растениях эти элементы не концентрируются, т . е . биогенная
аккумуляция не влияет на их накопление в почвах. Формы миграции гидролизатов
изучены слабо. Наиболее вероятны гидрооксоанионы типа Zr (OH)6 2-, карбонатные и
гидрооксобикарбонатные комплексы типа Y (CO3)3 4- и Zr (OH)3(HCO3)2- (В . В .
Щербина, А. И . Перельман, С. Р . Крайнов и др.). По аналогии с иттрием могут себя
вести и редкоземельные элементы иттриевой
группы, ниобий, тантал, гафний.
Вторая ассоциация --- элементы с переменной
валентностью:
молибден,
хром,
ванадий,
мигрирующие
в
щелочной окислительной
обстановке в анионной форме и осаждающиеся в
подчиненных ландшафтах на сорбционных глеевых
и кислых латеральных геохимических барьерах в
глеевых горизонтах солодей, торфянисто- глеевых,
луговочерноземных и лугово- каштановых почв (рис.
9.15). Наиболее интенсивно накапливается молибден
--- до 50 КК, но обычно не более 5---10 КК.
Биогенная аккумуляция возможна только для
молибдена, но из- за слабой подвижности в
кислых и глеевых условиях он значительно
слабее накапливается деревьями, кустарниками и лугово-болотным разнотравьем, чем
растениями на солонцах. Содержание хрома и ванадия в глеевых горизонтах почв не
превышает 3---5 КК.
Рис. 9.15. Накопление молибдена, хрома и ванадия на сорбционно-глеевом барьере (С7---G7) в глеевой
солоди, Северный Казахстан (по Н.С. Касимову): 1 --- средний суглинок, 2 --- тяжелый суглинок, 3 ---
содержание илистой фракции.
Третья ассоциация --- катионогенные элементы: стронций, марганец, частично
барий и цинк, которые подвижны в слабокислых почвах, поглощаются деревьями и
кустарниками и могут концентрироваться на биогеохимическом барьере в гумусовых
горизонтах гидроморфных почв. Коэффициенты биологического поглощения стронция
в березе, иве, спирее увеличиваются до 30---40 (рис. 9.16), марганца 3---5, цинка и
бария 2---4, а молибдена, серебра и других элементов "
содового" комплекса
уменьшаются в 3---5 раз. Близкие особенности биогенного накопления
микроэлементов характерны для колков лесостепи Правобережной Украины, где
концентраторами марганца, меди и свинца являются в основном виды из семейства
березовых (ольха черная, береза бородавчатая, лещина обыкновенная), растущие на
более кислых почвах и имеющие фон этих элементов в 5---10 раз выше, чем
розоцветные, приуроченные к почвам с нейтральной реакцией среды. Для стронция в
целом наблюдается обратная тенденция, но с дифференциацией по биоморфам и
органам растений: в листьях древесных видов розоцветных (груше, яблоне, рябине)
его фон выше, чем в кустарниковых формах (боярышнике, черемухе, розе) (Дарий).
Рис. 9.16. Геохимические спектры коэффициентов биологического поглощения молибдена и стронция в
растениях Мугоджар (по Н.С. Касимову). Степные ландшафты (1---12): 1 --- полынь малоцветковая
(37), 2 --- полынь Лессинга (46), 3 --- полынь белоземельная (28), 4 --- бескильница расставленная (12), 5
--- ковыли (87), 6 --- кокпек (10), 7 --- кохия простертая (36), 8 --- солянки (28), 9 --- тростник (19), 10
--- типчак (58), 11 --- биюргун (37), 12 --- камфоросма (24); колочные ландшафты (13---19): 13 --- осоки
(30), 14 --- спирея зверобоелистная, ветви (23), 15 --- береза бородавчатая, ветви (15), 16 --- спирея,
листья (17), 17 --- береза, листья (11), 18 --- ива сибирская, листья (34), 19 --- ива, ветви (34). В скобках
число проб.
Лугово- степное и лугово-болотное разнотравье колков также имеет отчетливую
стронциево- марганцево- цинковую биогеохимическую специализацию. Исключение
составляют бобовые (чина, вика, астрагал, солодка), являющиеся, как известно,
концентраторами молибдена. Характерная особенность всех этих растений ---
отсутствие среди них концентраторов элементов слабого биологического захвата ---
хрома, ванадия, титана и др., мало подвижных в этих геохимических условиях. Ниже
приводятся ряды кларков концентрации элементов в основных семействах этой
группы растений в Мугоджарах. Перед скобками помещены элементы с кларками
концентрации больше 5, в скобках 2---5, за скобками 1---2, остальные элементы не
приводятся:
осоковые ---
B (Mo, Mn, Zn), Ag, Cu...
кувшинковые --- B, Sr (Mn), Mo, Zn, Cu, Sn...
гераниевые --- B (Sr), Mo, Zn, Cu, Ag...
бобовые ---
Mo (Zn), B, Ag, Pb, Cu...
зверобойные --- B, Sr (Mo, Zn), Cu, Ag, Mn...
хвойниковые --- Sr, B (-), Ag, Cu, Zn.. .
розоцветные --- B (Sr, Zn), Mo, Cu, Ag, Ba...
рогозовые ---
B, Mn, Sr (-), Mo, Ag, Zn, Cu, Sn. ..
R стронция и марганца в гумусовых горизонтах почв относительно
почвообразующих пород достигают 5---10, но обычно не превышают 2---3. Иногда
биогенная аккумуляция этих элементов ослабляется кислым выщелачиванием.
Другие катионогенные элементы --- свинец, кобальт, никель --- слабо подвижны в
степных ландшафтах и не образуют ландшафтных аномалий в подчиненных лесах и
болотах.
9.1.6. Субтропические степи
Субтропические степи широко распространены в Передней Азии и Северной
Африке, и лишь наиболее северные их представители характерны для Средней Азии и
Закавказья. Они условно относятся к одному отделу, включающему в себя три
семейства. Эти степи хорошо изучены в Средней Азии на равнинах, примыкающих к
Тянь- Шаню, Памиро-Алаю, Паропамизу и Копетдагу, а также в их предгорьях.
Климат здесь имеет ряд средиземноморских черт: лето еще более жаркое и сухое, чем
в сухих каштановых степях, зима и весна влажные. Морозы неустойчивы, и зимой
возможна вегетация растительности (субтропические черты). Годовое количество
осадков 200---250 мм. Весной (март--- апрель) стоит теплая дождливая погода,
сероземная почва покрыта густым сомкнутым покровом разнообразных трав ---
эфемероидов и эфемеров, ландшафт производит впечатление пышного луга. После
окончания весенних дождей (в мае) травы полностью выгорают, и местность до
следующей весны приобретает пустынный облик. Почвовед А . Н . Розанов (1892---
1963) и геоботаник Е .П . Коровин (1892---1963) показали, что "лессовые пустыни"
Средней Азии являются не крайним аридным членом бореального пояса, а относятся к
ландшафтам сухого Средиземья, т . е . к субтропическому поясу, они резко отличаются
от северных пустынь и сухих степей Казахстана.
Весной на лессовых равнинах и предгорьях Средней Азии сочетаются достаточно
высокие температуры и хорошее увлажнение, именно в это время здесь энергично
протекает бик, замирающий летом. Согласно принципам, изложенным в главе 6,
состояние ландшафта в теплый и влажный периоды должно быть положено в основу
его классификации, в то время как летний аспект не имеет существенного
систематического значения.
Главная особенность бика субтропических степей --- его напряженность и скорость
(март--- апрель). Ежегодная продукция близка к биомассе (например, 100 и 120 ц/га),
поэтому коэффициент К достигает максимальных значений (0,95---0,97). Ежегодно в
бик вовлекаются большие массы водных мигрантов --- 500---600 кг/га (больше, чем в
тайге).
Согласно А. Н . Розанову, весной интенсивно минерализуются растительные остатки
и в почве почти не накапливается гумус (1---3%). Отметим, что светлая окраска
сероземов связана не только с низким содержанием гумуса, но и с фульватным его
составом. По Глазовской, сероземы --- это фульватные ксеро- карбонатные почвы.
Следовательно, низкое содержание гумуса говорит не о малом количестве
растительных остатков, а об интенсивности и полноте их разложения.
Для субтропических степей характерно резкое преобладание окислительных
условий в почвах, окислительно- восстановительная зональность в них ближе к
пустыням, чем к черноземным степям. Первичные минералы здесь энергично
выветриваются, происходит оглинение почвенного профиля. Промачивание почв
сравнительно невелико, преобладает возвратно- нисходящий режим влаги, многие
подвижные продукты выветривания не выносятся. По М .А. Глазовской, в сероземах
баланс СаСО3 положителен, что связано с поступлением Са и кальцита с
атмосферными осадками и пылью. Следовательно, обызвесткование имеет атмогенно-
биогенный характер. Высокое содержание углекислой извести благоприятствует
агрегации почвенных частиц, в связи с чем эффекты оглинения выражены
неотчетливо и обнаруживаются только с помощью специальных анализов. Однако
слабое выщелачивание СаСО3 имеет место, и в почве образуется иллювиальный
горизонт (при карбонатности профиля с
поверхности).
Для субтропических степей особенно
характерны ландшафты Са- класса (а не
Са---Na, как в сухих степях и
пустынях).
Грунтовые воды в автономных
ландшафтах равнин формируются под
влиянием испарительной концентрации,
местами они высокоминерализованы и
имеют сульфатно- хлоридно- натриевый
состав (Na+ --- Cl-
--- SO4 2-). При
близком залегании от поверхности они
засоляют
почву. Встречаются
и
Рис. 9.17. Распределение некоторых микроэлементов в каскадной системе одного из районов Бадхыза
(по Н.С. Касимову). 1 --- лёссовидные легкие суглинки и супеси, 2 --- красные алевриты, 3 --- зеленые
алевролиты, 4 --- классы элементарных ландшафтов, 5 --- почвы.
Рис. 9.18. Экспозиционная геохимиеская
дифференциация почв Бадхыза (вблизи кордона
Кепеле) (по М.А. Глазовской). А --- северный склон, Б
--- южный склон; 1 --- гумус, 2 --- СО2 карбонатов,
3 --- молибден.
соляные озера. Грунтовые воды и подчиненные ландшафты здесь принципиально те
же, что в пустыне и сухих степях. Следовательно, по полноте разложения
растительных остатков, особенностям летнего периода и водной миграции в
подчиненных ландшафтах (
засоление) низкотравные субтропические степи
аналогичны пустыням, а по процессам образования живого вещества, протекающим в
весенний период, резко отличаются от пустынь.
Субтропические степи Средней Азии включают три семейства: 1) с наименее
интенсивным биком --- на светлых сероземах, самые засушливые (пустынные
субтропические степи); 2) со средним биком --- на типичных сероземах (типичные); 3)
с биком максимальной интенсивности (крупнотравные субтропические степи на
темных сероземах, коричневых и других почвах). В Средней Азии эти семейства
последовательно сменяют друг друга в высотной поясности. Например, в Гиссарском
хребте граница между светлыми и типичными сероземами располагается на высоте
500---600 м .
Наиболее хорошо изучено семейство низкотравных
субтропических степей на типичных сероземах, к
которому в основном и относится приведенная выше
характеристика типа. В этом семействе преобладают
ландшафты кальциевого класса, они характерны для
лессовых равнин, предгорий и низких гор.
Нуратинские ландшафты. Это кальциевые субтропические степи III рода, с сильно
расчлененным рельефом, энергичным водообменом, с малой мощностью склоновых
отложений, щебнистыми почвами, скальными выходами, покрытыми накипными
лишайниками. В геолого- геоморфологическом отношении нуратинские ландшафты ---
аналоги кучукбайских и прочих низкогорных аридных ландшафтов.
Карабильские ландшафты. Так называются кальциевые субтропические степи II
рода --- расчлененные возвышенности. К ним относится значительная часть
холмистых возвышенностей Карабиль и Бадхыз на юге Туркмении, Приташкентские
Чули, холмистые лессовые степи западнее Самарканда (Джамский проход) и др.
Высокое содержание карбонатов в сероземах (10---15% СаСО3 в горизонте А1),
низкое содержание гумуса, непромывной окислительный режим, малая содовость
почв, слабая выраженность геохимических барьеров определяют монотонное
распределение микроэлементов в вертикальном профиле почв и почвенно-
геохимических катенах (рис. 9.17).
На фоне слабой латеральной сопряженности катен ведущее значение в
ландшафтно- геохимической дифференциации элементов, главным образом молибдена,
приобретают экспозиционные и фитогенные факторы, особенно в фисташковых
полусаваннах Бадхыза (М.А. Глазовская, А. В . Дроздов). Почвы северных склонов
здесь более гумусны, чем на склонах южной экспозиции. Вслед за ростом гумусности
в несколько раз увеличивается содержание молибдена в верхних горизонтах (рис.
9.18). Эти различия тем сильнее, чем круче склоны.
За 300---400 лет существования дерева фисташки под его кроной формируются
темные сероземы, мощность гумусового горизонта и содержание гумуса в которых в
1,5---2 раза и молибдена в 1,5---3 раза больше, чем в сероземах межкроновых
пространств. Наряду с молибденом в подкроновых почвах иногда накапливаются
цирконий, барий, титан, литий.
Биогеохимический фон субтропических степей также имеет относительно слабую
систематическую дифференциацию. По М . А. Глазовской, травянистые растения
Бадхыза из макроэлементов наиболее интенсивно поглощают из почв фосфор (мятлик,
кузиния, астрагалы) и калий --- до 30---40% золы (астрагалы, сизая полынь,
верблюжья колючка, ирис, ферула, шалфей), причем калий повсеместно преобладает
над кальцием. Среди микроэлементов активно поглощаются травами стронций
(ферула, дельфиниум) и медь (ферула, кузиния, астрагалы), в меньшей степени
свинец, никель, барий, серебро, цинк:
ЭлементыSr>Cu>Pb>Ni,Ba>Ag,Zn>Sn>Mo>V >Mn,Cr>Ti.
Ax
15102 1,8 1,5 1,30,90,4 0,2 0,1
Биогеохимия фисташки определяется интенсивным накоплением калия,
составляющего до 50-60% массы золы, особенно в листьях и плодах. По
интенсивности биологического поглощения фисташкой микроэлементы по отношению
к подкроновым почвам образуют следующий ряд:
ЭлементыSr>Cu>Ag>Sn>Zn>Pb>Y>Ni>Co>Mo>Mn,Cr>Ti.
Ax 124 21,71,20,90,80,60,40,3 0,20,1
Таким образом, травянистые растения более интенсивно поглощают медь,
стронций, никель, свинец, молибден, а дерево фисташки --- серебро и олово.
Отличительной особенностью растений субтропических степей является очень
слабое накопление марганца, малоподвижного в щелочных окислительных условиях.
Дальверзинские ландшафты (I род). Это субтропические сероземные равнины,
преимущественно аллювиальные и пролювиальные, сложенные лессами. Здесь, как
правило, неглубоко от поверхности залегают грунтовые воды, часто солоноватые. В
депрессиях рельефа развиты солончаки. В прошлом эти ландшафты пережили
супераквальную стадию --- луговую, болотную, солончаковую, геохимическими
реликтами которой служат следы оглеения, солевые и гипсовые горизонты на глубине
нескольких метров. Орошение коренным образом преобразовало природу
дальверзинских ландшафтов, превратило их в культурные ландшафты --- оазисы
(Ташкентский, Голодностепский, Самаркандский, Каршинский и пр.). Их
геохимическая формула:
Са H2O,N,P,Mn,Cu,Co,J...
...
9.2. Горнолуговые ландшафты
Геохимическая сущность горнолуговых ландшафтов становится понятной при
сравнении их с тундрой, степями, тайгой (таблица 9.1).
По величинам Б , П и К горные луга ближе всего к луговым черноземным степям, и
это определяет их отнесение к В - группе. Разложение органических веществ,
напротив, протекает медленнее, чем в степях, в почвах развиты менее окислительные
условия, окислительно- восстановительная зональность иная. По этим показателям
горные луга ближе к тундре и тайге. Подобная двойственность бика --- главная
особенность горнолуговых ландшафтов.
Таблица 9.1
Биологический круговорот в горных лугах, тундре, тайге, степях
В этом типе по степени континентальности можно выделить несколько отделов ---
приокеанические, умеренно- континентальные, резкоконтинентальные горные луга.
Для территории России (на Кавказе) характерен умеренно- континентальный отдел.
Центральное положение в нем занимает альпийское семейство с низкотравными
лугами. В более теплом климате развито субальпийское семейство с высокотравными
лугами и большей биомассой. Выделяются 2 основных класса --- кислый (Н) и
переходный (Н---Са). Каждый из них включает все три рода, но первый род ---
плоские равнины, малохарактерен, хотя и встречается на древних поверхностях
выравнивания (чаще на этих поверхностях формируются ландшафты II рода).
Наиболее характерен третий род. Число видов велико, причем преобладают
ландшафты на геосинклинальных формациях. Во многих горных странах широко
распространены флиш и флишоидные формации.
Альпийские луга располагаются обычно на высотах более 2000 м (на Западном
Кавказе --- 2200--3000) в холодном и влажном климате высокогорий. Прохладное лето
Характерис-
тики бика
Ландшафты
горные
луга
тундра
тайга
луговые
чернозем-
ные степи
сухие
степи
А. Показатели, сближающие горные луга с черноземными степями
Биомасса (Б), ц/га
250
280 1000---30
250
140
Ежегодная
продукция (П),
ц/га
120
25
40---75
130
50
0,81
0,56 0,53---0,5
0,88
0,79
Б. Показатели, сближающие горные луга с тайгой и тундрой
Реакция в верхнем
горизонте
почв
кислая
кислая кислая
слабокис-
лая,
нейтраль-
ная
нейтра-
льная и
слабоще-
лочная
Скорость
разложения
растительных
остатков
медленная очень
медленн
медлен-
ная
быстрая
очень
быстрая
Окислительно-
восстановительные
условия в
элювиальных
почвах
слабо-
окисли-
тельные,
периоди-
чески
глеевые
глеевые,
слабо-
окисли-
тельные
слабо-
окисли-
тельные,
периоди-
чески
глеевые
окисли-
тельные
слабооки-
слительные
(?)
окисли-
тельные
Фактор, лимитиру-
ющий бик
тепло
тепло
тепло увлажнение увлаж-
нение
Гуминовые
кислоты/фульво-
кислоты
<1
<1
<1
>1
>1
исключает возможность произрастания деревьев. Местами средняя температура июля
не поднимается выше 4°С. Количество осадков превышает испаряемость, организмы
хорошо обеспечены влагой, растительность носит мезофильный характер. Бик
лимитируется недостатком тепла, по этому признаку горные луга ближе к тайге и
тундре, чем к степям. Разреженная атмосфера и связанная с этим большая роль
ультрафиолетовых лучей определяют специфические особенности биогенной
аккумуляции и , в частности, фотосинтеза. Воздух высокогорий содержит меньше СО2 ,
чем на равнинах, и , следовательно, условия воздушного питания растений здесь хуже.
Большое влияние на бик оказывает сильное испарение, резкая смена температур в
течение суток, значительное нагревание почвы по сравнению с воздухом, мощный
снеговой покров и длительные зимы (6---10 месяцев). Сравнительно частые грозы
повышают содержание озона в атмосфере и тем самым усиливают окислительные
реакции.
В биомассе альпийских лугов преобладают многолетние травы. Скалы обычно
покрыты накипными лишайниками, которые и здесь являются первыми видимыми
агентами выветривания и почвообразования. Завоевание скал лишайниками
происходит медленно. Так, наши наблюдения на Кавказе показали, что у основания
ледника Шхельды на моренных глыбах (гранитоиды) лишайники почти отсутствуют.
На той же высоте камни на луговых склонах сплошь покрыты разноцветными
накипными лишайниками. Это говорит о молодости морены, которую еще не успели
заселить лишайники. Подобные участки представляют возможность для исследования
различных стадий выветривания скальных пород.
Почвы на скальных породах имеют малую мощность, щебень часто залегает на
глубине первых десятков сантиметров, почва и кора выветривания практически
совпадают. Вероятно, и в горнолуговых ландшафтах почвенный мелкозем частично
образуется по "Полынову", т . е . за счет разложения растительных остатков.
Ландшафты кислого (Н) класса. Они развиты на бескарбонатных породах, на
которых формируются сильнокислые выщелоченные дерновые почвы. Местами в
нижних горизонтах почв развивается оглеение. Слабоокислительная среда (с
подвижным Mn), по- видимому, развита повсеместно. Состав трещинно- грунтовых вод
в элювиальном и трансэлювиальном ландшафте формируется за счет бика и
взаимодействия с породами. Кислая среда в почве быстро сменяется нейтральной в
обломочном элювии, и воды, как правило, нейтральные или слабокислые. Они
преимущественно гидрокарбонатно- кальциевые, иногда с повышенным содержанием
Mg. Низкая температура повышает растворимость газов, в частности О2 и СО2 , воды
маломинерализованы, часто ультрапресные. Из-за резкой их ненасыщенности из
ландшафта выносится большинство элементов, в том числе сравнительно
малоподвижных.
Альпийские ландшафты переходного (Н---Са) класса. Они широко распространены
на Кавказе на известняках, доломитах, мергелях и других карбонатных породах.
Почвы обычно содержат обломки карбонатных пород, вокруг которых локально
создается нейтральная среда. Однако в целом почвенный мелкозем кислый: бик
сильнее влияния породы, и в почве возникает неравновесная щелочно- кислотная
обстановка, когда в одном и том же горизонте развиты и кислая, и нейтральная
среды. СаСО3 неустойчив, и бикарбонатные растворы покидают почву, иллювиальный
карбонатный горизонт не образуется. Однако эти ландшафты богаче Са, чем кислые,
рН здесь выше, организмы лучше обеспечены Са, среди трав больше кальциефилов.
В формировании гидрокарбонатно- кальциевого состава трещинногрунтовых вод
важную роль играют процессы растворения кальцита и доломита. Воды более
минерализованные, чем в кислом классе, ультрапресных нет. Однако они также
ненасыщены СаСО3 , в связи с чем вторичные аккумуляции углекислой извести, типа
травертинов, отсутствуют.
В горнолуговых ландшафтах актуальны все аспекты практического приложения
геохимии ландшафта и в первую очередь экологические. Небольшая биомасса,
медленный бик, расчлененный рельеф определяют малую устойчивость ландшафта,
которой благоприятствуют перевыпас, избыточное использование с рекреационными
целями, горнопромышленная деятельность. Самоорганизация и саморегулирование
здесь нарушаются легко, а восстанавливаются медленно и трудно. В этом отношении
горные луга близки к тундре.
Горные луга представляют собой прекрасные пастбища, травы богаты N, Р и
другими элементами питания. С другой стороны, здесь дефицитны J, Na и другие
элементы. В ландшафтах рудных полей характерен избыток тяжелых металлов. Все
эти особенности важны и для медико- геохимической характеристики ландшафтов.
Поиски руд в горнолуговом поясе часто сопряжены со значительными
трудностями, в связи с сильно расчлененным рельефом, задернованностью. Это
повышает роль геохимических методов и геохимии ландшафта при поисках. Здесь
применяются поиски по ореолам и потокам рассеяния. Эффективны и
гидрогеохимические методы.
9.3. Лесостепные ландшафты
К лесостепной группе относятся геохимические ландшафты, включающие и леса, и
степи в автономных позициях. Часто они составляют единые катены, но возможны и
самостоятельные лесные и степные катены, например, в условиях горного рельефа,
когда на северных склонах распространены леса, а на южных --- степи
("экспозиционная
лесостепь"). Лесостепные ландшафты формируются
в
климатических условиях, переходных от влажных (лесных) к сухим (степным).
Количество атмосферных осадков в них часто близко к испаряемости, но в разные
годы нередки и отклонения в ту или другую сторону. Среднегодовой коэффициент
увлажнения равен 0,7---1,0. В отличие от степей автономные почвы лесостепных
ландшафтов имеют промывной или периодически промывной режим, обеспечивающий
контрастную радиальную миграцию химических элементов.
В северной Евразии лесостепные ландшафты мы условно относим к одному типу, в
котором выделяется 5 отделов. Эти единицы систематики названы по географическим
районам их преимущественного распространения. В каждом отделе выделяется
несколько семейств, а в их пределах --- все 3 рода и ряд видов.
9.3.1. Европейская лесостепь
Для ландшафтов этого отдела характерно сочетание широколиственных лесов и
луговых степей. В результате хозяйственной деятельности большинство лесов
сведено и только почвенный покров (серые лесные почвы, деградированные
черноземы) позволяет судить о более широком распространении лесов в прошлом. В
геохимическом отношении эти ландшафты несут в себе черты как широколиственных
лесов, так и луговых степей, однако современная миграция элементов ближе к
луговым степям.
Геохимическая характеристика ландшафтов широколиственных лесов европейской
лесостепи была приведена в гл. 7, а луговых степей --- в разделе 9.1.
9.3.2. Дальневосточная лесостепь
Этот отдел является наиболее влажным представителем лесостепей Евразии. Для
него характерно сочетание лесных, лугово- степных (прерии), луговых и болотных
ландшафтов (
Зейско- Буреинская и Ханкайская равнины, Средне-Амурская
низменность). В "травяных прериях на лугово- черноземных почвах" в суббореальном
поясе, по Базилевич и Родину, Б = 350, П = 150 ц /га; К , равный 0,85, близок к
луговым черноземным степям, горным черноземным степям, сухим каштановым
степям.
Дальневосточная лесостепь, по Ю. А. Ливеровскому, имеет некоторые черты
сходства с лесостепью Западной Сибири. Для нее также характерен равнинный
рельеф, широкое развитие лугов и болот, островные леса. Однако в Западной Сибири
климат суше, многие процессы протекают по- иному. Формирование лесостепного
ландшафта на Дальнем Востоке обусловлено сочетанием ряда факторов. Климат здесь
муссонный, максимум осадков выпадает в июле и августе, осень, зима и весна сухие.
В морозную зиму, особенно на Зейско- Буреинской равнине почвы сильно промерзают.
Лесостепь Дальнего Востока находится на пределе своего существования: достаточно
небольшого изменения какого- либо фактора ландшафтообразования, чтобы
обеспечить господство лесного ландшафта (небольшое увлажнение климата, хороший
дренаж и т . д .). На формирование лесостепного ландшафта, вероятно, повлияла
неравномерность выпадения осадков. По Н .А. Гвоздецкому, в Приамурье бывают
годы, когда за лето выпадает лишь 60---70 мм осадков. В такой засушливый период
испаряемость преобладает над осадками и в ландшафте создаются "степные" условия.
Но бывают годы и с 800---1000 мм летних осадков.
Немалую роль в формировании лесостепного ландшафта играл исторический
фактор. В средне- и нижнечетвертичное время на равнинах Приамурья господствовал
более сухой климат, было широко развито засоление почв. В современном почвенном
покрове фиксируются различные стадии рассоления в форме солонцеватых и
осолоделых луговых почв.
Дренированные пространства в дальневосточной лесостепи в основном распаханы.
До окультуривания они были заняты лугово-степными и луговыми ландшафтами,
чередующимися с сосново- дубовыми и дубовыми лесами, колками осины с дубом.
Представители степной флоры являются выходцами из соседней Даурской
флористической области (ковыль и др.).
Глинистые аллювиальные отложения, на которых в основном сформировались
ландшафты, являются продуктом размыва коры выветривания окружающих гор.
Однако и выветривание в долинах, протекающее в теплый и влажный сезон, также
благоприятствует оглинению почв и аллювия. Плоскоравнинный рельеф, обильные
летние осадки и глинистый состав почв способствуют развитию оглеения в
автономных ландшафтах (на плоских водоразделах с глубоким залеганием грунтовых
вод, например, на высоких террасах Амура).
Вопрос о семействах данного отдела недостаточно ясен, возможно, ландшафты
Среднеамурской низменности и Приханскайской равнины следует относить к разным
семействам. Более ярко выражено деление на классы, среди которых преобладает Н ---
Са---Fe, т . е . бескарбонатный нейтральный глеевый класс. В этом классе мы
рассмотрим I род амурских ландшафтов, для которых характерно преобладание
лугово- степных равнин (прерий), на черноземовидных оглеенных почвах. Эти
ландшафты типичны для речных террас.
Повышенное увлажнение автономных ландшафтов обусловлено здесь
атмосферными осадками, вызывающими оглеение. Ландшафты прошли через
супераквальную стадию, в них развивался луговой солонцово- солончаковый содовый
процесс. Геохимию этих ландшафтов в Приамурье изучил Б .А. Зимовец. По его
данным, поверхностному оглеению благоприятствует глубокое промерзание почв в
течение морозной и малоснежной зимы: медленно оттаивающая мерзлота создает
водоупор.
Луговая растительность ежегодно вовлекает в бик 700---900 кг/га минеральных
веществ, т . е . столько же, сколько в луговых черноземных степях европейской России.
В золе трав преобладает Са и К , в корнях много Al, Fe и Mn. Под луговой
растительностью формируются черноземовидные почвы с мощным гумусовым
горизонтом (до 50---80 см) и 6---8% гумуса в верхней части. Общие запасы гумуса, по
Ливеровскому, достигают 4000 ц/га. Разложение большого количества органических
остатков создает слабокислую среду (рН = 5,5---6,5), а сильное промачивание
определяет значительное выщелачивание элементов из почв (бескарбонатность).
Однако богатство растительных остатков Са благоприятствует нейтрализации
большей части органических кислот и почти полной насыщенности поглощающего
комплекса, в котором на 88---89% преобладает Са. На участках сильного
поверхностного оглеения сформировались луговые подбелы (ранее их называли
дерново- подзолистыми почвами) с белесым псевдоподзолистым горизонтом, железо-
марганцевыми конкрециями. Белесый горизонт обеднен илом, имеет слабокислую
реакцию, но почвенный поглощающий комплекс почти насыщен Са и Mg.
Подчиненные ландшафты --- осоково- вейниковые и разнотравно- вейниковые луга и
болота с очень слабо минерализованными силикатно- гидрокарбонатными глеевыми
водами. В биологический круговорот здесь вовлекается много Si, K, Ca, Fe и Mn.
Таким образом, для амурских ландшафтов характерно совершенное геохимическое
сопряжение и сравнительно низкая геохимическая контрастность, так как и в
автономном, и супераквальном ландшафтах под влиянием травянистой
растительности развивается энергичный бик, накапливается много гумуса, Са
является типоморфным элементом, развиты процессы оглеения, воды очень слабо
минерализованы. Геохимическая формула:
Н+ ---Са2+ ---Fe2+ N,P,K,O,J,B,Cu,Co,Mo,Se,Zn...
...
Другие классы дальневосточных лесостепных ландшафтов занимают меньшую
площадь. Здесь имеются луговые ландшафты с содовым классом водной миграции
(Na---НСО3), пойменные лугово-болотные ландшафты с бескарбонатным глеевым
классом водной миграции и др.
9.3.3. Западносибирско- североказахстанская лесостепь
В Сибири континентальность климата привела к смене широколиственных пород,
распространенных в неогене, мелколиственными (береза, осина) и хвойными
(лиственница, сосна). Этот отдел является восточным продолжением европейской
лесостепи. Березо- осиновые леса образуют отдельные массивы или рощи- колки,
между которыми располагаются луговые степи, луга, болота, озера. К данному отделу
относятся Кунгурская лесостепь европейского Приуралья, лесостепные ландшафты
Урала, Западной Сибири, Канско-Ачинский и Иркутско-Балаганский "лесостепные
острова" Восточной Сибири.
Кроме биологического круговорота и континентальности ландшафты данного
отдела отличаются от европейской лесостепи историей развития в кайнозое.
Миграция и концентрация химических элементов во многом определяется тем,
какие ландшафты --- слабокислые лесные или кальциевые степные занимают
автономные и подчиненные позиции.
9.3.3.1. Геохимические ландшафты кальциевого (Са)
и переходного (Н ---Са) классов
Среди них выделяются все 3 рода. Ландшафты I рода (томские). Это лесостепные
равнины, разделяющиеся на виды, приуроченные к платформенным и
геосинклинальным формациям. Последние характерны для Зауральского пенеплена,
где коренные палеозойские породы или их древние коры выветривания перекрыты
маломощными четвертичными отложениями.
Ландшафты II рода --- это холмисто- увалистая лесостепь денудационных и
денудационно- аккумулятивных равнин Приуралья, Зауралья, Северного Казахстана,
предгорий Алтая с преобладанием колочно- степных катен. Данный род представляет
собой пример закрытой каскадной ландшафтно- геохимической системы. Как правило,
это монолитные катены на покровных карбонатных лессовидных суглинках, имеющие
в различных районах сравнительно однородную пространственную структуру. В
автономных условиях вершин и верхних частей склонов пологих холмов и гряд
развиты разнотравно- ковыльные степи на черноземах (
Са). В элювиально-
аккумулятивных ландшафтах нижних частей склонов обычны ковыльно- типчаково-
полынные сообщества на солонцеватых черноземах и солонцах (Са---Na, Na---НСО3).
В супераквально- аккумулятивных элементарных ландшафтах западин развиты
осиново- березовые колки на лугово- черноземных осолоделых почвах, луговых и
колочных солодях и болота с торфянисто- глеевыми почвами (H---Fe, H---Ca---Fe),
геохимия которых была рассмотрена в разделе 9.1.5. Такая структура катен
определяет
селективную
мобилизацию
анионогенных
элементов
и
комплексообразователей, подвижных в щелочной среде в автономных и
трансэлювиальных ландшафтах кальциевого, кальциево- натриевого и солонцового
класса.
Радиальная дифференциация почв в катенах возрастает от автономных ландшафтов
к подчиненным. В слабоконтрастных типичных и обыкновенных черноземах в
гумусовых горизонтах накапливается только иттрий (
R =2---3). Особенно
благоприятные условия для биогеохимической и физико- химической мобилизации
анионогенных элементов и комплексообразователей создаются в средних звеньях
катен --- в солонцеватых черноземах и солонцах. Щелочная и сильнощелочная
реакция почв определяет возможность образования этими элементами растворимых
комплексных соединений. Поэтому растения на солонцах (полыни, маревые) часто
концентрируют Мо, Cr, V, Ti, Cu, Ag. Солонцы и солонцеватые черноземы
отличаются более контрастной радиальной дифференциацией, чем черноземы. В
солонцовом горизонте на сорбционном барьере (G3---G4) накапливаются Y, Pb, Ag,
Zn, Mo, Cu и другие элементы. Контрастность обычно не велика и R не превышает
1,5---2. Низкая контрастность образующихся аномалий, по- видимому, связана с
влиянием противоположного процесса --- содового выщелачивания из
сильнощелочных солонцовых почв.
Миграции анионогенных элементов в подчиненные ландшафты благоприятствует
содовый состав склонового и микроручейкового стока на равнинах Северного
Казахстана и Алтая (Воронков, Иванов, Глазовский). На своем пути они встречают
целую систему радиальных и латеральных геохимических барьеров, на которых
концентрируются.
Резкая дифференциация окислительно- восстановительных и щелочно- кислотных
условий в колочных солодях определяют контрастность распределения многих
элементов в почвенном профиле. Наиболее контрастно поведение Мо и V, R которых
в среднем равен 2---3, 5. Они осаждаются на кислом глеевом барьере (E3-C3, Е4-С4) в
гумусово- элювиальном и иллювиально- глеевом горизонтах. На кислом сорбционном
барьере в гумусовых горизонтах концентрируются Y и Sc. За счет биогенной
аккумуляции древесными породами (березой, осиной) в гумусовых горизонтах
возникают аномалии Mn и Sr (в среднем R валовых форм этих элементов равен 2---3,
но в отдельных разрезах достигает 10---15). Контрастность распределения подвижных
форм Zn, Mo, Mn, Cu, Ni обычно выше, чем валовых, их R колеблется от 2 до 5.
Латеральная миграция характерна только для элементов "содовой" ассоциации ---
Y, Sc, Mo (в среднем L = 2---3). В отдельных катенах L Y и Sc возрастает до 5---10.
Ландшафтные аномалии этих элементов образуются на совмещенных радиальных и
латеральных кислых барьерах и строго локализуются в гумусовых горизонтах солодей
и лугово-болотных почв колков. Мо осаждается на латеральных кислом и глеевом
барьерах (L до 10---20). Особенно контрастны эти аномалии в краевых зонах
колочных западин (Касимов, Самонова). Катионогенные элементы мигрируют в
щелочной среде слабо и не образуют ландшафтных аномалий за счет латеральной
миграции.
южноуральские). Это низкогорная березовая лесостепь
шенности Северного Казахстана. Нередко березовые и
вают северные склоны, а луговые степи --- южные. По
ьным условиям южноуральские ландшафты резко
иже к луговым степям, так как заболоченность в них
айге. Основные черты биологического круговорота здесь
имического состава древесных и травянистых растений.
рябина, ива и другие деревья и кустарники, как и в тайге,
(Mn --- Sr --- Ag --- Zn) биогеохимическую специализацию
Мальгин). Травы содержат больше Mn, Cr, V, Ti, т . е.
циализации Алтая (219 мг/г) почти в четыре раза выше,
Таблица 9.2.
Типы катен в южноуральских ландшафтах
(по Н.С. Касимову и О.А. Самоновой)
Типы катен
Элементарные ландшафты
автономные
подчиненные
Горно-лесной
(лес лес)
Лесные, кислые и
слабокислые
окислительные с
дерново-подзолистыми и
серыми лесными почвами
Лесные, луговые, слабокислые
и нейтральные,
окислительные и
восстановительные с
солодями, торфяно-глеевыми
и луговыми почвами
абокислые
ные
ьные с серыми
очвами,
нными
нными
ми
Луговые и степные,
нейтральные и щелочные,
окислительные
и восстановительные
с луговыми солодями,
торфянисто-глеевыми
и луговыми почвами
(степь
степь)
ейтральные и
окислительные
с черноземными почвами
Степные и лугово-степные,
щелочные окислительные и
восстановительные
с луговыми почвами,
солонцами
Колочно-до-
линный;
колочно-запа-
динный
(степь лес)
Степные, щелочные
окислительные
с черноземами
Лесные и лугово-болотные
слабокислые и нейтральные,
восстановительные
с глеевыми солодями
и лугово-болотными почвами
степей. По М.А. Мальгину,
среднее содержание Mn в
листьях деревьев Горного
Широкое развитие гранитоидов определяет многие черты водной миграции в этих
ландшафтах --- пресный, реже слабосолоноватый состав поверхностных и подземных
вод, их гидрокарбонатно- натриевый, местами содовый состав, бескарбонатность и
лишь местами засоленность почвообразующих пород и почв. Химический состав
озерных вод пестрый. Так, в гранитных массивах Кокчетавской возвышенности они
преимущественно пресные и содовые (оз. Щучье, Чалкар, Зерендинское и др.). На
более низких уровнях рельефа они соседствуют с солеными озерами (Улькен- Карой,
Теке), что связано с разгрузкой минерализованных вод по тектоническим разломам, с
широким развитием засоленных кор выветривания и палеоген- неогеновых отложений.
В низкогорных и мелкосопочных массивах в зависимости от экспозиции склонов и
литологии коренных пород развиты три основных типа катен с различной радиальной
и латеральной геохимической структурой, типами и видами геохимических барьеров
(табл. 9.2.).
Горно- лесной тип катен характерен для склонов северной и северо-западной
экспозиции, сложенных гранитоидами, где автономные и подчиненные позиции
занимают лесные ландшафты (Н - класс). В слабокислой (рН 5,3---5,9) окислительной
обстановке примитивных горнолесных и дерновых лесных оподзоленных почв
достаточно энергичные механическая и водная миграция определяют подвижность и
накопление в растениях катионогенных элементов.
В сосне обыкновенной концентрируются Sr, Ag и Zn, в березе бородавчатой --- Mn,
Zn, Sr и Ag (Ах = 5---20). Для почв характерна слабая биогенная аккумуляция Mn, Zn,
Ni, Pb в дерновых и гумусовых горизонтах (R валовых форм не более 2; подвижных
--- 1,5---5). Из- за отсутствия контрастных геохимических барьеров латеральная
миграция элементов в сопряженных почвах достаточно слабая (L не более 2) и не
выходит за пределы изменений микроэлементного состава почвообразующих
коренных пород. Анионогенные элементы (Mo, Cr, V) слабоподвижны в кислой среде.
Лесостепной тип катен формируется на более низких уровнях рельефа,
преимущественно на склонах северной экспозиции. Он характеризуется сочетанием
лесных автономных и трансэлювиальных ландшафтов (Н , Н ---Са) с кустарниковыми
лугово- степными ландшафтами балок и побережий озер (Н ---Са---Fe, Са---Fe). Такие
ландшафты изучались Н . С. Касимовым и О.А. Самоновой в котловине оз. Чалкар на
северо- западе Кокчетавской возвышенности. Древесные и кустарниковые породы
(сосна, береза, ива) сохраняют катионофильную (Sr, Ag, Mn, Zn) биогеохимическую
специализацию. Радиальная дифференциация почв возрастает от автономных
выщелоченных черноземов (R валовых форм большинства элементов не более 1,5) к
дерново- слабоподзолистым и серым лесным глеевым почвам пологих склонов и
подножий сопок, где в верхних горизонтах почв на кислом сорбционном барьере
(E 2---G2) концентрируются элементы- гидролизаты --- Sc, Zr, Y, Yb, Ti, а на
биогеохимическом барьере --- Mn и Zn (R от 1,5 до 3).
Латеральная миграция большинства элементов в таких катенах, как правило,
малоконтрастна (L не более 2). Среди активных мигрантов, поступающих в
подчиненные ландшафты, есть как анионогенные элементы, например Мо,
накапливающийся на глеевом барьере (L = 5---9), так и катионогенные --- Mn, Zn (L =
2---3,5) --- за счет кислого выщелачивания из дерново- подзолистых и серых лесных
почв и биогенного накопления.
В степных катенах склонов южной экспозиции с типичными и выщелоченными
черноземами (Са, Н ---Са), лугово- черноземными (Са---Fe) и пойменными дерново-
глеевыми почвами (Н ---Са---Fe) в нейтральной и слабощелочной среде радиальная и
латеральная дифференциация большинства элементов снижается, но усиливается
мобилизация Мо с осаждением на слабокислом глеевом (Е 3---С3) барьере в почвах
подчиненных ландшафтов (L валовых форм 3---4, подвижных --- 7---8). Особенно
четко селективная мобилизация анионогенных элементов и гидролизатов проявляется
в степных катенах на бедных микроэлементами породах --- вторичных кварцитах
(Зерендинский массив), где кроме Мо в подчиненных ландшафтах накапливаются Nb,
Ti, Y, B, Мо (рис. 9.19).
9.3.3.2. Ландшафты кальциево- содового класса (Са---Na--- НСО3)
На аллювиальных лесостепных равнинах юга Западной Сибири (Тобол- Иртышская
равнина, север Барабинской низменности) на самых низких гипсометрических
уровнях с близким залеганием грунтовых вод распространены барабинские
ландшафты. Геохимическая особенность этих ландшафтов --- сочетание
заболоченности и содового, содово- сульфатного и содово- хлоридного засоления.
Широко развиты колочно-степные катены с содовым (Na---НСО3) классом водной
миграции в автономных ландшафтах плоских слабодренированных междуречных
пространств. В супераквальных ландшафтах побережий многочисленных озер
формируются содовые солончаки, луговые солонцы, заболоченные западины заняты
березовыми колками с солодями. В колочной степи низменных аккумулятивных
равнин распространены более "
южные" представители почв --- обыкновенные и
карбонатные черноземы, солонцы, солончаки. Большая часть современных
автономных ландшафтов прошла супераквальную содовую стадию в послеледниковое
время. Геохимия этих ландшафтов детально изучена Н. И . Базилевич. Их своеобразие
определяется как современными физико- географическими условиями (равнинный
рельеф, близкое залегание грунтовых вод и др.), так и историческими факторами. В
течение четвертичного периода в Западной Сибири неоднократно менялся климат,
смещались ландшафтные зоны. В ледниковые эпохи преобладала холодная лесостепь,
аналогичная якутской, в голоцене была теплая ксеротермическая эпоха, которая
сменилась современным увлажнением и похолоданием. За последние 70---100 лет
наблюдается некоторое потепление климата.
В таблице 9.3. приведены параметры бика в березняках Новосибирской области по
Н. И . Базилевич (березняк травный на темносерых осолоделых почвах и березовый
колок на солодях). К березе примешивается осина, развит травяной покров. Возраст
леса 35---20 лет. По многим показателям березняки занимают промежуточное
положение между широколиственными лесами и тайгой и резко отличаются от
луговых степей. Однако по размерам ежегодного прироста они близки к луговым
степям. В золе березы повышено содержание Mn (до 0,2%), местами Mg. Порядок
накопления химических элементов в биомассе березняков, по Родину и Базилевич,
следующий: Na > Ca > K > (Mg, Al, Si, P, S) > (Fe, Cl, Mn, Na). Возврат химических
Рис. 9.19. Коэффициенты латеральной миграции (L) в степной катене
Зерендинского массива (по О . А . Самоновой и Н . С . Касимову).
Элементарные ландшафты: 1 --- автономные с малоразвитыми черноземовидными почвами на элювии
кварцитов; 2 --- трансэлювиальные с малоразвитыми черноземами на элювио-делювии кварцитов; 3 ---
трансаккумулятивные с малоразвитыми черноземами на маломощном делювии; 4 --- супераквальные с
пойменными дерновыми глеевыми почвами на аллювио-делювии.
Таблица 9.3.
Биологический круговорот в березняках и других зональных ландшафтах
элементов в почву с опадом происходит в иной последовательности: N > Ca > (K, Si,
Mg) > (P, Al, Mn, S)> (Fe, Na, Cl). В опаде значительно больше, чем в тайге, Са, К , Р ,
S и это уменьшает интенсивность
Широко-
Тайга
Луговые
Показатели
Березняки
листвен- (северная,
степи
ные леса
южная)
Биомасса, БI, ц/га
2200
3700
1000--3300
250
Зеленая часть, %
2
1
8--5
32
от биомассы
Многолетняя
надземная часть,
75
73
70--73
% от биомассы
Прирост ПI, ц/га
120
130
45--85
137
0,62
0,59
0,55
0,89
Опад ОI, ц/га
70
90
35--55
55
Опад, % от
3
2,4
4--1,6
80
биомассы
Лесная
300
150
300--350
120
подстилка, ц/га
Подстилка: опад 7
3
17--10 1,5
зеленой части
Геохимия барабинских ландшафтов определяется широким развитием содовых
поверхностных, склоновых и внутрипочвенных вод. Присутствие двууглекислой соды
вызывает высокую щелочность почвенных растворов (рН=8,5---10), в которых
мигрируют не только анионогенные элементы, но и такие слабоподвижные элементы,
как алюминий, кремний, железо, главным образом в виде суспензий --- в щелочной
среде развит своеобразный "содовый лессиваж". Эти ландшафты отличаются высокой
радиальной и латеральной щелочно- кислотной и окислительно- восстановительной
контрастностью. В почвах содовое выщелачивание многих элементов сочетается с
радиальными и латеральными геохимическими барьерами: сорбционным (G4, G8) --- в
солонцах, испарительным (
F 4, F 8) --- в содовых солончаках, глеевым и
сероводородным (С4, С8, В 4, В 8) --- между автономными и подчиненными
ландшафтами. Плоский рельеф определяет периодическую восходяще-боковую
миграцию вод от колочно-болотных ландшафтов в сторону водоразделов, что ведет к
формированию двусторонних геохимических барьеров (
кислотно- щелочных,
окислительно- восстановительных) в краевых зонах заболоченных западин (Н. В .
Орловский, Н . И. Базилевич, Н .С. Касимов), на которых аккумулируются элементы,
относящиеся к различным парагенезисам.
Тобол- Иртышская равнина и Барабинская низменность --- это борно- молибденовая
провинция, где почвы, воды и многие растения по сравнению с соседними регионами
в несколько раз обогащены этими элементами (В . Б . Ильин, А. П . Аникина). Особенно
высокие концентрации В и Мо характерны для солонцов, луговых и болотных почв,
сложноцветных и маревых семейств растений в подчиненных ландшафтах, куда они
поступают в результате активной миграции в содовых растворах.
Использование барабинских ландшафтов в народном хозяйстве должно быть
основано на детальных ландшафтно- геохимических исследованиях. Весьма актуальны
и экологические, в частности медико- геохимические проблемы. Формула:
Са2+ ---Na+ ---HCO3- N,P,Cu,Co,Mn,Se... .
...
9.3.3.3. Ландшафты кальциево- магниевого класса
Они формируются на породах, богатых магнием --- ультраосновных
магматических, доломитах. Геохимия таких ландшафтов изучена И . П . Гавриловой и
И . Г . Побединцевой на Южном Урале. На ультраосновных породах (дунитах,
гарцбургитах) под разнотравно- злаковыми и кустарниковыми степями и
остепненными сосновыми и лиственнично- сосновыми лесами здесь сформировались
горные черноземовидные, дерновые лесные, серые лесные и луговые почвы.
Геохимическое своеобразие ландшафтов во многом определяется геохимической
специализацией пород (по сравнению с литосферой содержание Cr, Ni и Со в них
достигает 20---30 и даже 90 кларков концентрации). Большинство микроэлементов в
горных лесостепных почвах имеет биоаккумулятивное распределение --- слабое
накопление в дерновых и гумусовых горизонтах. Даже в самых дифференцированных
слабокислых серых лесных почвах интенсивность миграции большинства элементов
не велика, что отличает их от равнинных аналогов.
Высокий лито- и педогеохимический фон никеля и хрома предопределил многие
биогеохимические особенности ландшафтов. По сравнению с кларками
растительности континентов (В . В . Добровольский) многие растения на гипербазитах,
особенно их корни, обогащены Ni и Cr более чем на порядок. Увеличивается не
только содержание, но и интенсивность поступления этих элементов из почв ---
коэффициенты биологического поглощения Cr, Ni, а также Zn, Mn, Cu возрастают в
5---8 раз, и они переходят из типичной для них группы элементов среднего
биологического захвата (Ах =0,1---0,9) в группу сильного биологического накопления
(Ах =1---10). Как и в таежных ландшафтах, в деревьях выше в 1,5---2,0 раза содержание
катионогенных элементов --- Mn, Zn, Pb, Cu, травостой обогащен в 5---10 раз Cr.
Таким образом, для ультраосновных массивов характерна особая хром- никелевая
биогеохимическая специализация.
Расчлененный рельеф и окислительная нейтральная среда определяют слабую
физико- химическую и активную механическую миграцию элементов. В почвах
подчиненных ландшафтов слабо накапливаются преимущественно элементы,
участвующие в элювиально- иллювиальной дифференциации в автономных почвах
(Cu, Mn, Zn, V, Sr). Поступление обломочного материала, обогащенного Cr и Ni, из
автономных ландшафтов нивелирует различия между ними и ведет к слабой
латеральной дифференциации типоморфных элементов. Для большинства элементов L
колеблется от 0,7 до 1,4.
9.3.4. Якутская мерзлотная лесостепь
Ландшафты этого чрезвычайно своеобразного отдела распространены на равнинах
по средней Лене и ее притокам --- Алдану и Вилюю. Климат засушливый (около 200
мм осадков в год), и растения пополняют недостаток атмосферных осадков за счет
влаги деятельного слоя (многолетняя мерзлота сплошная). Лето теплое, средняя
температура июля в Якутске много выше, чем в Москве. Если бы не было мерзлоты,
то ландшафт, вероятно, имел бы облик сухой степи, аналогичной сыртам Тянь- Шаня.
Многолетняя мерзлота --- постоянный источник влаги в почве, которая определяет
существование лесных и луговых ландшафтов. На плоских водоразделах развита
сухая лиственничная тайга на палевых мерзлотно- таежных и мерзлотно- таежных
палевых осолоделых почвах, имеющих нейтральную реакцию (
Са- класс).
Напочвенный травяной покров включает и степные виды. Кроме тайги развиты также
луга, луговые и полынно- злаковые степи, болота. Для значительной части территории
характерен содовый (Na---НСО3) класс водной миграции. Распространены соленые
озера, содовые солончаки, содовые солонцы (менее развито сульфатное и еще меньше
хлоридное засоление). В Центральной Якутии преобладает надмерзлотный
континентальный тип соленакопления (В . Г . Зольников). Меньшую роль в засолении
играют залежи соли и другие глубинные источники. Многие исследователи относят
якутские ландшафты к особой холодной лесостепи, своеобразие которой определяется
как современными физико- географическими условиями (сухость климата, равнинный
рельеф, карбонатность грунтов, мерзлота), так и особенностями развития в
четвертичном периоде. В плиоцене здесь были хвойные и хвойно- широколиственные
леса, на смену которым в начале плейстоцена пришла темнохвойная тайга с примесью
лиственных пород. Позднее, в среднем плейстоцене, широколиственные породы
исчезли. Иссушение климата в середине плейстоцена привело к распространению
светлохвойной тайги. Во второй половине плейстоцена было сильное оледенение гор,
частично ледники спускались и на равнины. После деградации льдов возникли
своеобразные "открытые ландшафты" --- лесостепные, луговостепные, болотные.
Лесостепные ландшафты Центральной Якутии не имеют аналогов на Земле (М . Н .
Караваев). Возможно, что в ледниковые эпохи якутские ландшафты были
распространены значительно шире, например, в Южной Сибири --- на месте
барабинских, томских и других.
Широко развит в Якутской лесостепи термокарст, приводящий к образованию на
днищах озер особых луговых ландшафтов --- аласов.
Степные и лесостепные эпохи повторялись неоднократно, степные элементы флоры
проникали с юга. Позднее площадь открытых ландшафтов сократилась, а тайги ---
увеличилась. Несомненно, что столь сложная история нашла отражение и в
геохимических особенностях ландшафтов.
По А.Д. Егорову, лугопастбищные растения Якутии обогащены Cu (в 2---5 раза),
Zn (1---1,5 раза) и обеднены Со и Mn по сравнению с травами Латвии, Белоруссии,
Бурятии, Западной Сибири. При засолении в почвах в верхних горизонтах понижается
количество Со и Cu. Однако в содовом луговом солончаке было обнаружено высокое
содержание Cu. Бобовые травы накапливают в 1,5---3 раза больше Мо, чем злаки,
осоки и другие травы (но это количество ниже, чем у бобовых других районов
таежной зоны). Интересно, что на кислых глеевых почвах бобовые содержат мало Мо,
даже меньше, чем злаки. Вероятно, это связано с низкой миграционной способностью
Мо в кислой среде.
Заболевания скота в Центральной Якутии А.Д. Егоров объяснил избытком в кормах
Cu и недостатком Мо (нарушение Сu:Мо отношения). По Г .А. Андриановой, травы
заливных лугов в этих районах обогащены Mn, Fe, Sr и Ва и обеднены Мо (по
сравнению с аласными лугами, на которых скот не болеет). Она обнаружила в
Центральной Якутии травы- концентраторы Sr, Ba, Cu и Мо; в почвах также нередко
накапливаются Sr и Ва.
Дальнейшее геохимическое изучение якутских ландшафтов важно для сельского
хозяйства и решения экологических задач. Тяжелое заболевание человека ---
вилюйский энцефалит --- встречается только в якутских ландшафтах. Связь его
этиологии с ландшафтно- геохимическими условиями весьма вероятна (В . М . Мещенко,
А. И . Перельман).
9.3.5. Забайкальско- Монгольская лесостепь
Резко континентальный климат, островная многолетняя мерзлота, расчлененный
рельеф определили в этом отделе распространение хвойных, преимущественно
лиственничных лесов в сочетании со степями и остепненными лугами. Велика роль
высотной поясности и экспозиции. Это в основном горная лесостепь, в которой леса
занимают северные и северо- восточные склоны на средних уровнях (1700---2000 м )
горных хребтов Южного Забайкалья, Хэнтея и Хангая. Степи распространены на
южных склонах или на более низких уровнях рельефа. Так, для Центрального Хангая
типичны лиственничные травяные леса с черноземовидными (
темноцветными
дерновыми) почвами. Для последних характерна слабокислая реакция в гумусовом
горизонте и нейтральная в нижней части профиля (Н, Н ---Са- класс). С этими
ландшафтами сопряжены остепненные луга на выщелоченных и типичных черноземах
(Са- класс). В горных черноземах специфичны карбонатные горизонты, формирование
которых связано с влиянием летнего муссона, определяющего активную профильную
и латеральную миграцию карбонатов кальция (образование иллювиальных мучнисто-
карбонатных горизонтов, особенно мощных в почвах нижних частей склонов).
Такая структура лесостепных катен способствует мобилизации катионогенных
элементов в слабокислых почвах автономных и транзитных ландшафтов. Лиственница
сибирская, как и в таежной зоне, имеет "ферраллитный" состав золы и является
концентратором подвижных в этих условиях Mn, Zn, Ba и Sr (Н .С. Касимов, А. К.
Евдокимова). Большинство видов лесо- лугового разнотравья имеет бариево-
марганцевую специализацию, отличаясь от лиственницы преимущественно
кальциевым составом золы.
Для растений остепненных участков характерны кремниевый (злаки), кальциевый
(сложноцветные) и кальциево- натриевый (маревые) состав золы и пониженное
содержание большинства катионогенных элементов из- за уменьшения их
подвижности и аккумуляции на щелочных барьерах в карбонатных степных почвах
более подчиненных позиций. Полыни, как и в западно- азиатских степях, отличает
медно- молибденовая, а злаки --- литиевая специализация.
Из- за высокой почвенно- геохимической контрастности лесных и степных
ландшафтов Н .А. Ногина относит такие районы не к лесостепи, а к особой,
переходной от леса к степи зоне.
Контрольные вопросы
1. Сравните самоорганизацию лесных и степных ландшафтов.
2. Чем отличаются гумидокатные растения от ариданитных?
3. Охарактеризуйте бик степей. Какие классы ландшафтов характерны для
луговых степей, для сухих степей?
4. В чем состоит специфика субтропических степей Средней Азии, как изменились
взгляды на их природу в ХХ веке?
5. Охарактеризуйте геохимическую роль разломов в степных ландшафтах, что
такое разломное засоление и рассоление?
6. Какова роль геохимии ландшафта при поисках рудных месторождений в
степях?
7. В чем специфика геохимии колочных ландшафтов степей?
8. Какие геохимические особенности сближают ландшафты горных лугов с тайгой
и тундрой, какие --- со степями?
9. Чем отличается от европейской дальневосточная лесостепь?
10. В чем заключается специфика барабинских ландшафтов?
11. Каковы геохимические особенности лесостепных ландшафтов Южного Урала
на ультраосновных породах?
12. В чем состоит уникальность мерзлотной лесостепи Якутии?
13. Что такое экспозиционная лесостепь, где она распространена?
14. Какие типы катен характерны для лесостепи Южного Урала, Тульских засек,
Рис. 10.1. Б, П и К в пустынных ландшафтах (по А.И.
Перельману).
Приволжской возвышенности?
Глава 10
ПУСТЫННЫЕ ЛАНДШАФТЫ
Климат пустынь можно рассматривать как результат деградации (иссушения)
различных климатов, в котором сохраняется режим атмосферных осадков исходного
климата (Э. Мартонн). Известны пустыни с зимним максимумом осадков и бездожным
летом, напоминающие по режиму осадков районы со средиземноморским климатом
(Сирия, Ирак, Средняя Азия), пустыни, где осадки более или менее равномерно
распределяются по временам года, аналогично влажному умеренному климату
(Казахстан), пустыни с летним максимумом осадков, как в муссонных областях
(Гоби). Общим для всех пустынь является малое абсолютное количество осадков.
Понятие о пустынной деградации можно распространить и на ландшафт в целом.
Пустыни --- это ландшафт с малой биологической информацией, ослабленными
биотическими и водными связями, но с интенсивными прямыми воздушными связями.
Все это уменьшает централизацию, упорядоченность и самоорганизацию,
устойчивость ландшафта.
Для пустынь характерны своеобразные саксауловые леса, травянистые,
кустарниковые и полукустарниковые сообщества. Это позволяет рассматривать
различные пустыни как результат уменьшения Б и П (деградации) лесов, степей,
лугов и саванн. Пустынная деградация связана не только с иссушением климата, но и
с похолоданием (полярные пустыни) и засолением (солонцы и солончаки в степях).
Биомасса в
пустынях обычно
составляет 10---15 ц/га, но достигает и
300 ц/га (больше, чем в черноземных
степях). Ежегодная продукция чаще
всего колеблется в пределах 5---15 ц/га,
возрастая до 50 ц/га в саксауловых
пустынях. Соотношение между Б и П
меняется сильно. По величине К одни
пустыни близки к саваннам, другие --- к
лесам, третьи --- к степям и т.д.
Возможно, пустынная деградация, резко
уменьшая биомассу и ежегодную
продукцию, не влияет на соотношение
между ними --- величину К (рис. 10.1).
Видовое разнообразие в пустынях почти
вдвое меньше, чем в степях.
Для пустынной флоры характерна
интенсивная биогенная аккумуляция Na,
Cl, S, а также К и Р, причем первые три
элемента накапливаются в надземных
органах, а Р и К --- в подземных. Общее
содержание золы выше, чем в степных
растениях. Содержание Si, Fe и Al в
золе очень мало, они имеют низкие
коэффициенты
биологического
поглощения
(Ах = 0,0n---0,5). Щелочные и щелочно-
земельные металлы вовлекаются в бик
энергичнее, чем в степях. Галофиты
отличаются высоким содержанием К , Cl
иNa,иногдаSиMg.Таккаквзоле
корней много Са, К, Р, то эти элементы в результате бика ежегодно возвращаются в
пустынную почву.
Концентрация в надземных органах Na, Cl и S, по Л . Е . Родину, имеет
приспособительное значение: при развевании отмерших надземных органов растения
избавляются от части этих избыточных элементов.
По абсолютному количеству растительного опада (01) и отношению опада к
биомассе пустыни не отличаются от других типов ландшафтов (например, в
эфемерово- полынных пустынях масса опада такая же, как в лесах). Специфична для
пустынь ничтожная роль в биомассе зеленых однолетних органов растений (Б 2).
В резкоокислительной среде пустынь разложение их остатков протекает
интенсивно, органические вещества быстро минерализуются и гумус почти не
накапливается. Этим пустыни отличаются от черноземных степей, лесов и тундры.
Древесные остатки, напротив, сохраняются долго, консервируясь в сухом климате (но
не гумифицируясь). Согласно Базилевич и Родину, в бике пустынь преобладает
азотный тип химизма (N > Ca) при значительном участии Сl и S. В солончаковых
пустынях --- хлоридный тип химизма (Cl > Na). Таким образом, в пустынях бик
протекает быстро, зеленая органическая масса мала, органические вещества или
минерализуются, или консервируются, но почти не гумифицируются. Преобладающая
часть живого вещества сосредоточена под землей.
К пустынной группе на территории России, Казахстана и республик Средней Азии
относятся четыре основных типа ландшафта, которые описываются в порядке
увеличения прогрессивности бика --- роста величины К . Вопрос о расчленении типов
на отделы и семейства не разработан, и ниже в пределах типов будут
охарактеризованы классы.
10.1. Полярные пустыни
Они распространены на Земле Франца- Иосифа и других арктических островах, в
Антарктике. По Н . И . Базилевич, фитомасса полярной пустыни составляет 50 ц/га, а
ежегодная продукция --- 10 ц /га. Формирование пустынного загара (железистых и
марганцевистых пленок на поверхности пород), новообразований карбонатов кальция,
гипса и легкорастворимых солей сближает полярные пустыни с пустынями
умеренного и тропического поясов. Однако резко отличный термический режим,
мерзлота, особо важная роль птиц в бике, преобладание во флоре лишайников и
водорослей, значительное накопление гумуса в некоторых почвах, образование
сапропеля в озерах придает полярным пустыням геохимическое своеобразие. С
геохимических позиций среди компонентов ландшафта лучше изучены почвы.
10.2. Высокогорные пустыни (тибетско- памирские)
Они распространены в Азии на высотах 3000---4000 м (Тибет, Восточный Памир,
наиболее высокие сырты Тянь- Шаня). Сильная инсоляция и испарение в сочетании с
ничтожным количеством осадков (местами менее 100 мм в год) обуславливают
исключительную сухость климата, формирование пустынных ландшафтов (рис. 10.2).
Бик определяется своеобразием климатических условий. Фотосинтез и дыхание
растений здесь протекают с более высокой интенсивностью, чем в умеренной зоне.
По С. Сабоиеву, И . Ф . Грибовской и др., в терескеновых и полынных пустынях
Памира фитомасса колеблется от 65 до 220 ц/га, т . е. она больше, чем в типичных
пустынях. Корни составляют 80---94% от фитомассы. Отмечена концентрация
растениями Sr, Mo, Mn, Cu, Pb. Образование и накопление крахмала замедленно, в
связи с чем в растениях много сахаров. Интенсивен синтез белков, хотя валовое
содержание N в травах невелико (т . е . высок процент белкового азота). Активен также
синтез аскорбиновой кислоты. Все это определяет высокое качество кормов и имеет
важное значение для диких и домашних животных. В отличие от жарких пустынь
разложение остатков в холодном климате протекает медленно.
По М .А. Глазовской, на сыртах Тянь- Шаня выветривание протекает по
карбонатному типу, в почвах и коре выветривания накапливается СаСО3 , рН почв и
вод больше 7. Разреженная травянистая и кустарниковая растительность
высокогорных пустынь способствует накоплению в верхних горизонтах Са, Р , S. В
условиях низкой температуры Na выпадает в виде труднорастворимой соли ---
Na2SO4 .10H2O, поэтому при испарительной концентрации Са и Мg опережают Nа , в
депрессиях рельефа формируются хлоридные солончаки и соленые озера (СаСl2 ,
MgCl2). В илах озер развита десульфуризация, в атмосферу выделяется сероводород,
что находит отражение в топонимике (Сасыккуль --- "вонючее озеро"). Широко
распространены мерзлотные явления, солифлюкция, местами встречается многолетняя
мерзлота. Резко дефицитны О (горная болезнь) и J (эндемический зоб).
10.3. Суббореальные пустыни
(казахстанско- монгольские)
Это пустыни умеренного пояса с жарким летом, морозной зимой и холодной сухой
весной. Годовое количество осадков составляет 100---200 мм, большая часть их
выпадает летом, обеспечивая возможность произрастания полынных и полынно-
солянковых сообществ. Данный тип распространен преимущественно в Евразии и
простирается непрерывной полосой от плато Устюрт через Южный Казахстан и
Монголию (Южная Гоби) до Китая. Зональными типами почв являются бурые и серо-
бурые. Для суббореальных пустынь характерно несколько классов и все три основных
рода геохимических ландшафтов.
10.3.1. Пустыни кальциевого (Са)
и кальциево- натриевого (Са---Na) классов
В этом классе преобладает III род --- пустынные низкогорья и мелкосопочники.
Они распространены в Кызылкумах, Бет- Пак-Дале, Северном Прибалхашье,
Джунгарской и Заалтайской Гоби и других складчатых областях. Это тамдинские
ландшафты (по горам Тамды в Кызылкумах, рис. 10.3). Для них характерны
полынные сообщества, достаточно интенсивный водообмен даже при малом
количестве атмосферных осадков, преобладание маломинерализованных трещинно-
грунтовых вод гидрокарбонатно- кальциевого и натриевого состава.
Скалистые вершины гор, как и в других ландшафтах, покрыты накипными
Ðèñ. 10.2. Высокогорные пустыни Восточного Памира (по Е . П . Коровину).
На переднем плане равнины оз. Каракуль (терескенники).
лишайниками. Геохимическая роль лишайников в пустынях обычно недооценивается,
т . к . до недавнего времени при описании выветривания в пустынях внимание
обращалось только на эффектное механическое растрескивание и игнорировалась
значительно более крупная по конечному результату и глубине разложения пород
деятельность внешне малозаметных лишайников.*
На Мангышлаке, в Кызылкумах, Гоби и других пустынях выходы скальных пород
везде покрыты накипными лишайниками. Минерализация отмерших лишайников
создает первичный мелкозем, который сдувается ветром в трещины и образует
первичную пустынную почву. Мелкозем из лишайников (и из- под лишайников)
вскипает от соляной кислоты и относится к карбонатному классу. Следовательно, и в
пустынях выветривание скальных пород на самых первых этапах происходит при
участии живого вещества: здесь действует механизм положительной обратной связи,
определяющий прогрессивное развитие ландшафта.
В автономных и трансэлювиальных позициях на обызвесткованном элювии
формируются примитивные бурые и серо-бурые почвы. В элювиально-
аккумулятивных ландшафтах подгорных равнин и нижних частей склонов сопок
образуется карбонатный щебнистый пролювий и делювий, на котором развиты
полнопрофильные, иногда солонцеватые, бурые и серо-бурые почвы. Для автономных
и транзитно- аккумулятивных ландшафтов с глубоким уровнем грунтовых вод
характерны кальциевый и кальциево- натриевый классы миграции.
Химический состав трещинно- грунтовых вод тамдинских ландшафтов формируется
главным образом за счет атмосферных солей, взаимодействия вод со скальными
породами и обызвесткованной корой выветривания. В результате воды нередко имеют
натриевый состав и маломинерализованы. Это гидрокарбонатно- натриевые и
гидрокарбонатно- кальциевые лучшие питьевые воды пустынь, у выходов которых
расположены населенные пункты. Расходы таких источников невелики. Значительно
более водообильны и практически важны источники, связанные с зонами разломов,
вскрывающие глубинные трещинные воды, формирование которых не связано
непосредственно с данным элементарным ландшафтом. Это более минерализованные,
пресные или слабо солоноватые, обычно сульфатно- натриевые воды.
В отличие от трещинных вод атмосферные осадки, грунтовые и склоновые воды
имеют хлоридно- сульфатный и сульфатно- хлоридный смешанный по катионам состав
(В . Н . Островский, И. В . Иванов, Н .Ф . Глазовский). В сочетании с щелочной
окислительной средой почв, малым количеством органического вещества и
чрезвычайно малым увлажнением это определяет низкую интенсивность площадной
Рис. 10.3. Пустынные низкие горы, сложенные изверженными породами (тамдинские ландшафты, по А.И.
Перельману): 1 --- щебнистая пустынная почва, 2 --- солончак, 3 --- черная соленая грязь с коркой соли на
поверхности (шор), 4 --- обызвесткованный элювий (обломочный), 5 --- засоленный пролювий, 6 ---
изверженная порода.
миграции большинства химических элементов.
Водная миграция элементов в основном происходит в периоды снеготаяния и после
редких сильных дождей, когда наполняются водой многочисленные сухие русла. На
более выровненных подгорных шлейфах серо-бурые почвы щебнисты и обычно имеют
легкий механический состав. Однако морфологические и водно-физические условия
не благоприятны для инфильтрации атмосферных осадков из- за наличия в профиле
под щебнистым панцирем слабопроницаемого коркового горизонта. Поэтому
периодический склоновый сток образует своеобразную эрозионную сеть. В Монголии
такие сухие русла временных водотоков называются сайрами. Они служат основными
каналами транспортировки и миграции твердых и растворенных веществ в единых
каскадных системах "горный или мелкосопочный массив --- межгорная впадина".
Грунтовые воды подрусловых потоков слабо минерализованы, испарительная
концентрация в целом почти не выражена, и только на выходах источников, в местах
близкого залегания вод на поймах развивается засоление. Типичных солончаков, с
солянками, как правило, мало из- за транзитного характера стока.
На более низких уровнях рельефа --- в межгорных впадинах и котловинах на
озерно- солончаковых отложениях формируются солончаки и типичные соры
(пересыхающие соленые озера). Часто эти солончаковые котловины связаны с зонами
тектонических разломов, по которым разгружаются минерализованные воды.
Разломные солончаки имеют разнообразный химический состав, но преобладает
хлоридно- натриевое засоление. Встречаются и содовые солончаки, особенно в Гоби,
где разломные содовые воды часто связаны с молодыми базальтовыми
вулканическими массивами. Местами повышенная щелочность гобийских солончаков
определяется не содой, а присутствием в растворах борат- иона и органических
соединений (Е . И . Панкова).
Радиальная геохимическая контрастность автономных ландшафтов связана с
достаточно резкой механической и физико- химической дифференциацией почвенного
профиля. Даже слабое накопление гумуса и мелкозема в верхних горизонтах почв
определяет аккумуляцию в них биофилов --- N, P и микроэлементов, главным образом
комплексообразователей --- Y, Zr, Sc и др. на совмещенном биогеохимическом и
сорбционном (G3) барьерах.
Важное значение в миграции и аккумуляции химических элементов играет высшая
растительность. Многие пустынные растения имеют высокую зольность (10---40%) и
после минерализации обогащают поверхностные горизонты почв щелочными (прежде
всего Nа) и щелочноземельными (Са, Мg) элементами, увеличивающими засоление и
карбонатность почв. Сильная разреженность растительного покрова и транзит
продуктов жизнедеятельности растений в аккумулятивные позиции затрудняет
выяснение действительной роли высших растений в ландшафтно- геохимических
процессах.
Биогеохимические особенности пустынных низкогорий рассмотрим на примере
одной из наиболее аридных областей Евразии --- Заалтайской Гоби. Она расположена
на высотах 700---1000 м и имеет сложный равнинно- мелкосопочный и низкогорный
рельеф. На изверженных и метаморфических породах палеозоя, осадочных мела и
палеогена, отложениях плейстоцена в условиях резко континентального климата
(сезонная амплитуда температур до 70---80о , осадки от 20 до 130 мм в год) под
разреженными кустарничково- саксаульными сообществами формируются серо-бурые
и бурые почвы. На самом юге выделяются крайнеаридные обычно гипсоносные
почвы, почти полностью лишенные растительного покрова --- редкие растения
приурочены только к сайрам (Ю. Г . Евстифеев).
Щелочная обстановка, чрезвычайно слабое увлажнение, легкий механический
состав и щебнистость почв определяют низкую подвижность большинства
химических элементов и , следовательно, малую доступность их для растений. С этим
связаны низкие региональные кларки катионогенных элементов --- Mn, Zn, Cu, Pb
(рис. 10.4). Характерна четкая видовая специализация, связанная с увлажненностью
местообитаний. С юга на север, от крайне аридных пустынь к настоящим пустыням и
опустыненным степям увеличивается подвижность и содержание некоторых
микроэлементов (рис. 10.5). Особенно активными концентраторами Fe, Mn, Zn, Cu, Cr
служат луки --- одно из распространенных кормовых растений. Микроэлементы
испарительной концентрации --- В , Sr, Li накапливаются в маревых и сложноцветных
на засоленных почвах.
На участках разгрузки слабоминерализованных и пресных трещинных вод
формируются оазисы с тугайной растительностью и своеобразной биогеохимией. Так,
деревья, кустарники (тополь, береза) и травы оазиса Эхийн- Гол концентрируют
катионогенные элементы --- Mn, Zn, Sr, Ni. Особенно ярко выражено накопление в
тугайных растениях Li, содержание которого на 1---2 порядка (15---130 мг/кг сухого
вещества) превышает региональный кларк растений Заалтайской Гоби (рис. 10.5). Не
исключено, что по тектоническому разлому, к которому приурочен оазис Эхийн- Гол,
разгружаются литиеносные воды.
Латеральная миграция микроэлементов в пустынных низкогорьях и
мелкосопочниках в целом выражена слабо. Только микроэлементы, участвующие в
испарительной концентрации (Sr, B, Мо), могут накапливаться в супераквально-
аккумулятивных ландшафтах межгорных солончаковых впадин. Исследования
замкнутых каскадных систем мелкосопочно- солончаковых депрессий Северного
Прибалхашья (И .А. Иванова, Н.С. Касимов) выявили геохимическую дивергенцию в
распределении легкорастворимых солей и микроэлементов. Соли (Na+ , Ca2+, Mg2+, Cl-,
SO4 2-) накапливаются в подчиненных ландшафтах солончаковых впадин (L Na, Cl и
сульфат- иона 25---80). Коэффициенты латеральной миграции практически всех
микроэлементов не превышают 1,3. Слабая латеральная дифференциация пустынных
мелкосопочных ландшафтов характерна не только для фоновых, но и для природно-
аномальных условий, даже в тех случаях, когда рудная минерализация приурочена к
породам автономных позиций.
В пустынных горах Южной Монголии, подверженных слабому влиянию восточно-
азиатского муссона, летние ливневые осадки локализуются во временных водотоках-
сайрах. В Заалтайской Гоби лучшая увлажненность сайров ведет к резкому
увеличению биологического захвата химических элементов --- на порядок больше,
чем в автономных горах или гаммадах. По Т . И . Казанцевой, в экстрааридной пустыне
годовая продукция с 2,2 кг сухого вещества на 1 га в илиниевых сообществах
плакоров увеличивается в саксаулово- илиниево- эфедровых сообществах сайров до
Рис. 10.4. Мировые и региональные кларки элементов в растениях. Мировые кларки: а --- по Н.М. Bowen
(1966), б --- по В.В. Добровольскому (1983), в --- по А. Kabata-Pendias, H. Pendias (1979). Региональные
кларки: г --- юг Западной Сибири (Ильин, 1985), д --- Заалтайская Гоби, средние концентрации и
пределы колебаний в видах (по Н.С. Касимову, А.К. Евдокимовой и Т.И. Казанцевой). По оси ординат ---
содержание элементов, мг/кг сухого вещества.
25---76 кг/га. По В . В . Добровольскому, массы Sr, Mn и Zn в продукции сайровых
сообществ в 10---100 раз больше, чем в сообществах плакоров, что указывает на
существование геохимической сопряженности ландшафтов даже в условиях
экстрааридной пустыни.
Отсутствие безрудных
ландшафтных
аномалий благоприятно для
литогеохимических поисков с отбором проб из верхних горизонтов почв. Так,
золоторудная минерализация в пустынных горах Узбекистана сопровождается
вторичными ореолами As, Ag, Pb, Cu, Zn, W, Mo, Sn и Со. Наиболее надежными
индикаторами золота являются As, Ag, Pb. Весьма перспективны и биогеохимические
поиски, особенно на участках, перекрытых пролювием, аллювием, эоловыми песками
малой мощности. Как и в степях, для биогеохимического опробования пригодны
полыни. На участках с рудной минерализацией содержание металлов в золе многих
растений повышается в десятки раз относительно фона. Возможности
Рис. 10.5. Распределение концентраций элементов в растениях экологического профиля
Заалтайской Гоби (по Н . С . Касимову, А . К . Евдокимовой и Т . И . Казанцевой).
I---VII --- участки: I, II --- крайнеаридная пустыня, III, V --- настоящая пустыня, VI --- остепненная
пустыня, VII --- оазис Эхийн-Гол. Виды: 1 --- Haloxylon ammodendron (C.A. Mey) Bunge, 1a --- тот же в
сайре оазиса Эхийн-Гол, 2 --- Calligonum mongolicum Tucrz, 3 --- Sympegma regelii Bunge, 4 --- Ephedra
przewalskii Stapf, 5 --- Jljinia regelii (Bunge) Korov, 6 --- Reaиmuria soongoricа (Pall Maxim), 7 --- Nitraria
sphaerocarpa Maxim, 8 --- Artemisia xanthochroa Krasch, 9 --- Allium polyrrhizum Turcz. Ex Regel, 10 ---
Anabasis brevifolia C.A. Mey, 11 --- Stipa glareosa P. Snir, 12 --- Artemisia caespitosa Ledeb., 13 --- Achnatherum
splendens (Trin), 14 --- Populus diversifolia Schrenk, 15 --- Tamarix ramosissima Ledeb., 16 --- Phragmites
communis Trin., 17 --- Elymus secalinus (George) Bobr., 18 --- Lycium ruthenicum Murr., 19 --- Sophoza
alopecuroides L., 20 --- Glycyrrhiza uralensis Fisch. По оси ординат --- содержание элементов, мг/кг сухого
вещества. Для Li --- шкала логарифмическая, для остальных элементов --- обыкновенная, пунктир ---
региональные кларки элементов для видов Заалтайской Гоби.
гидрогеохимических поисков здесь ограничены малым количеством водопунктов, но
все имеющиеся источники и колодцы должны опробоваться, они нередко приурочены
к рудоносным разломам.
Важное значение в пустынных низкогорьях и сопряженных с ними депрессиях
имеет не локальная склоновая миграция солей, а процессы региональной миграции
подземных вод, определяющие многие геохимические особенности соленакопления
(В.А. Ковда, Н.Ф. Глазовский и др.).
Большая часть тамдинских ландшафтов используется в качестве пастбищ для овец
и верблюдов. В районах рудных месторождений скот может болеть от избытка в
кормах и водах Pb, Hg, Sr, Mo, Cu, Ni, V и других элементов. В зимний период в Юго-
Западных и Центральных Кызылкумах у каракульских овец наблюдается медное
отравление, содержание Cu в крови и различных органах повышено. Предполагается,
что животные заболевают, поедая растения, богатые особыми алкалоидами.
Создание в тамдинских ландшафтах горнорудных предприятий, рабочих поселков
и городов выдвигает ряд медико- геохимических проблем. Необходимо учитывать
возможность избыточного содержания в пище и водах Мо (подагра), Pb (нервные
болезни), Cu (малокровие) и т . д . Непромышленное население здесь (главным образом
чабаны) невелико и , в общем, приспособилось к местным условиям. Однако не
исключается распространение и среди него биогеохимических эндемий, связанных с
избытком элементов (особое внимание должно быть обращено на питьевую воду).
Строительство в тамдинских ландшафтах выдвигает ряд проблем охраны природы.
Связи между компонентами ландшафта в пустыне нарушаются легко, а
восстанавливаются трудно. Особенно опасно нарушение почвенно- растительного
покрова. Нередко площадка будущего строительства во всех направлениях
пересекается колеями автомашин, так как местность практически повсеместно
проходима. Такое "сплошное дорожное полотно" приводит к разрыхлению почвы и
ликвидации пустынной растительности, развеванию почв и сильному запылению
атмосферы. Песчаная почва может дать материал для образования эоловых песков,
гряд и бугров, которые со временем поведут наступление на поселки, дороги,
предприятия. На борьбу с подвижными песками придется тратить большие средства.
Поэтому строительство в тамдинских ландшафтах особенно важно начинать с
оборудования дорожной сети.
Каменистые и глинистые пустыни II и I родов развиты на подгорных равнинах и
возвышенностях Центральной Азии. Для наиболее высоких уровней рельефа
характерны кальциевые ландшафты, в которых на лессовидных суглинках или
элювиальных и делювиально- щебнистых пролювиальных отложениях формируются
незасоленные почвы под эфемерно- полукустарничковыми, преимущественно
полынными сообществами. Биогеохимическая специализация полынников та же, что и
в степях. Радиальная геохимическая дифференциация почв слабая из- за низкого
содержания гумуса, карбонатности профиля и монотонного распределения илистой
фракции. Геохимические барьеры в целом не характерны. Лишь в самых нижних
горизонтах иногда встречаются гипсовые горизонты и скопления легкорастворимых
солей (испарительный барьер F 3).
Наиболее дифференцированы серо-бурые почвы за счет присутствия в профиле
плотного, иногда солонцеватого иллювиально- метаморфического горизонта В t
(сорбционный барьер G3) и более контрастного распределения карбонатов и гипса.
Песчаные пустыни. Это несколько видов, часть которых относится ко II роду
("барханные", "бугристые" и прочие пески), а часть к I роду (песчаные равнины).
Такие ландшафты формируются на перевеянных аллювиальных или коренных песках
под псаммофитными травянистыми и кустарниковыми сообществами. Ведущими
факторами, влияющими на миграцию химических элементов в песчаных пустынях,
являются ветер, легкий механический состав почв, чрезвычайно малое атмосферное
увлажнение и практически полное отсутствие поверхностного стока. На достаточно
однородном литолого- геоморфологическом фоне более четко выражена фито- и
зоогеохимическая неоднородность почв и биогеохимическая специализация растений.
При близком залегании грунтовых вод геохимические особенности ланшафтов во
многом определяются составом и степенью минерализации вод.
Почвы песчаных пустынь карбонатны с поверхности и , как правило, не засолены.
Наши исследования в Репетекском биосферном заповеднике (
Туркменистан)
показали, что легкий механический состав песков определяет пониженное по
сравнению с литосферой содержание большинства химических элементов. Песчаные
пустынные почвы отличаются весьма слабой радиальной дифференциацией элементов
(R = 0,7---1,2), для них не характерны геохимические барьеры. Под кронами деревьев
и кустарников (черный и белый саксаул, эфедра, черкез и др.) в почвах
накапливаются пылеватые частицы, легкорастворимые соли, карбонаты, местами
увеличивается щелочность и возрастает геохимическая контрастность поведения
микроэлементов.
Особенно велика средообразующая роль черного саксаула. Живая фитомасса в
черносаксауловых пустынях достигает 300---350 ц/га (П.Д. Гунин), т . е . в 3---4 раза
выше, чем в травянистой пустыне. В надземных органах черного саксаула
накапливаются Cl, S, Na, Ca. Как и многие древесные растения, черный саксаул
катионофил --- в нем накапливаются Sr (до 1,3% в золе), Cu, Zn, Mn, Ag. Из опада
быстрее вымываются подвижные элементы Cl, S, Mg, Na, K, обеспечивая засоление
подкроновых почв. Инертные элементы --- Al, Fe, Si, Ti --- накапливаются в опаде и
почвах.
Геохимическим своеобразием отличаются также термитники, служащие местами
концентрации легкорастворимых солей, Р и некоторых микроэлементов --- Sr, Mo, V,
B, Ag (Н.Ф. Глазовский, Н.С. Касимов).
Во впадинах среди песков с близким залеганием грунтовых вод формируются
солончаки с интенсивной испарительной концентрацией микроэлементов --- Sr, Mo, B,
Li, Br. Латеральная миграция элементов для песчаных пустынь не характерна.
10.3.2. Пустыни солонцового (Na --- OН) класса
Солонцовые ландшафты занимают элювиально- аккумулятивные позиции, где под
полынно- солянковыми сообществами формируются бурые солонцеватые, серо-бурые
солонцеватые почвы и солонцы, часто солончаковатые. Засоление почв, как правило,
остаточное или субаэральное, определенное значение имеет биогенное засоление,
особенно солями натрия, т . к . в золе опада полукустарничков (полыней, солянок)
содержание натрия достигает 7---10%. Доля биогалогенов (Na + Cl + S) в полынных
пустынях в среднем 27% от общего количества зольных элементов (Л. Е . Родин, Н . И.
Базилевич).
Солонцеватость
определяет
контрастность радиальной геохимической
дифференциации почв. Текстурные солонцеватые горизонты --- это сорбционные
барьеры G3-G4, на которых концентрируются многие химические элементов. Для
нижней части почвенного профиля характерны реликтовые испарительные барьеры
F 3-F4. Латеральная миграция большинства химических элементов (
кроме
легкорастворимых солей) весьма ограничена.
10.3.3. Гипсовые пустыни (Са --- SО4) класса
Среди гипсовых пустынь известны все три основных рода ландшафта, но
абсолютно преобладают гипсовые пустыни на аккумулятивных пластовых равнинах и
плато (I род), сложенных преимущественно морскими засоленными отложениями.
Наиболее грандиозная гипсовая пустыня --- плато Устюрт. Главная особенность этих
ландшафтов --- высокое содержание остаточного гипса в автоморфных серо-бурых
почвах и развитие особой флоры "гипсофитов" (биюргун, джузгун, тас-биюргун). В
бике особенно велико участие S, в золе гипсофитов сульфаты преобладают над
хлоридами. Уровни содержания химических элементов и радиальная дифференциация
ландшафтов в значительной мере определяются содержанием гипса в почвах и
положением гипсового горизонта в почвенном профиле. Как правило, горизонты, где
содержание гипса выше 10---15%, обеднены многими микроэлементами ("гипсовое
выщелачивание"), за исключением Sr. Содержание Sr в гипсоносных почвах может
достигать 0,5---1% (15---30 КК), образуется минерал целестин (SrSO4). Это определяет
аккумуляцию Sr в гипсофитах (В . В . Добровольский, Н.С. Касимов).
Латеральная поверхностная миграция солей и микроэлементов имеет крайне
подчиненное значение. Однако в ряду атмосферные осадки --- снеговые воды, воды
луж --- воды временных водотоков --- родниковые и грунтовые воды при
взаимодействии с верхними горизонтами почв и покровных отложений происходит
трансформация их химического состава от гидрокарбонатного кальциевого через
хлоридно- сульфатный и гидрокарбонатный натриевый к хлоридному и сульфатному
натриевому в соответствии с ростом минерализации вод (Н. Ф . Глазовский).
Латеральная почвенно- геохимическая дифференциация гипсовых пустынь изучена
слабо.
10.3.4. Солончаковые пустыни
Они относятся к Cl --- Na, SO4 --- Na и другим классам, занимая как огромные
пространства, так и небольшие площади в качестве члена ландшафтной катены
(пустынный мелкосопочник --- шоровый солончак в депрессии и т . д .). В Азии
особенно грандиозны солончаковые пустыни Центрального Ирана (Деште- Кевир),
Северного Прикаспия, Тибета, Цайдама.
10.4. Субтропические (средиземноморские) пустыни
В отличие от суббореальных пустынь осадки здесь выпадают преимущественно в
холодный сезон. Обычно их количество за зимне- весенние месяцы составляет 100---
150 мм. Весной гидротермические условия наиболее благоприятны для вегетации,
создания основной массы живого вещества, развития эфемеровой растительности,
наиболее интенсивного протекания биогеохимических процессов.
В основном такие ландшафты распространены в Иране, Сирии, Ираке, по
африканскому побережью Средиземного моря --- в Египте, Тунисе и т . д . На
территории Сердней Азии и в Азербайджане представлено северное семейство
субтропических пустынь, переходное к пустыням умеренного пояса.
В субтропических пустынях выделяются те же классы и роды, что и в пустынях
суббореальных. Геохимические особенности ландшафтов на скальных, гипсоносных и
соленосных породах аналогичны пустыням Казахстана и Монголии: на
кристаллических породах здесь развиты ландшафты кальциевого класса, на
засоленных породах --- соленосного с мощными солевыми корами. В субтропических
пустынях широко распространены и кальциево- натриевые, и солонцовые ландшафты с
ксеро- солонцовыми почвами (серобурыми пустынными, краснобурыми пустынными) с
отчетливой радиальной дифференциацией карбонатов, гипса, легкорастворимых солей
и емкости поглощения в почвенном профиле, что ведет к формированию сорбционных
и реликтовых испарительных геохимических барьеров в иллювиальных горизонтах
(G3---G4 и др.). На юге Средней Азии субтропические черты в биологическом
круговороте (весенняя вспышка продуктивности) и водной миграции наиболее четко
выражены в ландшафтах песчаных равнин и лессовых возвышенностей.
Контрольные вопросы
1. Роль идей Мартонна для понимания природы пустыни?
2. Охарактеризуйте бик пустынных ландшафтов, в чем его специфика?
3. Каковы особенности полярных и высокогорных пустынь?
4. Охарактеризуйте геохимию тамдинских ландшафтов (
пустынного
мелкосопочника).
5. В чем специфика ландшафтов Заалтайской Гоби?
6. Охарактеризуйте геохимию песчаных пустынь Средней Азии и Казахстана,
биогеохимию саксаула.
7. Где распространены гипсовые пустыни, в чем состоит их геохимическая
специфика?
Глава 11
ТУНДРОВЫЕ ЛАНДШАФТЫ
По биомассе и ежегодной продукции эта группа близка к степям, по соотношению
Б и П --- к тайге, по некоторым информационным показателям --- к пустыням.
11.1. Тундровый тип ландшафта
Тундра --- продукт холодного климата, точнее --- холодного лета со средней
температурой самого теплого месяца не более +10о С. На равнинах Евразии и
Северной Америки она образует самостоятельную ландшафтную зону, в горах ---
особый высотный пояс.
11.1.1. Тундровая деградация
Это такое развитие таежного и прочих ландшафтов, в ходе которого уменьшается
биомасса и ежегодная продукция живого вещества, замедляется скорость разложения
остатков организмов, уменьшается самоорганизация, возникает тундровый бик. О
формировании тундр в результате деградации северных лесов писал Б . Н . Городков, а
Б.А. Келлер считал, что тайгу можно рассматривать с известной условностью, как
сочетание тундры с хвойным лесом. Действительно, для тундры и северной тайги
характерны напочвенные ярусы мхов и лишайников, те же кустарники, кустарнички и
травы, сходные почвенные процессы и водная миграция.
На равнинах тундровая зона сформировалась в четвертичном периоде. Сообщества
горнотундрового типа, по В . Б . Сочаве и Б . Н. Городкову, могли возникнуть в верхнем
мелу, в эпоху ларамийской складчатости, в горных системах Тихоокеанского кольца.
Тундровый тип ландшафта зародился на северо- востоке Сибири и распространился
оттуда на запад. Во время днепровского оледенения тундра была на юге Русской
равнины. В межледниковые эпохи она отступала, а при последующем оледенении
завоевывала новые пространства. В послеледниковую эпоху был период, когда тайга
распространялась в Евразии севернее современной границы. Об этом говорят остатки
деревьев в тундре, ископаемые подзолистые почвы. Однако тундровая деградация
связана не только с похолоданием климата. Она возможна и на основе положительной
обратной связи в результате процессов саморазвития ландшафтов в условиях
постоянного климата. Так, заболачивание лесов ухудшает условия жизни деревьев и
благоприятствует развитию мхов, которые в свою очередь усиливают заболачивание и
дальнейшее вытеснение деревьев. В результате формируется ландшафт тундровой
группы --- верховое болото.
11.1.2. Биологический круговорот
В равнинной тундре бик развивается в условиях длинного полярного дня: летом
для энергичного фотосинтеза света достаточно и растения к этому приспособились.
" Растения длинного дня" плохо развиваются в низких широтах с их коротким днем.
Благодаря длинному дню сумма солнечной радиации в равнинной тундре такая же,
как в южной тайге, но температура воздуха летом значительно ниже. Низкие
температуры воздуха и почвы лимитируют бик, являются причиной многих его
особенностей и , в частности, ксероморфизма растений. С дефицитом тепла связаны и
" волны жизни": в годы с более теплым летом возрастает ежегодная продукция живого
вещества. Некоторые растения цветут только в благоприятные годы, как, например,
иван- чай в арктической тундре.
Таблица 11.1
Ряды биологического поглощения микроэлементов
A
x
Район
Растения
10n
n
O,n
Урал
Высшие
Ti, Ni, Cu,
V, Cr, Mn, Co
As
растения
Zn
Mo
Таймыр
Лишайники Zn, Cu, Pb
Ni, Mo, Co, Mn
--
Высшие
Zn, Cu, Mo, Pb,
Ni, Co
растения
Mn
Гольцы Лишайники
Zn, Pb, Mo, Ba,
La, Ni,
Южной (
ягель)
Au, Ag, Cu, Sn,
Co, Ti
Сибири
Be, Sr
Биомасса в тундре колеблется в широких пределах --- от 40 до 300 ц/га (примерно
как в пустынях), большая ее часть сосредоточена в корнях (70---80%). Растения
растут медленно: лишайники за год вырастают на 1---10 мм, можжевельник на
Кольском полуострове с диаметром ствола 83 мм имел 544 годичных кольца. Однако
здесь сказывается не только неблагоприятное влияние низких температур, но и
бедность среды элементами питания. Ежегодный прирост (П) составляет 10 ц /га для
арктической тундры и 25 --- для кустарничковой, т . е . по величине близок к сухим
степям и пустыням.
Число видов высших растений в тундре невелико, в Сибири, например, оно
составляет лишь 476. Большую роль играют мхи и лишайники. Флора тундры
содержит меньше водных мигрантов, чем аналогичные роды и виды в тайге и других
зонах. Особенно мало золы в лишайниках (1,3---4%), в которой преобладают SiО2 и
R 2 О3 . Несколько богаче золой мхи, в некоторых травах (хвощи) до 10---15% золы. У
большинства растений зольность 1,5---2%. Полярная ива, астрагал арктический,
морошка, лишайники и другие растения содержат повышенные количества Al (Ах
местами больше 1). Мхи, как и в других зонах, богаты Fe, местами Mn и Al.
Кустарничковая береза активно поглощает Mn, по некоторым данным и Ва (Ах 1 = n).
В золе отдельных растений повышено содержание S, при минерализации которой
образуется небольшое количество серной кислоты --- способствующей миграции Al и
других металлов. Ряды биологического поглощения микроэлементов в общем
аналогичны тайге(поАх:Cl,SиP---n.100;Ca,Mg,K---n;Na---O,n;Al,Fe---O,n---
O,On. По В.Д. Васильевской и Л . Г . Богатыреву, в тундрах Западного Таймыра
наиболее богаты микроэлементами лишайники, мхи и кустарники, разнотравье и
осоки содержат их значительно меньше. Ряды биологического поглощения такие: Mn
> Ni > Cu > Co > Cr > V. М.А. Глазовская для горной тундры Урала и Ф.М.
Подкорытов для одного из районов Таймыра, Т . Т . Тайсаев для гольцов Южной
Сибири
приводят
средние
коэффициенты биологического
поглощения
микроэлементов (табл. 11.1). Характерна большая вариабельность значений: на
Таймыре АMn колеблется от 0,09 до 7, АZn --- 2---102, АCu --- 0,30---34, АPb --- 0,10---47 и
т . д .Для тундры характерна сезонная миграция фауны, особенно летние прилеты птиц.
Гуси, утки, гагары, чайки и другие птицы прилетают за тысячи километров и выводят
здесь птенцов. Эта их родина, где они проводят 2---2,5 месяца, сильно отличается от
мест зимовки --- тропиков и субтропиков. Данный грандиозный геохимический
процесс еще не полностью объяснен и осмыслен. Каково его влияние на эволюцию
птиц, филогению и онтогению, чем в этом отношении птицы отличаются от других
позвоночных? Вопросы эти имеют фундаментальное значение для биологии и
медицины, так как и современный человек с его широкой миграцией периодически
попадает в резко различные геохимические условия.
Из- за низкой температуры разложение остатков организмов в тундре протекает
медленно, многие группы микроорганизмов не функционируют или же работают
очень слабо (бактерии, разлагающие клетчатку и др.). Это ведет к накоплению
органических веществ на поверхности и в почве. В подстилке накапливается 25---835
ц/га при ежегодном опаде 0,n---50 ц/га. Отношение подстилки к опаду,
характеризующее интенсивность разложения растительных остатков, колеблется от
100 до 17. По этому показателю тундра ближе к тайге (n), чем к степям и пустыням
(0,n) (таблица 11.2). По биомассе, ежегодной продукции, соотношению подземной и
надземной частей тундра ближе к аридным ландшафтам. Но малая биомасса степей и
пустынь связана с недостатком воды (реже --- избытком солей), в тундре ---
недостатком тепла. В тундрах, сухих степях и пустынях произрастают близкие
жизненные формы --- кустарники и кустарнички. Разложение органических веществ в
тундре, напротив, резко отличается от аридных ландшафтов и аналогично северной
тайге. Об этом говорит накопление большого количества подстилки, важное участие в
бике Al, Fe, Mn. Генетическая близость тундры и тайги определяет их сходство по
соотношению Б и П величине К (табл. 11.2).
Низкая интенсивность бика и связанная с этим низкая самоорганизация
определяют малую устойчивость ландшафта к антропогенному воздействию.
Тундровый ландшафт трудно и медленно восстанавливается. Поэтому в тундре роль
ландшафтно- геохимического анализа при решении экологических задач резко
возрастает.
11.1.3. Систематика
На территории России в тундровом типе выделяется 5 отделов:
А. Умеренно- континентальные тундры без многолетней мерзлоты (запад Кольского
полуострова).
Б . Умеренно- континентальные и континентальные тундры с многолетней
мерзлотой (европейская Россия и Западная Сибирь).
В . Резкоконтинентальные тундры с многолетней мерзлотой (Восточная Сибирь).
Г . Приокеанические и океанические мерзлотные тундры (Чукотка, Охотское
побережье, часть Камчатки и др.).
Д. Приокеанические тундры без многолетней мерзлоты (Командоры, юг Камчатки,
Курилы и др.).
Таблица 11.2
Показатели бика в тундре, северной тайге и аридных ландшафтах
Северная
Аридные
Показатели бика
тайга
Тундра
ландшафты
(
ельники) кустарничковая (
сухие степи,
пустыни)
А. Показатели, сближающие тундру со степями и пустынями
Биомасса Б1, ц/га
1000
280
10--100
Корнив%от
22
83
80--90
биомассы Б 4
Ежегодный прирост
40
25
5--42
П1, ц/га
Опад, О1 ц/га
35
25
10--42
Б . Показатели, сближающие тундру с северной тайгой
Подстилка О3, ц/га
300
835
15
Подстилка, опад
10
35
0,3
Прирост в % от
4,5
9
50
биомассы Ж1
0,53
0,56
0,75--0,97
Характерные водные
Ca, K, Si
Ca, K, Si
Ca, K,
мигранты в живом
(Al, Fe)
(Al, Fe)
(Na, Cl)
веществе
В этих отделах выделяются три основных семейства. В наиболее северных и
холодных условиях развивается арктическая тундра, среднее положение занимает
мохово- лишайниковая и южное --- кустарниковая тундра. Эти семейства можно
именовать северной, средней и южной тундрой. В горах они разграничиваются менее
четко, чем на равнинах, и чаще называются горной тундрой.
В пределах семейств выделяются те же классы, роды и виды, что и в северной
тайге. В равнинной тундре преобладают ландшафты кислого глеевого класса, в
горной --- кислого.
В европейской России южно- тундровое семейство занимает особую подзону с
сравнительно теплым летом (температура самого теплого месяца 10---11оС). Кроме
трав, мхов и лишайников здесь растут кустарники --- ерники (березки), ивы и т . д .
Геоботаники выделяют зональную формацию растительности --- ерниковую тундру.
Южнотундровые ландшафты кислого класса формируются на скальных породах в
условиях расчлененного рельефа, частично на песках, т . е . примерно в тех же местах,
что и кислая северная тайга. По В .О. Таргульяну, выветривание и почвообразование
здесь также аналогичны северной тайге. Отличие состоит в меньшей скорости
выветривания и меньшей мощности почв, в еще большей "сжатости", "карликовости"
почвенного профиля (тундровые подбуры). Как и в северной тайге, в кислой южной
тундре воды ультрапресные, резко неравновесные (и О2 и РОВ).
Хорошо изучена южная тундра Кольского п - ва, для которой характерны
мурманские ландшафты (группа видов). Это кислая южная тундра в области
ледникового сноса, активной неотектоники и широкого распространения изверженных
и метаморфических пород. Последние лишь кое- где покрыты маломощной и грубой
мореной. Рельеф расчлененный с многочисленными реками и озерами (рис. 11.1). Это
молодые ландшафты, ледники растаяли около 10 тыс. лет назад. Освободившись ото
льда, Балтийский щит стал подниматься, что определило специфические особенности
ландшафтов --- молодость эрозионного рельефа, порожистость и быстрое течение рек,
малую мощность коры выветривания, выход скальных пород на поверхность.
Первыми видимыми поселенцами на скалах являются лишайники, лишайниковые
тундры распространены очень широко. Вероятно, и здесь формирование мелкозема
происходит "по Полынову" --- за счет разложения остатков лишайников. В местах
скопления мелкозема растительность богаче, автономный ландшафт представлен
кустарниковой (ерниковой) или кустарничковой тундрой на щебнистых подбурах. По
Н . Л. Чепурко, в кустарничково- ерниково- вороничной тундре Хибин биомасса равна
170,3 ц/ га, из которых 72% приходится на подземную часть. Ежегодный прирост (П 1)
составляет 23,5 ц/га (Ж1 --- 13,8%, К = 0,61), а ежегодный опад (О1) --- 21,9 ц/га.
Таким образом, истинный прирост, равный разности между приростом и опадом,
очень мал --- 1,6 ц/га (в северной тайге --- 10, южной --- 30, во влажных тропиках ---
75 ц/га). По В . В. Добровольскому, растения тундр Кольского полуострова
накапливают в золе Ni, Cu, Zn, Mn, Ba, Sr (Ax > 1). Вторую группу с Ах < 1 или
немного более 1 образуют Ti, Co, Ga, Be, Zr.
Скорость химического выветривания в тундре значительно меньше, чем в других
зонах. По А. Е . Ферсману, пески на Кольском полуострове нередко состоят из
невыветрелых зерен первичных минералов, имеют окраску, присущую исходным
породам (серые, зеленые и прочие пески). Те минералы, которые энергично
разрушаются в более теплом климате (например, ортоклаз, слюда), сравнительно
устойчивы в тундре, адсорбция металлов глинами выражена слабее. Однако это имеет
значение только для фоновых условий, в рыхлых породах над никелевым
месторождением обнаружена значительная концентрация Ni в тонкодисперсной массе
(Н.Ф. Майоров).
Трещинно- грунтовые воды в автономных ландшафтах гидрокарбонатно-
кремнеземные и мало минерализованы (менее 100 мг/л , в Хибинах 25---40 мг/л).
Среди катионов преобладают Са или Nа . Как источники минерализации вод большое
значение имеют атмосферные осадки, роль которых увеличивается при приближении
к морскому побережью (особенно для Cl, S, Na и J).
Подчиненные ландшафты представлены различными классами. В условиях менее
расчлененного рельефа на мелкоземистых отложениях развиты болота, в том числе
торфяники. Супераквальный ландшафт относится к кислому глеевому классу, воды
имеют бурую окраску. По Ферсману, в болотах часто встречается ярко- синий
вивианит, гидроксиды Fe и Mn содержат особенно много воды. Озера сравнительно
богаты РОВ.
В условиях более расчлененного рельефа вода озер очень чистая и прозрачная,
богата кислородом, с относительно высоким содержанием SiО2 . Реакция воды
нейтральная и слабощелочная. В таких озерах живут диатомовые водоросли, вообще
характерные для холодного климата, после смерти которых на дне отлагается
диатомовый ил, содержащий до 95% SiО2 . Диатомит беден Fe2O3 (не более 3%) и
является ценным полезным ископаемым.
Реки имеют ультрапресную воду, местами со значительным содержанием РОВ. В
минеральном питании, вероятно, большую роль играют атмосферные соли. Так,
показатель ионного стока реки Териберки в приокеанической части Кольского п -ова
составляет для Сl 2,71 (Р Cl) и для SО4 --- 1,40, а река Поной, протекающей по более
глубинным районам, --- соответственно 0,66 и 0,44. Большая минерализация вод
Териберки (23,4 мг/л против 14,9) объясняется, вероятно, влиянием океана. В
Хибинах минерализация рек составляет 15---30 мг/л .
Особые виды мурманских ландшафтов приурочены к щелочным породам
Хибинских и Ловозерских тундр. Нефелин, содалит, эвдиалит, ферсманит, ловчоррит,
апатит и другие минералы щелочных пород сравнительно легко поддаются
выветриванию слабокислыми водами. Поэтому здесь повышается роль Al, который
энергично участвует в бике и водной миграции. Уникальные щелочные и
сильнощелочные подземные воды массивов нефелиновых сиенитов, по С. Р . Крайнову,
по сравнению с водами в средних и основных породах содержат в десятки и сотни раз
больше фтора, ниобия, титана, редкоземельных элементов. По А. С. Дудыкиной и Е . И .
Семенову, черника, мятлик, береза и почвы на нефелиновых сиенитах содержат
значительное количество Ti, Zr, Nb, La, Y, Be, Sr, которые здесь входят в состав
легко выветриваемых минералов и поэтому доступны растениям. Ландшафты
щелочных массивов Хибин --- особая биогеохимическая провинция.
По Т. Т . Тайсаеву, в горных тундрах Саян на участках, сложенных черными
углеродистыми сланцами, на рудных полях развивается более пышная
растительность, формируются "зверовые солонцы", обильна фауна травоядных, реки
богаты рыбой крупных размеров и т . д. Это ландшафты улучшенного минерального
питания организмов.
Южнотундровые ландшафты кислого глеевого класса развиты на бескарбонатных
мелкоземистых отложениях в условиях равнинного или расчлененного рельефа.
Особенно типичен Н ---Fe-класс для равнинной тундры, сложенной суглинистыми и
глинистыми четвертичными отложениями. Кислая глеевая южная тундра простирается
сплошной полосой в европейской России (п - в Канин, Большеземельская тундра). Это
преимущественно мерзлотные ландшафты.
Многолетняя мерзлота в автономном ландшафте является важным геохимическим
фактором. Даже в наиболее теплую погоду тундровая глеевая почва просыхает лишь
на 5---10 см. Как и в северной тайге, глеевые процессы несколько ослаблены по
сравнению с более южными зонами, почва с рН, близким к 4, содержит подвижные
фульвокислоты. Характерна высокая подвижность не только Fe, но и Al. Многолетняя
мерзлота благоприятствует криогенному перемешиванию почвенной массы, ее
вымораживанию и выпучиванию, солифлюкции. Это ослабляет дифференциацию
почвы на горизонты. Местами почвы оподзолены.
Медленное разложение органических остатков определяет очень слабую
минерализацию вод, богатых РОВ. Почвенные воды автономных ландшафтов ---
кислые глеевые ультрапресные гидрокарбонатно- кремнеземные, бурые от РОВ.
Отсюда резкий дефицит многих элементов в почве, особенно доступного N
(минеральное голодание растений). Низкая минерализация вод в значительной
степени обусловлена биком: растения активно поглощают из почвы растворимые
формы К, Са, Р , S и др., которые очень медленно возвращаются в почву, задерживаясь
в оторфованном верхнем горизонте. В этом, вероятно, одна из причин относительно
малой зольности тундровых растений и широкого распространения среди мхов и
лишайников. Следствием ослабленного бика является минеральное голодание
животных, особенно весной, когда олени начинают поедать мелких грызунов, птиц,
яйца, рыбу, глодать кости, пить морскую воду.
Супераквальные ландшафты близки к автономным. Это болота с более мощным
торфом, под которым залегает глеевый горизонт.
Автономные и супераквальные ландшафты кислой глеевой тундры получают
одинаковое количество тепла, увлажнение в обоих случаях высокое, в связи с чем
геохимическая контрастность ландшафтов невелика. Этим объясняется их внешнее
однообразие и монотонность, слабая централизация. Механическая миграция крайне
мала, так как влагоемкая моховая дернина предохраняет почву от размыва.
В кислой глеевой равнинной тундре много рек и озер. Их мутность минимальна ---
20 мг/л . Сильная заболоченность определяет преобладание озер с коричневой водой,
богатой РОВ. Вода имеет низкий рН (местами ниже 4). Низкая температура воды
обусловливает высокую растворимость кислорода, резкую неравновесность среды. По
этому показателю тундровые воды аналогичны кислым болотным водам тайги и
влажных тропиков.
Там, где в ландшафты поступают извне растворимые минеральные соединения, бик
усиливается, растительность становится пышнее, в ней возрастает роль цветковых
растений и уменьшается роль мхов и лишайников. Подобные условия создаются в
поймах некоторых рек, обогащающихся в половодье плодородным илом, на птичьих
базарах, в местах стойбищ, на днищах спущенных озер, вокруг песцовых нор и т . д .
По В. Н . Андрееву, в Большеземельской тундре высокие заросли поемных трав
создают впечатление далекого юга. В Малоземельской тундре заливные пойменные
луга также имеют высокий травостой, для них характерно изобилие злаков, наличие
бобовых, отсутствующих в автономном ландшафте. Луговинные тундры развиваются
также вдоль ручьев и речек, на дне былых озер и т . д. На Камчатке густым травяным
покровом отличаются тундры, периодически засыпаемые вулканическим пеплом.
Следовательно, не климат является непосредственной причиной широкого развития
мхов и лишайников в кислой глеевой южной тундре --- основная причина в низком
содержании элементов питания растений в почве, консервативный бик.
Геохимические особенности определяют многие стороны сельскохозяйственной и
гигиенической оценки ландшафтов. Главная черта --- дефицит макро- (N, P, K, Ca и
др.) и микроэлементов. В животноводстве, в частности, в оленеводстве требуется
минеральная подкормка. Для полного обеспечения культурных растений необходимы
более высокие концентрации питательных веществ в почвенном растворе, чем в
умеренном поясе. Земледелие в южной тундре возможно, но оно требует значительно
больших доз минеральных удобрений.
Геохимическая формула для автономных и супераквальных ландшафтов
следующая:
Н+ ---Fe2+ O,N,P,K,Ca,Na... .
H, Fe, H2O, Al?
Южнотундровые ландшафты кальциевого и переходного (от кальциевого к
кислому и кислому глеевому) классов. Эти ландшафты распространены в районах
развития известняков, доломитов, карбонатной морены и других карбонатных пород.
Как и в тайге, здесь увеличивается емкость и скорость бика, растительный покров
пышнее, в нем меньше мхов и лишайников. Бик во многих случаях определяет кислую
реакцию верхнего горизонта почв, причем в одном горизонте присутствуют и кислые
органические вещества, и обломки известняков (Н---Са- класс). Книзу реакция
становится нейтральной и слабощелочной, водная миграция протекает по тому же
типу, что и в северной Са- тайге. Известны ландшафты и с нейтральными почвами
(Са- класс).
Тундры с сернокислым классом водной миграции азональны и встречаются во всех
семействах. Окисление сульфидов в холодном климате протекает здесь еще
медленнее, чем в северной тайге, сернокислая миграция выражена слабее. Мощность
зоны окисления сульфидных месторождений часто крайне мала. Это особенно
относится к Кольскому полуострову, где современные процессы окисления начались
не ранее 10 тыс. лет назад. По Ферсману, в сульфидных жилах Монче- Тундры
окисление проникло лишь на глубину первых метров, а в прибрежных районах ---
сантиметров. Тем не менее воды зоны окисления кислые сульфатные, обогащены
металлами. Как и в тайге, в зоне окисления накапливаются легкорастворимые
сульфаты тяжелых металлов. В условиях активной неотектоники окисление нередко
не поспевает за эрозией, и неокисленные сульфиды залегают на поверхности.
Энергичный размыв приводит к переотложению сульфидов в аллювии, что
установлено Н . И. Сафроновым в горных тундрах Северо- Востока России.
В палеогене и миоцене в Субарктике климат был теплее современного, росли леса,
и химические процессы в почвах и коре выветривания протекали интенсивнее.
Формировались выщелоченные коры выветривания и глубоко проработанные зоны
окисления. В дальнейшем, с похолоданием и развитием многолетней мерзлоты эти
образования законсервировались. Распространение таких кор выветривания можно
ожидать на участках пенепленизированного рельефа. Районы с сильно расчлененным
молодым рельефом неблагоприятны для сохранения реликтовой зоны окисления.
На участках сульфидных месторождений образуются сернокислые ландшафты,
формируются вторичные ореолы рассеяния в почвах, водах, растениях. Все это
позволяет использовать литохимические, гидрогеохимические и биогеохимические
методы поисков, методика которых разрабатывается с учетом особенностей
ландшафтов (В.В. Добровольский, А.М. Иванова, Н.Ф. Майоров, И.А. Морозова, В.М.
Питулько, Н.И. Сафронов, Т.Т. Тайсаев, Н.П. Чибисов, С.Л. Шварцев и др.).
Тундры с соленосно- сульфидным классом водной миграции (тундровые солончаки)
распространены по берегам морей, где морские воды во время приливов участвуют в
формировании грунтовых вод. Во влажном климате испарительная концентрация
элементов не характерна, поэтому развивается энергичный бик, в растительном
покрове много луговых и болотных трав и мало мхов. Биомасса значительно больше,
чем на морских побережьях пустынь. Здесь растут и солянки, в том числе солерос
(Salicornia herbacea), распространенный и в пустынях Средней Азии. В торфянистых
почвах развивается десульфуризация, образуются Н 2S и сульфиды Fe. В районе
Мезенской губы такие ландшафты называются "лайдами", в Малоземельской тундре
--- "тампами". Хорошие пастбища, они представляют большую хозяйственную
ценность.
11.1.4. Лесотундровые и тундрово-таежные ландшафты
В Хибинах, на Урале, в горах Сибири нередко одна и та же возвышенность в
верхней части представляет собой тундру, а в нижней --- тайгу. Подобные
возвышенности и склоны мы рассматриваем как единый геохимический ландшафт,
объединенный стоком. Это особый тундрово- таежный тип, специфика которого
определяется сочетанием тундры и тайги.
11.2. Верховые болота
Это особый тип ландшафтов тундровой группы. На верховых болотах преобладают
сфагновые мхи, здесь также растут андромеда, кассандра, багульник, голубика,
черника, брусника, клюква и другие кустарнички, немногочисленные виды трав. Для
многих верховых болот характерна низкорослая угнетенная сосна, а в Восточной
Сибири --- даурская лиственница.
Верховые болота распространены в тайге, особенно на равнинах Западной Сибири,
их также много в южной тундре и подтаежной зоне, небольшими пятнами они
встречаются и в лесостепи. Это молодые ландшафты, возникшие в четвертичном
периоде, хотя сфагновые мхи на территории России произрастали и ранее.
Верховые болота не связаны с минеральным грунтом (рис. 11.2) и , как правило,
находятся вне зоны влияния грунтовых вод. Они залегают преимущественно на
водоразделах, но встречаются и на террасах, и в котловинах. Эти болота образуются в
результате зарастания озер (
наиболее мощные торфяники) и заболачивания
водоразделов (самые крупные болота). Источником минерального питания верховых
болот служат только атмосферные пыль и осадки, что определяет минеральное
голодание растений.
Сфагновый мох* растет очень медленно --- 1---4 см в год, его выделения имеют
сильнокислую реакцию (рН = 4---4,5, местами до 3,2), которая позволяет мху
разлагать пылинки и извлекать из них растворенные минеральные соединения.
Сфагновый мох --- кальциефоб, т . к . карбонатность среды, затрудняя разложение
минералов, лишает его единственной возможности минерального питания.
В таблице 11.3 приведен средний состав сфагновых мхов и верхового торфа.
Обращает внимание высокое содержание Fe в золе: AFe того же порядка, что и для Са
и Mg. Это, вероятно, наследие того периода, когда предки сфагнума существовали на
кислом глеевом минеральном грунте. Высокий АS (175) связан с поступлением ее с
атмосферными осадками (меньшая дефицитность по сравнению с Р).
Таблица 11.3
Средний состав сфагновых мхов и верхового торфа
по М.Н. Никонову (% и Ах)
Объект Золь- P2O5 SiO2 K
2O SO3 CaO MgO Fe2O3
анализа ность,%
Сфагновые 2,3
0,10 0,60 0,50 0,19 0,36 0,17 0,18
мхи
Верховой 3,0
0,10 1,50 0,08 0,21 0,30 0,12 0,25
торф
Зола
---
4,34 26,04 21,7 8,25 15,62 7,38 7,81
сфагнума
Аx1 (на
48
0,9 8,6 175 3 3,9 1,6
кларк)
По Н . И . Базилевич, сосново- сфагновые болота в Васюганье (Западная Сибирь) со
столетними соснами характеризуются значительной биомассой --- 370 ц/га, из которой
41% приходится на зеленую часть (Ж 4), 48 --- на многолетнюю надземную часть и
11% --- на корни. По биомассе эти болота близки к южной тундре и луговым степям,
по относительному количеству зеленой массы --- к луговым степям, по количеству
корней --- к тайге. Ежегодный прирост (П1) здесь того же порядка, что и в южной
тундре или сухих степях --- 34 ц/га, К = 0,59. Опад (01) составляет 25 ц/га --- 7% от
биомассы (Ж 2). По этим показателям (01 и К) верховые болота ближе всего к тундре.
Воздух на верховых болотах содержит много фитонцидов, в том числе вредных для
человека (
запах багульника, голубики и др.). Сфагнум обладает огромной
влагоемкостью, он пропитан водой и создает на поверхности почвы "
мокрую
подушку". В самом верхнем слое вода еще содержит О2 , на глубине развиты
анаэробные условия. Разложение органических остатков протекает в сильнокислой,
почти стерильной среде, т . к . сфагнум выделяет антисептики, которые подавляют
деятельность бактерий. Это свойство сфагновых мхов использовали при перевязках
ран во время войн.
Отмершие органические остатки сохраняют органоморфную структуру. Велико
количество подстилки, которое для торфяников Васюганья превышает 1000 ц /га, т . е .
того же порядка, что и в тундре (в тайге --- сотни ц/га), и отношение подстилки к
опаду такое же, как в тундре. Следовательно, по общей массе живого вещества,
ежегодной продукции, соотношению между ними (коэффициенту К), ежегодному
опаду и величине подстилки верховое болото также ближе всего к тундре.
Книзу подстилка постепенно переходит в верховой сфагновый торф --- массу плохо
разложившихся бурых растительных волокон, в которой легко различаются отдельные
органы растений. В ходе оторфования увеличивается количество С и снижается О ---
общая направленность оторфования та же, что и углеобразования. Однако бурый
уголь в прошлые геологические периоды формировался в иных условиях и из иной
растительности: современный торф не даст угли, идентичные, например,
палеогеновым.
При разложении органических остатков Si, Al, Fe почти не минерализуются и
остаются в составе органических веществ торфа. Са, Na, Mg и К частично поступают
в болотные воды (В . Н . Ефимов). Однако разложение протекает столь медленно, что
воды содержат ничтожное количество катионов. Содержание РОВ обычно 0,05---0,1
г/л , вода имеет цвет крепкого чая. Это одни из наименее минерализованных на Земле
вод. По П . П . Воронкову, для верховых болот Карельского перешейка характерны
воды с 10 мг/л минеральных веществ, в паводок --- 5 мг/л . Сильнокислые, с рН
местами менее 4, они не содержат НСО3 -
. Встречаются и более минерализованные
воды. По минерализации воды близки к атмосферным осадкам, которые являются
источником Сl-, SО4 2- и других ионов. Содержание SО4 2-, NO3 - , NH4 + и К+ в
атмосферных осадках больше, чем в болотных водах. Следовательно, эти ионы
поглощаются из атмосферных вод растениями и закрепляются в органических
соединениях. С атмосферными осадками верховые болота Вологодской области
(средняя тайга) получают 8---11 кг N на га. Общее количество атмосферной пыли
составляет ежегодно первые сотни кг/га (Н . И. Пьявченко и Э. И . Сибирова).
На верховых болотах организмы находятся в условиях резкого дефицита водных
мигрантов и N. Только насекомоядная росянка не испытывает недостатка в азотном и
минеральном питании, т . к . обеспечивает себя N, P, K и другими элементами за счет
комаров и других насекомых. Само существование подобных растений служит
прекрасным показателем бедности верховых болот элементами минерального
питания. Таким образом, если дефицит водных мигрантов в тундре привел к развитию
" хищных" привычек у травоядных оленей, то еще больший дефицит на верховых
болотах обусловил появление "растений- хищников".
Реки и озера, расположенные среди верховых болот, имеют прозрачную
коричневую кислую воду, бедны жизнью. Озерный ил состоит из гумусовых веществ
и торфа, сапропеля нет.
Итак, геохимия верхового болота полностью определяется его биком. Слабое
разложение органических остатков на основе отрицательной обратной связи создает
незамкнутость (
разорванность) бика водных мигрантов, чрезвычайно низкую
минерализацию вод, дефицит элементов, замедляет рост растений (карликовые формы
у сосны). Верховые болота --- высшее выражение автономности, т . к . подстилающие
горные породы не оказывают влияния на ландшафт, для которого характерны низкая
самоорганизация и слабая централизация.
Биологическая продуктивность и интенсивность бика верховых болот зависит от
климата, что позволяет разделить их на отделы и семейства, хотя полного
соответствия с отделами и семействами тундры и тайги нет. Значительно яснее
вопрос о классах: существует один кислый класс (Н), и этим верховое болото резко
отличается от других типов ландшафтов. Разнообразный микрорельеф
(грядовомочажинные комплексы и др.) создает основу для выделения родов.
Геохимическая формула следующая:
Н+ O,N,P,K,Ca,Mg,Na,I,F,Cu,Co,Mo...
.
Н2О
Верховые болота занимают в России огромные площади. Сфагновый торф ---
топливо, обладающее низкой зольностью (3,5---5%) и высокой теплотворной
способностью, он также хороший изоляционный материал, используемый для защиты
трубопроводов, ледников и т . д . Из торфа изготовляют плиты и другие строительные
материалы, его используют в качестве подстилки в животноводстве, т . к . она
эластична, плохо проводит тепло, обладает высокой сорбционной способностью,
бактерицидна. Применению верховых торфяников в земледелии препятствует их
сильно кислая реакция. Торф верховых болот --- ценное сырье для химической
промышленности.
Геохимические особенности верховых болот необходимо учитывать при
гидротехническом, дорожном и другом строительстве, так как кислые, богатые РОВ
болотные воды обладают высокой агрессивностью, разрушают бетон и другие
строительные материалы.
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте бик ландшафтов тундровой группы, сравните его с биком
тайги, степей и пустынь.
2. Назовите отделы и семейства тундровых ландшафтов.
3. Охарактеризуйте геохимию мурманских ландшафтов.
4. В чем специфика засоленных ландшафтов тундры, где они распространены?
5. Назовите наиболее яркие признаки минерального голодания у представителей
флоры и фауны тундры.
6. Почему верховые болота относят к тундровой группе?
Глава 12
ПРИМИТИВНО-ПУСТЫННЫЕ ЛАНДШАФТЫ
Эти ландшафты распространены в различных климатических условиях, но
наибольшую площадь занимают в полярных районах, пустынях и высокогорьях.
Биомасса мала, основную роль в бике играют водоросли и микроорганизмы, частично
лишайники и грибы. Высшие растения отсутствуют или их число крайне ограничено.
Некоторые примитивно- пустынные ландшафты можно рассматривать как результат
деградации ландшафтов других групп под влиянием ухудшения условий
существования организмов: понижения температуры, увеличение сухости,
засоленности. Так, в сухих степях увеличение засоленности почв приводит к
образованию шоровых солончаков, лишенных высшей растительности. Понижение
температуры в начале ледникового периода привело к образованию полярных
пустынь.
Рис. 12.1. Примитивная пустыня - ландшафт соленосных гор (по А . И . Перельману). 1 ---
соляносный элювий; 2 --- соляносный пролювий; 3 --- черная соляная грязь; 4 --- соленосная
свита.
Лишайниковые и водорослевые ландшафты скал. Этот тип часто является
первой стадией развития ландшафтов на изверженных породах, которая в условиях
влажного и теплого климата скоропреходяща. Напротив, в условиях Арктики,
высокогорий и пустынь данная стадия устойчива и существует в течение длительного
времени. После микроорганизмов первыми видимыми поселенцами на скалах
являются лишайники и некоторые водоросли.
Примитивные пустыни хлоридно- сульфатного класса. Они формируются в
условиях пустынного климата и расчлененного рельефа на соленосных породах (рис.
12.1). В Азербайджане, Армении, Иране, Киргизии, Таджикистане, Узбекистане
подобные ландшафты распространены довольно широко. В этих странах многие
верхнеюрские, меловые и третичные отложения засолены. Четвертичные поднятия и
последующая эрозия вскрыли соленосные породы, растворимые соли которых
включились в современную миграцию. Соленосные пустынные горы известны в
Ферганской котловине, Таджикской депрессии, Кочкорской, Нарынской впадинах
Киргизии, долине Аракса. Ландшафт чрезвычайно своеобразен: всюду проявляется не
только размывающая, но и растворяющая деятельность воды, развивается соляной
карст, грунтовые и поверхностные воды представляют собой рассолы. Выходы
источников отмечены отложениями солей, ручьи текут в соляных ложах и имеют
соляные берега (рис. 12.2). Большая часть источников и ручьев летом пересыхает, и
их былые русла выделяются белыми лентами соли, солепадами, солевыми конусами
выноса. Кора выветривания пропитана солью, это тот редкий случай, когда даже
элювий содержит наиболее энергично выносимые соединения --- хлориды и сульфаты
натрия. Еще больше солей содержат делювий, пролювий и аллювий. Почвы сильно
засолены, на них не растут высшие растения, только кое- где по понижениям
встречаются редкие солянки. Типоморфные элементы автономного ландшафта --- Na,
Cl, в меньшей степени S (в форме SО4 2-), почва --- остаточный литогенный солончак,
образование которого не связано с накоплением солей из грунтовых вод.
Подчиненные ландшафты представлены соляными ручьями, озерами и солончаками,
соленакопление в понижениях рельефа особенно мощно. Воздух содержит соленую
пыль, которая создает соляную мглу. Таким образом, и автономный, и подчиненный
элементарные ландшафты характеризуются одними и теми же типоморфными
элементами --- это ландшафт с низкой геохимической контрастностью.
Рис. 12.2. Сухое русло в соляносных горах. Весной здесь протекает соляный ручей. Фото
С.Г. Батулина.
В сельском хозяйстве соленосные горы не используются, но представляют интерес
как соляные месторождения и курорты.
Даже в условиях пустынного климата соленосный автономный ландшафт
неустойчив, он геологически быстро переходит в другие типы. Так как для
соленосных отложений характерна ассоциация каменной соли с пластами гипса и
ангидрита, то в результате выноса из коры выветривания NaCl в коре относительно
накапливается гипс. В результате на многих соляных месторождениях образуется
" гипсовая шляпа". После выноса NaCl меняется и химический состав вод ---
минерализация их резко уменьшается, они становятся сульфатнокальциевыми. В
таких ландшафтах развита пустынная или степная растительность, типоморфными
ионами являются Са2+ и SО4 2-
. Это степные или пустынные, но не примитивно-
пустынные ландшафты.
Соляные озера и шоровые солончаки (примитивные пустыни с хлоридно-
сульфатными и соленосно- сульфидными классами водной миграции). Соляные озера
содержат более 3,5% солей. Озера, содержащие 0,1---3,5%, называются солоноватыми.
По характеру засоления выделяются три основных типа --- содовый, сульфатный
(наиболее распространенный) и хлоридный. Накапливаются и редкие элементы
испарительной концентрации. При высокой концентрации солей в воде
существование высших растений невозможно. Значительно выносливее водоросли,
которые развиваются во многих соляных озерах. К высокому содержанию солей
приспособились рачки и другие животные. Отмирая, эта органическая масса
поступает на дно, где в анаэробном разложении большую роль играют
сульфатредуцирующие бактерии (гл. 4, 8). Выделение Н 2S местами столь значительно,
что воздух над озером также обогащается этим газом. Содержание органических
веществ в илах обычно невелико --- 1---5%, для них характерно высокое содержание
коллоидов (
до 20%). Черные (
от гидротроилита) соляные грязи с запахом
сероводорода имеют большое бальнеологическое значение, многие известные
грязевые курорты используют именно такую грязь, добываемую со дна озера или из
солончаков, где также развита десульфуризация (Сакское озеро в Крыму, озеро
Эльтон в Прикаспийской низменности, Одесские лиманы, солончак Оксукон в
Ферганской долине, Тамбуканское озеро около Пятигорска и др.). Лечебные грязи
характерны для пустынь и степей, во многих районах могут быть созданы новые
грязевые курорты.
Рис. 12.3. Общая схема галогенеза в современных озерах засушливой зоны; Кс --
процентное содержание Na2 CO3 в солевой массе (по Н. М . Страхову):
I--содовыеозера(а --сильносодовые--Кс>30%,б--умеренносодовые--Кс30=3%,в --
слабо содовые -- Кс < 3%); II -- сульфатные озера (а -- натриево- магниевые, а 1 -- магниево-
натриевые, б -- натриево- магниево- кальциевые, в -- магниево- кальциевые); III -- хлоридные
озера с NaCl, MgCl2 CaCl2 ; 1 -- карбонатная стадия, 2 -- сульфатная стадия, 3 -- хлоридная
стадия, 4 -- сульфатные осадки, сильно загрязненные примесями соды, 5 -- галит, сильно
загрязненный примесями сульфатов натрия.
При особо высокой концентрации солей в воде последние в ходе испарения
откладываются на дне, образуя пласты соли (самосадочные озера). При этом
происходит закономерное изменение состава воды и осадков, подчиняющееся
сложным физико- химическим закономерностям (рис. 12.3). Особенно разнообразен
состав солей в тех районах, где солесборная площадь сложена легковыветриваемыми
породами, где для нее характерны горячие глубинные источники, вулканическая
деятельность (современная или древняя), месторождения полезных ископаемых,
содержащие легкоподвижные элементы.
Соляные озера, приуроченные к соляным куполам, особенно богаты поваренной
солью и содержат крупные промышленные ее запасы (например, озера Эльтон и
Баскунчак). Некоторые соляные озера содержат воду только весной или в начале лета,
с наступлением летней жары они пересыхают и превращаются в шоровый солончак.
Поверхность последнего покрыта белой, слепящей глаз коркой соли, местами
растрескавшейся и вздувшейся. Геохимически своеобразны шоровые солончаки над
нефтяными месторождениями. Подземные воды, связанные с нефтяными залежами,
обычно сильно минерализованы, содержат много хлоридов и мало сульфатов,
обогащены J, Ra и другими редкими элементами, содержат специфические
нафтеновые кислоты и другие органические соединения. При испарении таких вод на
поверхности образуются шоровые солончаки с пониженным содержанием сульфатов,
которые сильно разрушены сульфатредуцирующими бактериями. Содержание
хлоридов, битумов, иода, нафтеновых кислот, напротив, повышено. Так, над
нефтяной залежью образуется ореол рассеяния, обнаружение которого помогает
искать нефтяные месторождения.
Горячие подземные воды, связанные с вулканизмом, содержат повышенные
количества В , Li, W и других редких элементов, которые в пустынях накапливаются в
озерах и солончаках. Таково уникальное соляное озеро (солончак) Серлз в
Калифорнии, рассолы которого содержат Li, B, K, Br, W, As, F, Sb и другие редкие
элементы. Преобладающим минералом является NaCl, но много также Na2 CO3 , pH
рапы 10,5, Еh = ---0,5В . Это содово- сероводородный класс водной миграции.
Источник солей в озере --- третичные осадочно- вулканогенные породы и гидротермы.
Таким образом, геохимические классы, роды и виды ландшафтов солончаков и
соляных озер тесно связаны с геологическим строением территории и не только
испарительная концентрация пресных вод обогащает ландшафт солями. В ряде
случаев основной их источник залегает на большой глубине, а поступление элементов
в ландшафт происходит по разломам. Типоморфными элементами соляных озер и
шоровых солончаков являются Na, Cl, S, местами В, К , Mg и другие элементы. Для
ряда ландшафтов этого типа к числу типоморфных соединений относится и Н2S.
По обеспеченности бика водными мигрантами соляные озера и шоровые солончаки
--- геохимические антиподы полесских ландшафтов. Там низкая биологическая
продуктивность определялась недостатком водных мигрантов, здесь --- избытком.
Геохимическая формула соляных озер и шоровых солончаков:
Na, Сl (SO4 2-, H2S...)
...
Na, Cl, SO4 2-, H2S, B...
Гамады и такыры. Очень низка также интенсивность бика в крайне аридных
азиатских регионах, где распространены наиболее безжизненные каменистые пустыни
--- гамады. Обычно их плоская или слабонаклонная поверхность лишена высшей
растительности и покрыта слоем черного от пустынного загара щебня. Под светлыми
кварцевыми обломками, пропускающими свет, встречаются зеленые водоросли. Под
щебнем залегает карбонатная пористая корка и подкоровый гипсовый горизонт,
иногда со скоплениями легкорастворимых солей. Соли имеют либо субаэральное,
либо реликтовое гидроморфное происхождение.
В глинистых пустынях депрессии рельефа с глубоким уровнем грунтовых вод
нередко заняты такырами, на которых периодически застаиваются атмосферные
воды. Высшей растительности здесь нет, и бик связан с лишайниками и водорослями,
биогенная аккумуляция не выражена. Верхняя плотная корка такыров может
выступать в качестве сорбционного барьера G3---G4. Такыры обычно солончаковаты,
в них имеется гипсовый горизонт (испарительный барьер F3---F 4, реже F7---F 8).
Вулканические ландшафты солянокислого класса. После извержений вулканов в
течение длительного времени происходит выделение Н2О, HCl, H2S, CO2 , SO2 и
других газов. Часть их непосредственно выделяется в атмосферу, а часть, растворяясь
в подземных водах, определяет существование кислых термальных источников. В
Курильской гряде в районе вулкана Эбеко на острове Парамушир К . К. Зеленов
обнаружил чрезвычайно интересный комплекс геохимических явлений. Вода
термальных источников здесь имеет рН = 0,20---1,0 и солянокислый состав (Cl--- до 45
г/л). Подобные воды глубоко изменяют вмещающие породы, из которых извлекаются
Fe, Al, Ti, Ca, Mg, Na, K и другие элементы, происходит обеление пород, в них
остается почти чистый SiO2 . Термальные воды содержат до 3 г/л Al и 1---0,5 г/л Fe,
они обогащены Ti. Воды ручьев, рек и озер солянокислые, богатые Al и Fe (рН р.
Юрьева --- 1,72). В реках и озерах за счет разбавления атмосферными осадками и
других причин постепенно происходит уменьшение кислотности. В озерах осаждается
лимонит, образуются руды Fe. Частично лимонит осаждается и на выходах
источников (А 1). Al остается в растворе и выносится реками в Охотское море, в
щелочной среде которого образуется коллоидная взвесь --- Al(OH)3 (D1). Анализ
взвеси недалеко от устья р. Юрьева показал, что она на 89% состоит из Al2О3 (не
считая морских солей и гидратной воды). Такие ландшафты солянокислого класса,
хотя и не занимают больших площадей, широко распространены в вулканических
областях. Типоморфными элементами здесь являются Н + , Cl-, Al3+, Fe3+, Fe2+. В период
вулканических извержений воздух обогащен СО2 (над кратерами его содержание
иногда более 10%), идут кислые дожди (атмосферные осадки имеют рН = 2,5---4,5).
Вулканические ландшафты с сильнокислыми водами с позиций геохимии
ландшафта не изучались: не изучен бик, зональные различия. Несомненно, во
влажных тропиках, пустынях, Арктике эти ландшафты не одинаковы. Исключительно
интересны особенности организмов, так как отбор на химической основе здесь
должен быть выражен очень резко. Во многие геологические эпохи подобные
ландшафты были распространены шире, чем в настоящее время, их роль в
рудообразовании (Al, Fe) и развитии жизни, вероятно, была значительной. Изучение
бика и водной миграции в вулканических областях --- актуальная задача геохимии
ландшафта.
Биогенные ландшафты вечных снегов. Красный, зеленый, желтый, коричневый и
прочий цветной снег встречается на Новой Земле, Земле Франца- Иосифа, в других
районах Арктики, в зоне вечных снегов Кавказа, Алтая, Камчатки. Пятна
окрашенного снега занимают десятки квадратных метров, квадратные километры. Это
явление вызвано водорослями, грибами и бактериями. Большую часть времени они
бездействуют, но стоит только оттаять верхнему слою снега, как начинается бик ---
бурное их размножение, образование и разложение органического вещества. В
результате талая вода обогащается СО2 , органическими соединениями. Естественно,
что биологическая продуктивность ничтожна, организмы находятся в слишком
неблагоприятных условиях (низкие температуры, бедность минерального питания).
Ландшафт близок к абиогенным ландшафтам вечных снегов и льдов.
Контрольные вопросы
1. Каковы особенности бика примитивных пустынь?
2. Охарактеризуйте геохимию ландшафтов соленосных гор, где они
распространены, почему у них низка геохимическая контрастность?
3. В чем специфика геохимии шоровых солончаков, каковы их разновидности в
районах нефтеносных структур?
4. Какова роль шоровых солончаков и соленых озер в бальнеологии?
5. Охарактеризуйте геохимию примитивных пустынь вулканических районов.
6. Что такое "красный снег"?
Глава 13
АБИОГЕННЫЕ ЛАНДШАФТЫ
Современные абиогенные ландшафты. В природных условиях центральных
частей Антарктиды, Гренландского ледяного щита, наиболее высоких вершин
Гималаев и других хребтов бик не возможен. Эти ландшафты относятся к
абиогенному ряду. Отсутствие бика не исключает продукты всей биосферы Земли ---
кислородной атмосферы, известняков и других осадочных пород. Для таких
абиогенных ландшафтов характерна важнейшая особенность всех земных ландшафтов
--- взаимопроникновение атмо-, лито- и гидросферы. Главнейшее значение имеют
агрегатные преобразования воды: водяной пар жидкая вода лед. Возможны и другие
химические процессы, но число их невелико, реакции относительно просты.
Энергетика абиогенных ландшафтов примитивна, их однообразие говорит о малом
количестве информации самой простой ее формы --- неорганической информации.
Абиогенные ландшафты катархея и планет земной группы. Формирование
ландшафтов предположительно началось еще до появления жизни на Земле,
гипотетический абиогенный этап продолжался сотни миллионов лет. Изучение
атмосферы планет, анализ других данных позволили сделать вывод, что первичная
атмосфера Земли не содержала или почти не содержала О2 и в основном состояла из
Н2О,СО2иN
Н 3 . Так как в автономных и подчиненных позициях была
восстановительная среда, то ландшафт в целом отличался низкой геохимической
контрастностью, однообразием, т . е . малым количеством информации.
Космические исследования выявили разнообразие ландшафтов планет земной
группы и спутников Юпитера. В зависимости от рельефа и состава горных пород
среди них можно выделить роды и виды, аналогичные земным, но таксоны более
высокого ранга, очевидно, принципиально различны в связи с отсутствием или иным
составом атмосферы. Намечаются следующие группы абиогенных ландшафтов: с
окислительной атмосферой (
современные земные); с восстановительной
атмосферой (современные ландшафты Венеры и Марса, вымершие земные); без
атмосферы и гидросферы (ландшафты Луны, Меркурия, астероидов).
Абиогенные ландшафты примитивны, для них не характерна самоорганизация и
многие другие признаки больших систем. Наиболее примитивные ландшафты вообще,
вероятно, не подходят под определение системы, скорее это лишь совокупность
различных, не связанных между собой частей (без организации). Абиогенные
ландшафты Земли относятся к весьма примитивным системам.
В лунных ландшафтах нет атмосферы и гидросферы, но разрушение пород за счет
ударов метеоритов, резких контрастов дневных и ночных температур происходит,
имеют место и ядерно- химические процессы при взаимодействии пород с
космическим излучением. В результате образуется мелкоземистый покров --- реголит.
В нем обнаружены изотопы 3 Не, 20Ne, 22Na, 26Al, следы Fe, Si, Ti в элементарной
форме. Для поверхности Луны характерны многочисленные кольцевые структуры ---
метеоритные кратеры (300 000 кратеров диаметром более 1 км). Многие из них очень
древние --- образовались около 4 млрд. лет назад.
По размеру Венера близка к Земле, но резко различна в геохимическом отношении.
Плотная атмосфера Венеры состоит почти полностью из СО2 (97%). С этим связывают
парниковый эффект --- температура венерианской поверхности около 500о .
Гидросфера в таких условиях невозможна, но загадочно практическое отсутствие
водяных паров в атмосфере. Облачный покров Венеры на высоте 50---70 км содержит
капельки серной кислоты. Как и для Луны, для Венеры характерны древние
метеоритные кратеры, но есть и другие формы рельефа --- высокие плато, горные
хребты, депрессии, вулканы.
Коренным образом изменились представления о ландшафтах Марса, т . к . отпали
гипотезы о существовании "каналов", растительного покрова. Открыты грандиозные
вулканы, рифты, каньоны, извилистые долины, напоминающие речные. По ударным
кратерам Марс напоминает Луну, марсианская атмосферы крайне разрежена (0,01
земного давления) и , как на Венере, в основном состоит из СО2 (95%). Далее идут Ar
и N, доли процента Н 2О и О2 . В суровом климате планеты белые полярные шапки
состоят из льда СО2 , но частично и из Н 2О. На Марсе наблюдались пыльные бури,
характерны эоловые отложения, предполагается многолетняя мерзлота. Красный цвет
поверхности позволяет характеризовать ландшафт как к расноцветную холодную
пустыню.
Самая близкая к Солнцу планета --- Меркурий за счет многочисленных кратеров
имеет лунный ландшафт. Открыты также узкие долины и хребты. Разреженная
атмосфера состоит из инертных газов.
Сенсацией стало открытие интенсивного вулканизма на крупном спутнике
Юпитера --- Ио, лавы которого состоят из S.
Контрольные вопросы
1. Назовите принципиальные отличия абиогенных ландшафтов Земли от
ландшафтов других планет Солнечной системы.
2. В чем состоит отличие ландшафтов Луны и Меркурия от ландшафтов Венеры
и Марса?
Часть III
Палеогеохимия и историческая
геохимия ландшафта
Глава 14
ПРЕДМЕТ, МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ПАЛЕОГЕОХИМИИ
И ИСТОРИЧЕСКОЙ ГЕОХИМИИ ЛАНДШАФТА
Во многих регионах ландшафты пережили сложную историю, развиваясь
непрерывно в течение миллионов и десятков миллионов лет. За это время
неоднократно менялись климат и тектонические условия, эволюционировал
органический мир. В этой связи важны идеи Б .Б. Полынова о первых этапах
развития ландшафтов, о реликтовых признаках в ландшафтах, циклах
формирования коры выветривания. Еще в 1925 г . ученый писал, что в каждом
ландшафте имеются реликтовые части --- наследие былых геологических эпох,
иных климатических и тектонических условий. Изучая эти реликты, можно
восстановить историю ландшафта, лучше понять его современное состояние.
Поэтому историзм --- один из важнейших методологических принципов геохимии
ландшафта. В работах учеников и последователей Полынова подобный подход
получил дальнейшее развитие. Так, историко-эволюционный принцип положен
В.А . Ковдой в основу классификации почв, в которой выделялись почвы с
реликтовыми признаками, былой гидроморфной или автоморфной стадией
развития. М.А. Глазовская рассмотрела геохимическую историю ландшафтов
Киргизии, Казахстана и Австралии. А.И. Перельман установил историко-
геохимические особенности ландшафтов Средней Азии, охарактеризовал
основные этапы и закономерности развития геохимических ландшафтов, составил
историко-геохимическую ландшафтную карту СССР, палеогеохимические карты
миоцена и других эпох. Гипергенные процессы четвертичного периода изучены
В.В. Добровольским. Н.С. Касимов изучил геохимию мезозойских и кайнозойских
ландшафтов Казахстана. Ценные исследования выполнены К .И. Лукашевым и его
школой по исторической геохимии ландшафтов Белоруссии, Т .Т. Тайсаевым ---
Бурятии. Этот опыт показал, что палеогеохимический ландшафтный анализ
эффективен только в тесной увязке с данными стратиграфии, литологии,
тектоники, палеогеографии, т . е. представлениями о геологическом строении и
геологической истории региона.
В геохимии ландшафта исторический подход разрабатывается в двух
направлениях: историческая геохимия ландшафта изучает эволюцию
современных ландшафтов, а палеогеохимия ландшафта --- особенности прошлых
геологических эпох. Те или иные аспекты палеогеохимии ландшафтов
неоднократно освещались в трудах геохимиков и географов, однако на основе
методологии геохимии ландшафта эти вопросы стали трактоваться лишь в
последние десятилетия.
Палеогеохимия и историческая геохимия ландшафта помогают решению ряда
теоретических проблем географии, геологии и биологии. Прежде всего это
геохимическая и общетеоретическая классификация ландшафтов. Многие
ландшафты прошлых эпох неизвестны в современном ландшафтном покрове
Земли. К ним относятся псилофитовые ландшафты нижнего палеозоя,
палеофитные лесные влажные тропики среднего и верхнего палеозоя, мезофитные
тропики верхней перми --- нижнего мела, тундростепи четвертичного периода,
красноцветные и многие другие ландшафты. Это все "вымершие ландшафты", их
изучение также важно для географии, как для биологии изучение вымерших
представителей флоры и фауны. Значение подобных исследований не
ограничивается систематикой, оно необходимо для понимания многих
особенностей современных ландшафтов, для решения практических задач.
Велико значение палеогеохимии ландшафта для палеогеографии и
исторической геологии. О необходимости "геохимизации" последней писал еще
А.Е. Ферсман, установивший понятие о геохимических эпохах. Своеобразная,
неповторимая геохимия былых ландшафтов создавала особые условия
осадкообразования и рудообразования, что определяет значение палеогеохимии
ландшафта для литологии и науки о полезных ископаемых. Наконец, в былых
ландшафтах создавались особые геохимические условия видообразования.
Поэтому геохимический анализ факторов
эволюции
представляет
исключительный интерес для биологии. Такие явления, как быстрое развитие
пресмыкающихся в мезозое, млекопитающих --- в кайнозое, формирование состава
скелета, крови, нервной системы могли быть связаны с геохимическими
особенностями палеоландшафтов. Анализ эволюции жизни с палеогеохимических
позиций придает исследованию необходимую конкретность. Палеогеохимический
анализ позволяет установить роль геохимических факторов в этногенезе, глубже
осмыслить геохимическую деятельность человечества --- техногенез.
Важное прикладное значение палеогеохимии и исторической геохимии
ландшафта связано с повышением эффективности поисков рудных
месторождений, многие из которых были вскрыты эрозией в различные эпохи
фанерозоя. За прошедшее время неоднократно менялись климатические и
тектонические условия, в древних корах выветривания и других зонах
выщелачивания интенсивность ореолов уменьшалась, а на геохимических
барьерах возникали безрудные аномалии. В результате тектонических поднятий
ореолы частично или полностью эродировались, а при опусканиях перекрывались
осадками и деформировались эпигенезом. В аридные эпохи на ореолы влияло
засоление. Все это определило сложность формирования вторичных ореолов
рассеяния месторождений. Некоторые ореолы, хотя и производят впечатление
остаточных, в действительности представляют собой сильно деформированные
образования. Поэтому оценка геохимических аномалий должна быть основана не
только на анализе современных ландшафтных условий, но и на понимании
истории их развития, изучении геохимических особенностей палеоландшафтов
рудных провинций.
В палеоландшафтах формировались россыпи золота, руды меди, урана, железа,
никеля, кобальта и других металлов, угольные залежи и другие полезные
ископаемые. Для выяснения их генезиса, для прогнозирования месторождений,
ответа на вопрос --- где искать, также необходим палеогеохимический
ландшафтный анализ.
14.1. Прямые методы исследования
Эти методы состоят в изучении геохимических реликтов --- ассоциаций
химических элементов, возникших в ландшафтах прошлых эпох. Такие
ассоциации характерны для ископаемых почв, древних кор выветривания,
континентальных отложений, ископаемых остатков флоры и фауны, подземных
льдов и вод. Важен также анализ геохимических реликтов в современных
ландшафтах --- в реликтовых почвенных горизонтах, растениях и животных, в
древних корах выветривания. Примерами геохимических реликтов служат
аккумуляции С, N, Н в ископаемых гумусовых горизонтах, S, Са, Na, Sr, Mg в
гипсовых, кальцитовых и других реликтовых солевых горизонтах почв степей и
пустынь, Fe, Mn, Ba и Со --- в железисто- марганцевых аккумуляциях древних кор
выветривания. Особенно важно изучение геохимических реликтов в областях с
длительной историей континентального развития (Урал, Восточная Сибирь,
Казахстан, Центральная Азия, Австралия, Африка, Индия), где реликты
оказывают большое влияние на геохимию современных ландшафтов.
Ископаемые почвы. Если в первой половине ХХ столения ископаемые почвы
были известны преимущественно в четвертичных отложениях, то позднее в
Средней Азии были открыты неогеновые, в Казахстане --- неогеновые,
палеогеновые и меловые, в европейской России --- триасовые, пермские и
каменноугольные, в Восточной Сибири --- юрские почвы (М.Ф. Веклич, А.А .
Величко, И.П. Герасимов, Н.С. Касимов, А.И. Перельман, Ю.Г. Цеховский, В.И.
Чалышев и др.). Среди продуктов древнего почвообразования выделяются
ископаемые (
погребенные) почвы, реликтовые почвы, педолиты ---
неперемещенные горные породы, литолого- геохимические свойства которых
возникли в результате почвообразования и его последующего изменения
эпигенетическими (
наложенными) процессами. К педоседиментам относят
переотложенный материал древних почв и педолитов, сохранивший свойства,
приобретенные при былом почвообразовании. От других горных пород
ископаемые почвы и педолиты отличаются присущими им генетическими
горизонтами, новообразованиями, совмещением "
запрещенных" минералого-
геохимических свойств (засоленность кислой каолинитовой почвы и др.).
При изучении ископаемых почв наряду с литолого-фациальным анализом
используется почвенно- генетический метод, позволяющий выделить в
континентальных отложениях горизонты, измененные выветриванием и
почвообразованием, устанавливать их аналогию с современными почвами. Однако
традиционные литолого-фациальный и почвенно- генетический методы не
способны раскрыть всю сложность и своеобразие педолитов, сочетающих в себе
горную породу и фоссилизированную биокосную систему --- почву. Необходимо
еще учитывать эпигенетические изменения в породах и почвах после их
захоронения и дальнейшего обнажения. Это дает лишь сочетание литолого-
фациальных и почвенно- генетических методов с методами геохимии
эпигенетических процессов (А.И. Перельман). Применительно к ископаемым
почвам и педолитам подобный подход можно назвать педолитологическим. Кроме
описания конкретных педолитов необходимо изучение палеокатен, позволяющее
восстановить былую латеральную миграцию химических элементов.
Древние коры выветривания и континентальные отложения. Многие
особенности истории ландшафтов находят отражение в составе древних кор
выветривания (
рис. 14.1), зависимость которых от климатических и
геологических условий изучена хорошо (И.И. Гинзбург, В.П. Петров, В.В .
Добровольский, Б.П. Михайлов и др.). Слабее изучено изменение древних кор в
результате смены ландшафтно- геохимических условий. Наиболее четки
проявления такого эпигенеза в каолинитовом элювии при аридизации климата
(рис. 14.1). Другим широко распространенным индикатором былых ландшафтно-
геохимических условий являются континентальные отложения, в составе
которых отражены многие геохимические особенности областей сноса и
аккумуляции (Б. Б. Полынов, Н.М . Страхов и др.). Для палеогеохимической
индикации наиболее информативны глинистые и суглинистые отложения.
Геохимические реликты флоры и фауны. Геохимические особенности
организмов прошлых геологических эпох изучает палеобиогеохимия,
зародившаяся в начале ХХ столетия благодаря трудам В.И. Вернадского и его
ученика Я .В. Самойлова. Эти вопросы познают, анализируя ископаемые
растительные и животные остатки, --- углефицированную древесину, раковины и
т .д. Хотя во многих случаях концентрация элементов произошла уже после
захоронения --- в результате диагенеза и эпигенеза, все же удается установить и
чисто биогенную составляющую элементного состава. Важен химический анализ
и современных представителей флоры и фауны, т . н . "живых ископаемых" ---
реликтов былых эпох. Например, в уссурийской тайге такими реликтами являются
женьшень, лимонник, амурский бархат, тигр и другие представители флоры и
фауны, унаследованные от влажных субтропиков неогена. В химическом составе
папоротников, хвощей, секвойи, гингко могут отражаться многие геохимические
особенности ландшафтов эпох видообразования.
Особое внимание при палеобиогеохимических исследованиях привлекают
" критические эпохи", когда вымирали целые систематические группы флоры и
фауны, а также эпохи быстрого развития новых систематических групп. Таковы
вымирание многих земноводных и папоротникообразных в конце палеозоя,
ящеров в конце мела, бурное развитие покрытосеменных в ту же эпоху, развитие
млекопитающих в палеогене и т .д. Действие геохимических факторов сочеталось
с влиянием тепла, света, влаги, однако вряд ли можно сомневаться в большой
роли именно геохимических условий, на изучение которых должны быть
Ð èñ. 14.1. Îãèïñîâàíèå äðåâíåé ìåçîôèòíîé êîðû âûâåòðèâàíèÿ â Êàçàõñòàíå ïðîòåêàëî äî
îòëîæåíèÿ ÷åòâåðòè÷íîãî ïðîëþâèÿ (ïî Í.À. Øìåëüêîâîé):
1 --- ÷åòâåðòè÷íûé ïðîëþâèé; 2 --- äðåâíÿÿ êîðà âûâåòðèâàíèÿ; 3 --- îãèïñîâàíèå; 4 --- ãðàíèöà îãèïñîâàíèÿ
обращены согласованные усилия геохимиков- ландшафтоведов и биогеографов.
14.2. Косвенные методы исследования
Эти методы основаны на корреляции физико- географических и геохимических
особенностей ландшафтов. Например, если в прошлом установлено преобладание
горного рельефа, то вполне закономерен вывод об энергичной водной миграции,
малой минерализации вод, господстве в них окислительной среды, преобладании
механической миграции. Когда палеогеографы доказали, что в Средней Азии в
начале юрского периода широко были распространены лесисто-болотистые
тропические низменности, то отсюда следовал вывод о кислом глеевом классе
водной миграции, большой роли РОВ, дефиците многих элементов, особой
геохимической обстановке видообразования. Это позволяет наметить характерные
геохимические особенности флоры и фауны, виды геохимических барьеров. Таким
образом, косвенные методы основаны на установленных связях между
геохимическими особенностями ландшафтов и климатом, тектоникой,
вулканизмом, многолетней мерзлотой и другими природными факторами.
Эргодическая теорема и сравнительно- исторический метод. Разработка этой
теоремы связана с именами австрийского физика Л . Больцмана, американского
математика Г. Киркгофа и российского математика А.Я. Хинчина. Ее значение для
географии подчеркнул Ю.Г. Симонов. Согласно эргодической теореме при
изучении исторической последовательности событий можно использовать
закономерности пространственного размещения систем: системы, которые
граничат в пространстве, могли сменять друг друга во времени.
С эргодической теоремой тесно связан сравнительно- исторический метод,
который лежит в основе историко- генетического анализа. Применительно к
палеогеохимии ландшафта этот метод позволяет рассматривать современные
мерзлотные ландшафты Витимского плоскогорья Забайкалья в качестве модели
плейстоценовых ландшафтов Северного Казахстана, современные ландшафты
Гоби в Монголии в качестве модели Кызылкумов в ледниковую эпоху. Данный
метод учитывает как сходство современных и древних ландшафтов, так и их
различия, необратимость эволюции биосферы. Важное значение приобрело
выделение особых временных рядов --- эволюционных ландшафтных формаций
крупных этапов геологической истории. Аналогичный подход характерен и для
биологии, где разрабатывается представление об эволюционно-биологических
формациях (Завадский, Колчинский), и литологии, где используется понятие
" эволюционный период", объединяющий парагенетические ассоциации одного
климатического типа литогенеза (Ерофеев, Цеховский).
Для выделения ландшафтных формаций важны представления о трех основных
этапах развития растительности в фанерозое --- палеофите, мезофите и кайнофите.
К эволюционным ландшафтным формациям принадлежат, например,
палеофитные, мезофитные и кайнофитные влажные тропики с вестфальской,
гелинденской, полтавской и другими флорами. Ландшафтные формации можно
выделить и среди бореальных лесных, степных и пустынных типов ландшафтов.
Более древние типы состоят из трех и более формаций, более молодые --- степи,
тундра, формирование которых происходило в неогене и четвертичном периоде ---
из одной или двух формаций.
Принцип актуализма. В географии палеоландшафтные реконструкции ранее
практически не выходили за рамки четвертичного периода и вопрос о
применимости принципа актуализма не поднимался. При восстановлении
геохимии ландшафтов неогена, палеогена и более древних эпох возникает вопрос
о пределах актуалистического подхода. Основная полемика развернулась в
биологии и геологии, где высказывались противоположные точки зрения.
Большинство ученых различает униформизм --- мировоззрение, базирующееся на
утверждении постоянства причин и основных законов развития, от актуализма ---
метода познания геологического прошлого. При этом униформизм отвергается как
теоретическая концепция и сохраняет значение как частный случай.
Представляется, что главное внимание следует уделять выяснению оптимальных
границ применения принципа актуализма к косным, живым и биокосным
системам.
С момента заселения суши растениями на геохимию ландшафтов все большее
влияние стало оказывать живое вещество. С той или иной вероятностью
актуалистический метод применим с рифея. Для более ранних этапов развития
биосферы метод актуализма менее достоверен. Наиболее уверенно можно его
использовать для второй половины кайнозоя, когда появились все основные типы
современных ландшафтов и соотношение О2 и СО2 в атмосфере стало
приближаться к современному. Это не отрицает возможности реконструкции
многих геохимических особенностей и более древних ландшафтов. Именно
геохимические реконструкции, основанные на постоянстве свойств химических
элементов, характере химических реакций и минералообразования, являются
наиболее достоверными для докайнозойской истории ландшафтов.
Необратимая эволюция биосферы определяет значительные методические
трудности при выявлении современных аналогов древних почв. Однако
постоянство внутренних факторов миграции химических элементов, т . е . их
свойств, распространенности и механизмов гипергенных процессов, по крайней
мере в течение фанерозоя, создает предпосылки диагностики генетических типов
ископаемых почв на основе концепции элементарных почвенных процессов (ЭПП)
или направлений почвообразования (Глазовская, Герасимов). Такие элементарные
процессы, как оглеение, засоление, оруденение, свойственны и для кор
выветривания, континентальных отложений, водоносных горизонтов. Поэтому по
аналогии с почвами целесообразно говорить об элементарных эпигенетических
процессах (ЭЭП). В педолитах ЭПП и ЭЭП накладываются друг на друга и могут
иметь одну и ту же или разную направленность. Их сочетание позволяет
реконструировать более сложную систему --- древнюю почву, проводить ее
генетическую диагностику и намечать пути эволюции.
По И .П. Герасимову, каждый генетический тип почв характеризуется
определенным сочетанием ЭПП. С другой стороны, генетическим типам почв в
соответствии с формулой "свойства почвы --- почвенные процессы --- факторы
почвообразования" соответствуют определенные типы ландшафтов. В связи с
этим применение концепции ЭПП и ЭЭП к ископаемым почвам позволяет
реконструировать многие геохимические процессы древних ландшафтов.
Климаты прошлого и палеогеохимическая зональность ландшафтов.
Ландшафтная зональность в прошлые эпохи отличалась от современной. Так, в
верхней перми простирание зон в западной половине России было
субмеридиональным, на месте современных тундр и тайги были аридные
ландшафты. Начиная с верхнего мела, зоны приобрели субширотное простирание,
но типы ландшафтов отличались от современных. В верхнем мелу, палеогене и
миоцене не было тайги и тундры, преобладали теплые субтропические и
умеренные климаты, с характерными для них лесными ландшафтами, саваннами.
По крайней мере до конца миоцена содержание СО2 в атмосфере значительно
превышало современное. Это определяло на основе парникового эффекта не
только распространение более теплых климатов, но и более интенсивный
фотосинтез, более кислую реакцию вод, энергичную миграцию металлов,
усиление карста.
Вулканизм. Его активизация неоднократно происходила в фанерозое.
Огромное значение при этом имели глобальные повышения содержания СО2 в
атмосфере и уменьшение количества О2, а также региональные последствия:
поступление в ландшафты лавы, пеплов, гидротерм, газообразных продуктов
извержений. В некоторых вулканических ландшафтах формировались
своеобразные "вулканогенно- осадочные" рудные и нерудные месторождения, во
многих --- аномалии элементов, не характерные для соседних ландшафтов --- F,
Sb, As, Se, W, Li и других. На территории России усиление вулканизма было в
среднем девоне, конце карбона, начале перми, конце триаса, менее значительное
--- в середине мелового периода и неогене.
Влияние континентального вулканизма на палеогеохимию ландшафтов изучено
еще слабо и при анализе истории конкретных регионов, как правило, не
учитывается. Необходимо в отложениях таких эпох искать проявления
вулканизма, правильно оценивать их роль при прогнозировании месторождений,
геохимических поисках и решении других прикладных вопросов.
Тектоника. Тектонические поднятия благоприятствуют процессам окисления,
опускания --- восстановления. В геологической истории конкретного региона
поднятия и опускания нередко сменяли друг друга, что определяло наложение
различных процессов. Поэтому характеристика тектонических движений,
особенно неотектонических, обязательна при палеогеохимическом ландшафтном
анализе.
Самостоятельным и важным объектом исследований являются зоны разломов,
которые нередко сохраняются на протяжении геологических периодов и даже эр,
то"
залечиваясь", то обновляясь. К разломам приурочены многие рудные
месторождения, разгрузка глубинных вод, особые геохимические ландшафты
(Н.Ф. Глазовский, Н.С. Касимов). Поэтому при палеогеохимическом ландшафтном
анализе обязателен учет истории зон разломов, эволюции характерных для них
ландшафтов.
Мерзлотные процессы (криогенез). В эпохи четвертичных оледенений
многолетняя мерзлота распространялась шире, чем в современную эпоху: в
Казахстане ее южная граница располагалась примерно на широте оз. Балхаш.
Широко она была распространена и в европейской России. С криогенезом связаны
различные явления криотурбаций, пучения, формирования сульфатных зон
окисления рудных месторождений, тектонические нарушения и т .д. При
исследованиях в немерзлотных районах необходимо учитывать роль былого
криогенеза, выявлять его участие в концентрации элементов, оценивать
последствия.
14.3. Типы геохимической эволюции ландшафтов
(в зависимости от изменения климатических и тектонических условий)
По влиянию на геохимические особенности ландшафтов все разнообразие
климатов можно условно объединить в 4 крупные группы:
1. Гумидные теплые --- тропические, субтропические и умеренные.
2. Гумидные холодные --- таежные, тундровые, горнолуговые и другие.
3. Аридные теплые климаты саванн, субтропических и бореальных степей и
пустынь.
4. Аридные холодные климаты холодных степей, тундростепей и
перигляциальных степей, высокогорных пустынь и др.
В соответствии с приведенной систематикой изменение климатических условий
возможно в направлении похолодания, потепления, аридизации и гумидизации.
Изменение тектонических условий приводило к поднятиям (+) и опусканиям (-). В
первом случае формировался расчлененный рельеф, усиливались водообмен,
эрозия почв и кор выветривания, окислительные процессы. При опусканиях
происходила пенепленизация рельефа, усиливалась аккумуляция осадков,
уменьшалась роль окислительных и увеличивалась роль восстановительных
процессов, ослаблялся водообмен, захоронялись почвы и коры выветривания.
Основные типы эволюции ландшафтов, обусловленные изменениями климата и
тектоники, показаны в таблице 14.1. В строках матрицы обозначены начальные
этапы климатической эволюции (А), а в столбцах --- конечные (В). Выделяются 12
основных типов изменения климата (А1---В3, А4---В2 и т .д.), каждый из которых
может сопровождаться тектоническими поднятиями (+) и опусканиями (-).
Эволюция гумидных ландшафтов. Гумидная эрозия и аккумуляция (А1---В1 и
А2--- В2). Эволюция А1-В1 происходила в теплом гумидном климате. При
тектонических поднятиях (+) пенеплен превращался в холмистую или горную
страну. Такое развитие характерно для многих районов неотектонических
поднятий, в том числе для гумидных районов альпийской складчатости ---
Западного Кавказа, Закавказья, Карпат и др. Неоднократно происходили подобные
смены и в более отдаленные эпохи, например, в Центральном Казахстане в
олигоцене, когда гумидные равнины нижнего олигоцена сменились гумидным
низкогорьем. При тектонических опусканиях происходило захоронение кор
выветривания. Такое развитие было, например, на аккумулятивных равнинах
Центрального Казахстана в палеоцене.
Примером эволюции А2---В2 служит изменение тундровых и таежных
ландшафтов в плиоцене и четвертичном периодах при тектонических поднятиях
(Урал, Саяны и другие горные системы) и опусканиях (Западно-Сибирская и
другие низменности).
Таблица 14.1.
Систематика типов геохимической эволюции ландшафтов при изменении
климатических и тектонических условий (по А.И. Перельману)
Гумидное похолодание (А1---В2). Характерным примером региона с подобной
эволюцией служит Среднесибирская возвышенность, а также европейская Россия,
где в результате прогрессивного похолодания теплые гумидные ландшафты
миоцена сменились в четвертичном периоде таежными ландшафтами. Реликты
теплого этапа особенно хорошо сохранялись в условиях тектонических опусканий
с характерной для них аккумуляцией осадков (полесья, впадины Забайкалья и
др.).
Гумидное потепление (А2--- В1). Подобная эволюция особенно характерна для
окончания эпох оледенения, перехода к влажному и теплому межледниковью
(Альпы, Западный Кавказ, Карпаты, Сибирь и др.).
Аридизация гумидных ландшафтов (А1---В3, А1---В4, А2---В3, А2---В4). В
фанерозое подобные изменения происходили неоднократно и приводили к смене
лесных ландшафтов пустынями, степями и саваннами. В результате почвы,
древние коры выветривания, зоны окисления и другие геохимические реликты
гумидных ландшафтов подверглись окарбоначиванию, огипсованию, засолению.
Грандиозная аридизация гумидных ландшафтов А2---В3 была в неогене и
четвертичном периоде. Она проявилась практически на всех материках, ее
признаки особенно наглядны в современных тропических и субтропических
пустынях, где распространены многочисленные реликты предшествующей
влажной эпохи. Таковы, например, древние третичные латеритные коры в сухих
саваннах и пустынях Австралии. В Средней Азии подобный тип развития
проявился в юрском периоде, когда на смену лесным влажным тропикам лейаса с
кислыми каолиновыми корами выветривания пришли жаркие пустыни конца юры.
Аналогичная смена повторилась в середине мелового периода: гумидные равнины
апт- альба заменились красноцветными ландшафтами верхнего мела. В Северном и
Центральном Казахстане аридизация проявилась на границе олигоцена и миоцена.
На Русской платформе эволюция А1---В3 была в пермском периоде, когда
влажные тропики каменноугольного периода уступили место пермским
Êî í å÷í ûåêëèì àòè÷åñêèåýòàï û
Íà
÷
à
ë
ü
íûå
êëèì àòè÷å-
ñêèåýòàï û
Â1Ãóìèäíûå
òåïëûå
Â2Ãóìèäíûå
õîëîäíûå Â3Àðèäíûå
òåïëûå Â4Àðèäíûå
õîëîäíûå
À1 Ãóì èä-
íûåòåïëûå
Ãóì èäí àÿ
ýðî çèÿ è
àêêóì óëÿöèÿ
À1---Â1 (+ è -)
Ãóìèäíîå
ïîõîëîäàíèå
À1---Â2 (+ è -)
Àðèäèçàöèÿ
À1---Â3
À1---Â4
À2 Ãóì èä-
íûåõîëîä-
íûå
À2---Â1
Ãóìèäíîå
ïîòåïëåíèå
(+è-)
À2---Â2
Ãóì èäí àÿ
ýðî çèÿ è
àêêóì óëÿöèÿ
(+è-)
À2---Â3
À2---Â4
ãóìèäíûõëàíäøàôòîâ
(+è-)
À3Àðèäíûå
òåïëûå
À3---Â1
À3---Â2
À3---B3
àðèäí àÿ
ýðî çèÿ è
àêêóì óëÿöèÿ
(+è-)
À3---Â4
àðèäí î å
ïîõîëîäàíèå
(+è-)
ãóì èäèçàöèÿ àðèäí û õ
À4Àðèäíûå
õîëîäíûå
À4---Â1
À4---Â2
À4---Â3
àðèäí î å
ïîòåïëåíèå
(+è-)
À4---Â4
àðèäí àÿ
ýðî çèÿ è
àêêóì óëÿöèÿ
(+è-)
ëàíäøàôòîâ(+è-)
красноцветным пустыням и лагунам с соленакоплением. Аридизация А1---В4 и
А2---В4 были на Русской платформе и в Сибири в начале ледниковых эпох:
лесные ландшафты плиоцена и межледниковий плейстоцена сменились тогда
тундростепями и перигляциальными степями.
В результате аридизации происходило засоление, огипсование и
карбонатизация древних кор выветривания и зон окисления рудных
месторождений, сформировавшихся в предыдущую гумидную эпоху. Коры и зоны
окисления сильно деформировались, обогащались подвижными элементами.
Засоление древней коры выветривания изучено Н.С. Касимовым и Н.А.
Шмельковой в Мугоджарах, Северном и Центральном Казахстане. В
огипсованных и окарбоначенных горизонтах коры концентрировались Ti, Y, Zn,
Mo и другие элементы. Засоление наиболее вероятно происходило от уровня
грунтовых вод, залегавших близко от поверхности. Эти данные заставляют
осторожно относиться к аномалиям, устанавливаемым в коре выветривания при
геохимических поисках рудных месторождений, они могут быть наложенными,
что коренным образом меняет оценку таких аномалий.
При тектонических опусканиях в эпохи аридизации местами происходило
наложение восстановительных сероводородных процессов на древнюю кору. Это
приводило к образованию сульфидов, горизонты древней горы приобретали
черную окраску. Подобные "
черные коры" описаны на полиметаллическом
месторождении Жайрем в Центральном Казахстане, на колчеданных
месторождениях Мугоджар.
Эволюция аридных ландшафтов. Аридные ландшафты в России были широко
распространены в кембрии, девоне, перми, неогене и четвертичном периодах.
Гумидизация аридных ландшафтов (А3---В1, А3---В2, А4---В1, А4---В2). Эти
изменения происходили неоднократно. Эволюция А3---В1 в европейской России
была в конце девона --- начале карбона, когда вместо красноцветных ландшафтов
и лагун с соленакоплением распространились влажные тропические леса с
вестфальской каменноугольной флорой. Подобная эволюция, например, была в
Московской синеклизе Русской платформы, где верхнедевонские отложения и
отложения начала турне представлены гипсово-доломитовой толщей, а более
молодые осадки верхов турне и низов визе содержат пласты угля. Аналогичная
смена ландшафтов произошла на Русской равнине и в Средней Азии в конце
триаса, когда аридные красноцветные ландшафты перми и начала мезозоя
сменились рэт- лейасовыми лесными влажными тропиками и субтропиками с
кислой корой выветривания и угленакоплением. В Средней Азии такая смена
повторилась в середине мелового периода (аридный неоком --- гумидные апт-
альб).
Периоды увлажнения были в истории многих пустынь. Так, американские
геологи обнаружили в пустынях Калифорнии в четвертичное время следы по
крайней мере двух периодов увлажнения, во время которых современные
солончаковые впадины соединялись друг с другом стоком, уровень озер был
выше, в почвах из грунтовых вод высаживалась углекислая известь. Более
влажный климат в плейстоцене был в Сахаре, где господствовала степная
растительность, текли крупные реки. Их следы --- сухие русла "вади" тянутся на
сотни километров, а вади Игаргар имеет даже длину около 1000 км. Следы
четвертичного увлажнения известны и в пустынях южного полушария, например,
в Калахари (Африка) и в Австралии.
Изменения А3---В2 были, вероятно, в степях и саваннах на границе плиоцена и
плейстоцена. Они также могли быть связаны с неотектоническими поднятиями,
когда за счет высотной поясности в горах формировались ландшафты хвойных
лесов и горных лугов. В этом случае реликты могли сохраниться в основном на
древних поверхностях выравнивания.
Переход от аридных холодных ландшафтов к гумидным теплым (А4---В1) мог
осуществляться в конце ледниковых эпох в относительно низких широтах, но в
конце оледенений более вероятны смены А4---В2 (перигляциальные степи и
тундростепи --- таежные ландшафты и др.).
Гумидизация аридных ландшафтов приводила к выщелачиванию аридных почв,
кор выветривания и зон окисления рудных месторождений, уничтожению
геохимических аномалий.
Аридная эрозия и аккумуляция (А3---В3 и А4---В4). При тектонических
поднятиях возникал рельеф мелкосопочника, бедленда, террас, аридные коры
частично или полностью уничтожались. При опусканиях формировался рельеф
аллювиальных равнин и аридных впадин, происходило засоление аридных почв и
кор выветривания.
Изменения А3---В3 на Русской платформе были в верхней перми и начале
триаса, в Средней Азии --- в плиоцене, когда альпийские поднятия привели к
образованию невысоких аридных гор и возвышенностей в Тянь-Шане (Акбель,
Акчоп, Супетау, Махаутаук в Ферганской впадине и др.).
Неотектонические поднятия и опускания в холодные аридные эпохи
четвертичного периода приводили к сменам А4---В4. Они были во многих районах
распространения перигляциальных степей и тундростепей.
Аридное похолодание (А3---В4) характерно для начала ледниковых эпох.
Подобную эволюцию, например, испытала территория Южного Урала на границе
неогена и четвертичного периода и в различные эпохи последнего.
Аридное потепление (А4---В3) неоднократно повторялось в фанерозое, особенно
в конце ледниковых эпох.
14.4. Палеогеохимические ландшафтные карты
На использовании прямых и косвенных методов основаны палеогеохимические
ландшафтные карты, методика составления которых та же, что и для карт
современных геохимических ландшафтов: на них выделяют геохимические типы,
семейства, классы, роды и виды палеоландшафтов. При составлении
мелкомасштабных палеогеохимических ландшафтных карт используются как
материалы специальных экспедиционных исследований, так и литературные
источники. Среди
последних
особенно
важен
"
Атлас
литолого-
палеогеографических карт СССР".
Контрольные вопросы
1. В чем заключается принцип историзма, расскажите о двух основных
направлениях исторического анализа в геохимии ландшафта.
2. Каково главное практическое приложение палеогеохимии ландшафта?
3. Что такое геохимические реликты? Какова роль ископаемых почв и древних
кор выветривания при историческом анализе?
4. Какие методы исторического анализа являются косвенными?
5. Каковы границы применения принципа актуализма?
6. Как использован матричный принцип для установления типов геохимической
эволюции ландшафтов?
7. Расскажите о гумидном и аридном похолодании, гумидном и аридном
потеплении.
Глава 15
ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ БИОСФЕРЫ И
ЛАНДШАФТОВ
Необратимая эволюция земной коры, биосферы и ландшафтов. В ходе
геологической истории увеличивалась мощность гранитного слоя, разрастались
платформы, уменьшался объем и мощность вулканогенных формаций, возрастала
относительная роль поднятий, континентального осадконакопления, наземного
вулканизма, кислых интрузий и , соответственно, уменьшилось значение
опусканий, морского осадкообразования, подводного вулканизма и основных
интрузий. Наиболее резкие изменения произошли в биосфере. Так, в докембрии не
было высших растений, только в девоне появились лесные ландшафты, в неогене
--- степи, в четвертичном периоде --- тундры. По Д.В. Рундквисту, эволюция
систем земной коры направлена в сторону увеличения сложности и разнообразия.
Он показал это на примере эндогенного рудообразования, но та же
закономерность характерна и для биосферы. Так, в современную эпоху известны
месторождения солей, известняков, железных руд и других осадочных полезных
ископаемых, сформировавшиеся в мезозое. Естественно, что в палеозое их не
было, дифференциация биосферы была меньше. По Е.В . Посохову, в ходе
геологической истории росло разнообразие химических типов природных вод. В
наибольшей степени увеличение разнообразия и сложности характерны для
эволюции жизни: организмы становились сложнее, число видов увеличивалось
(водоросли --- покротосеменные, одноклеточные животные --- млекопитающие).
Разнообразнее и сложнее становились почвы, илы, ландшафты.
Развитие земной коры и биосферы в сторону увеличения сложности и
разнообразия, т . е. роста негэнтропии (уменьшения энтропии), естественно, не
происходило самопроизвольно. Для этого был необходим непрерывный приток
энергии --- в первую очередь солнечной, но также радиоактивной и другой. Это
определило неравновесность биосферы, ее богатство свободной энергией.
Напомним, что главный механизм превращения солнечной энергии в химическую
--- биологический круговорот атомов --- бик.
Увеличение сложности и разнообразия биосферы не было монотонным --- в
отдельные эпохи происходили скачки в накоплении неорганической и
биологической информации. В "
критические эпохи" вымирали большие
систематические группы растений и животных, существовавшие в течение
десятков миллионов лет, быстро развивались отдельные систематические группы.
Так, в начале кембрия в морях резко возросло число видов беспозвоночных, в
конце мезозоя вымерли крупные ящеры, в начале палеогена бурно развились
млекопитающие.
Периодичность развития земной коры, биосферы и ландшафтов.
Повторение в геологической истории складчатости, горообразования, влажного и
сухого климата придавало геохимическим процессам разных эпох общие черты.
Однако эти процессы развивались на фоне общего необратимого прогрессивного
развития земной коры и биосферы, в связи с чем полной повторяемости не было.
Поэтому символом периодичности служит не круг, а , как подчеркнул Б.Б .
Полынов, циклоида --- линия, описываемая точкой, находящейся на ободе
движущегося колеса. Продолжительность каледонского, герцинского и
альпийского тектоно- магматических циклов в общем отвечает галактическому
году --- времени обращения Солнца вокруг центра Галактики, равному примерно
180---220 млн. лет. С этими циклами коррелирует и периодичность в биосфере.
Выделяют и более короткие тектонические циклы продолжительностью 88 млн.
лет 22; 44 млн. лет 11; 22 млн. лет; 5,5 млн. лет 2 и т.д. Установлены и
периодические изменения климата 400 000 50 000; 200 000 50 000; 45 000 25 000;
11 000 8 000 лет.
Каждый крупный цикл развития биосферы в фанерозое характеризовался в
начальных и завершающих стадиях регрессиями морей, горообразованием,
широким развитием аридных и семиаридных ландшафтов, сокращением биомассы,
количества органического углерода в осадках, а также карбонатонакопления в
морях (А.Б. Ронов) (рис. 15.1). Это нижний кембрий, силур --- нижний девон,
верхняя пермь --- средний триас, неоген- четвертичный. В такие эпохи усиливалась
динамика подземных вод, увеличивалась мощность зоны активного водообмена,
роль окислительных нейтральных и щелочных процессов. Роль живого вещества
уменьшалась (А.И. Перельман). При тектонических поднятиях кора выветривания
Рис. 15.1. Изменение (%) во времени запасов углей, горючих сланцев и РОВ (А ) и
изменение скорости накопления запасов углей, горючих сланцев и РОВ (Б) (по И . Б .
Волковой, А . В . Лапо, А . В . Македонову):
а --- РОВ --- рассеянное органическое вещество, б --- угли, в --- сланцы.
смывалась и на земную поверхность выходили коренные породы, богатые Са, Mg
и Nа , руды, содержащие тяжелые и радиоактивные металлы. Сухой климат не
способствовал выносу подвижных элементов, и организмы находили в почвах и
водах значительное количество металлов, подвергались более сильному
радиоактивному облучению. Условия минерального питания резко менялись, и
это не могло не отразиться на эволюционном процессе. Высокое содержание Са,
Р, К благоприятствовало жизни, повышенное содержание в районах рудных
месторождений Cu, Pb, Zn и других металлов могло быть вредным. Роды и виды,
приспособившиеся в условиях предшествующей влажной эпохи к бедному
минеральному питанию, частично вымирали, частично приспосабливались к
новым условиям. Эпохи горообразования, развития карбонатной коры
выветривания, вероятно, были эпохами качественных изменений эволюционного
процесса,
"взрыва видообразования", возникновения новых видов, родов,
семейств. Это были эпохи хорошего минерального питания животных и растений,
хорошего развития скелета. Вместе с тем это были эпохи резкого недостатка
влаги, что также оказывало влияние на эволюцию.
Срединные стадии биосферных циклов, по А.Б. Ронову, отмечены крупными
трансгрессиями морей, пенепленизацией рельефа, смягчением и увлажнением
климата, ростом биомассы, накоплением органического углерода в осадках,
энергичным вулканизмом и поступлением СО2 в атмосферу (ордовик, верхний
девон --- карбон, мел- палеоген). Это эпохи уменьшения мощности зоны активного
водообмена, усиления роли кислых и кислых глеевых процессов. Организмы
слабо обеспечивались Са, К и Nа , встречали в окружающей среде мало тяжелых
металлов и радиоактивных элементов. Эволюция в срединные стадии, очевидно,
происходила качественно по- иному, чем в эпохи горообразования.
Проблема "вулканизм и жизнь" издавна привлекала внимание. Еще в ХIХ в . С.
Аррениус писал, что прекращение вулканизма означало бы конец жизни, а Г .
Шухерт связывал обилие жизни с количеством СО2 в атмосфере. В начале ХХ в .
Д.Н. Соболев утверждал, что энергичное поступление СО2 в атмосферу в эпохи
вулканизма вело к развитию растительности (
усилению фотосинтеза) и
накоплению углей. Между вулканизмом и геохимией биосферы существует
следующая связь: поступление СО2 в атмосферу при извержениях --- усиление
фотосинтеза и энергичное разложение органических остатков --- формирование
мощной коры выветривания и вынос из нее металлов --- углеобразование в
болотах --- интенсивное оглеение в болотах и миграции Fe --- осаждение
сидеритов и образование белых каолиновых глин --- накопление карбонатных
осадков в морях (А.И. Перельман).
М.И. Будыко, А.Б. Ронов и А.Л. Яншин рассмотрели историю СО2 и О2 в
атмосфере фанерозоя. Изучение литологических формаций мира показало связь
между объемом вулканитов и массой карбонатных осадков, с которой связано
количество СО2 в атмосфере. Авторы построили кривую изменения содержания
СО2, которое преимущественно колебалось от 0,1 до 0,4%. С этим связывают
преобладание теплых климатов --- "парниковый эффект". В неогене содержание
СО2 резко уменьшилось и началось похолодание. Знание количества
органического углерода в осадочных породах континентов позволило рассчитать
и содержание О2 в былых атмосферах. На рис. 15.2 видна отчетливая
периодичность в содержании СО2 и О2: в каледонском цикле максимальное
содержание обоих газов было в ордовике, в герцинском --- в нижнем карбоне, в
альпийском --- верхней юре и нижнем мелу; минимальные содержания приходятся
на нижний кембрий, нижний девон и средний триас. С изменением химического
состава атмосферы авторы связывают эволюцию организмов.
Анализируя цикличность развития природных систем, А.В. Жирмунский и В.И.
Кузьмин отметили смену в пределах циклов двух различных фаз: длительной
эволюционной и относительно короткой резкой перестройки ("критический
рубеж", "скачки"). Фаза перестройки сменяется новой эволюционной фазой.
Авторы установили, что соотношение количественных характеристик
последовательных критических уровней развивающихся систем измеряется
величиной еl. Хотя эти построения основаны преимущественно на биологических
данных и не лишены дискуссионности, они подтверждаются также данными наук
о Земле, в которых многие количественные зависимости имеют экспоненциальный
характер.
Катастрофические космические факторы в истории биосферы. Л . Альварес
и другие исследователи обнаружили в осадочных породах многих районов
земного шара (возрастом 65 млн. лет назад) аномалию иридия. С этой границей
мезозоя и кайнозоя связана исключительно резкая перестройка фауны, гибель
около 75% видов животных, в том числе динозавров. Причина "великого мелового
вымирания" давно привлекает внимание, высказывались различные гипотезы, но
ни одна из них не была доказана. Кларк Jr в литосфере континентов равен 2.10-
8%, но в пограничном слое его содержание оказалось выше в десятки и сотни раз.
Обогащены Jr и каменные метеориты (4,8.10-5%). Это послужило основанием для
гипотезы о столкновении Земли на границе мела и палеогена с астероидом
диаметром 10 км. Подобная космическая катастрофа должна была привести к
сильному запылению атмосферы, резкому кратковременному похолоданию и
вымиранию фауны. С возрастом иридиевой аномалии в осадках в общем совпадает
и формирование мировой рифтовой системы. О гипотезе Альвареса
Рис. 15.2. Изменение относительных масс углекислого газа М СО2 и кислорода (М О 2) в
фанерозое (по М.И. Будыко, А.Б. Ронову и А.Л. Яншину).
высказывались и критические замечания: смена фауны происходила быстро
только в геологическом смысле, т . к . она охватывает миллионы лет, аномалии Jr
обнаружены также в газах вулкана Килауэа на Гавайских островах и т .д.
Иридиевые аномалии установлены также на границе венда и кембрия (570 млн.
лет), перми и триаса (248 млн. лет), в туроне (90 млн. лет), среднем --- позднем
эоцене (40 млн. лет), в торфе 1908 г . в районе так называемой тунгусской
катастрофы. В некоторых погребенных слоях установлены аномалии осмия,
изотопного состава О и С .
Многие геологи полагают, что бомбардировка земной поверхности метеоритами
происходила на протяжении всей истории Земли, ее следами служат астроблемы
--- кольцевые структуры типа кратеров, обнаруженные в штате Аризона (США),
на о . Саарема в Эстонии, в Восточной Сибири и других регионах. Образовавшиеся
при ударе породы --- импактиты нередко также обогащены Jr. Л. Норман, Н .
Прайс полагают, что удары крупных метеоритов приводили к формированию
кольцевых структур радиусом более 1000 км. Ударные кольцевые структуры
хорошо выявляются космическими съемками. Геохимия ландшафтов астроблем
пока не изучена, это актуальная задача науки.
Земная кора и биосфера. Геохимический цикл. Связь между глубокими
частями земной коры и биосферой ранее считалась прямой: полагали, что
магматизм, складчатость, горообразование влияют на выветривание,
осадкообразование, деятельность подземных вод и прочие экзогенные процессы.
Обратное влияние экзогенных процессов на эндогенные не рассматривалось.
Однако за последние десятилетия установлено, что связи между этими
процессами не прямые, а обратные: биосфера влияет на состав гидротерм,
магматизм. Так, доказана важная роль вадозных вод в питании гидротерм,
установлено, что многие граниты образовались за счет переплавления осадочных
пород, что сера части гидротермальных сульфидов имеет осадочное
происхождение. Поэтому земную кору следует рассматривать как большую и
сложную динамическую систему, развивающуюся на основе механизма
положительной и отрицательной обратной связи. Примером последней служит
связь вулканизма с биосферой: вулканизм поставляет СО2 в атмосферу и
гидросферу, а фотосинтез и карбонатообразование изымают СО2, связывают С в
карбонатах и органических соединениях. В результате содержание СО2 в
атмосфере и гидросфере уменьшается, система саморегулируется и
стабилизируется. Единство земной коры находит выражение и в общих законах
развития ее отдельных частей и коры в целом: необратимости эволюции,
периодичности развития (циклоидальности), негэнтропийности.
Несколько важнейших геохимических процессов определяют своеобразие
большинства систем земной коры, в том числе и биосферы. Это в первую очередь
окислительно- восстановительные и щелочно- кислотные процессы, результаты
которых особенно наглядны в биосфере. Напомним, что важнейшей
геохимической характеристикой большинства ландшафтов служит биологический
круговорот атомов --- бик, а это процесс окислительно- восстановительный. С
водами ландшафта связаны окислительно- восстановительные (
BиС)
геохимические барьеры, значение которых было подробно рассмотрено в главах 4,
7---12. Велика роль и щелочно- кислотных условий --- щелочных (D) и кислых (Е)
барьеров.
Общие геохимические черты биосферы и земных глубин позволяют
рассматривать земную кору с единых позиций как целостную систему. Это
получило выражение в концепции "
геохимического цикла", рассматривающей
тектонические процессы, магматизм, осадкообразование и эволюцию жизни как
звенья общего процесса. В 1939 г . В.И. Вернадский писал, что в земную кору
входят биосфера, стратисфера, метаморфическая и гранитная оболочки, которые
генетически между собой связаны и взятые в целом представляют одно явление. К
"былым биосферам" ученый относил граниты, которые, по его представлениям,
образовались за счет переплавления осадочных пород. Как и другие круговороты,
геохимический цикл следует понимать как форму поступательного развития ---
циклоиду (рис. 15.3).
Согласно тектонике плит, в геохимическом цикле участвует не только земная
кора, но и мантия, засасывающая в т . н . зонах Заварицкого-Беньофа осадочные
породы, химические элементы которых при магматизме и горообразовании снова
поступают в земную кору и биосферу.
СО2 и Н2О в биосфере участвуют в синтезе органического вещества, С и Н
являются геохимическими аккумуляторами солнечной энергии. Они "зарядились"
ею в ландшафтах и верхних горизонтах моря. При участии микроорганизмов эти
элементы окисляются до СО2 и Н2О, других соединений, т . е . геохимические
аккумуляторы "разряжаются" и отдают заключенную в них энергию. Часть ее
рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на геохимические процессы.
По Н.В. Белову и В.И. Лебедеву, Al и некоторые другие металлы глинистых
минералов также могут аккумулировать солнечную энергию. Они подчеркнули,
что в характерных магматических минералах --- полевых шпатах Al находится в
центре кислородных тетраэдров, а расстояние Al---О составляет 0,16---0,175 нм. В
глинистых минералах часть Al находится в шестерной координации, в которой
расстояние Al---О уже 0,18---0,20 нм. Таким образом, в биосфере расстояние
Рис. 15.3. Геохимический цикл (по А . И . Перельману):
1 --- поглощение вещества и энергии из космоса и мантии, 2 --- поступление вещества и энергии в
космос и мантию, 3 --- выделение энергии в ходе большого круговорота, 4 --- рост информации
(разнообразия), 5 --- уменьшение информации (разнообразия), 6 --- начало нового цикла.
между Al и О в кристаллической решетке увеличилось. На это должна была
затратиться энергия, и , следовательно, солнечная энергия аккумулировалась при
превращении полевых шпатов в глины. Поэтому с энергетической точки зрения
глины являются аналогами углей и других органических веществ. Опускаясь на
большие глубины и расплавляясь, глинистые минералы превращаются в магму, из
которой снова кристаллизуются полевые шпаты. При этом Al переходит из
октаэдров в тетраэдры, расстояние между ним и О уменьшается, энергия
выделяется. Так, энергия, поглощенная в биосфере, выделяется в магматических
очагах и наряду с радиоактивной энергией, по Белову и Лебедеву, может служить
причиной горообразования и других эндогенных процессов. Глинистые минералы
выступают в роли своеобразных "горючих ископаемых", которые в отличие от
угля отдают заключенную в них энергию лишь при высоких температурах
плавления пород. К сожалению, данная гипотеза еще не стала теорией, ее
проверка затрудняется сложностью эксперимента. Но если гипотеза верна, то
понятие о геохимическом цикле вещества дополняется понятием о переносе
энергии, который также связывает процессы земной поверхности и магматизма.
В.А . Ильин и А.В. Щербаков подчеркивают также большое значение поглощения
солнечной энергии на земной поверхности при дезинтеграции пород и ее
выделение при метаморфизме.
В геохимическом цикле закономерно меняется и количество информации. При
переплавлении осадочных пород разнообразие уменьшается, так как возникает
гомогенный расплав --- магма, увеличивается тепловое хаотическое движение
атомов и молекул --- возрастает энтропия системы. При остывании
магматического очага и кристаллизации серии изверженных пород (например,
диориты --- гранодиориты --- граниты) разнообразие увеличивается, информация
растет. Самое большое разнообразие и уменьшение энтропии характерно для
биосферы с ее миллионами видов организмов, большим числом ландшафтов, почв
и других биокосных систем. В биосфере возник новый биологический вид
информации, увеличилось ее общее количество.
В земной коре и биосфере, следовательно, развиты две категории процессов:
идущие с накоплением энергии, увеличением разнообразия, дифференциации,
сложности, т. е . ростом информации и уменьшением энтропии и процессы с
выделением энергии, увеличением энтропии, уменьшением разнообразия и
сложности информации. Обе категории процессов характерны как для биосферы,
так и для земных глубин, но первые явно преобладают в биосфере и особенно в
ландшафтах, а вторые --- в очагах регионального метаморфизма и магматизма.
В земных глубинах большое значение приобретают радиоактивный распад и
другие эндогенные источники энергии. Следовательно, для земной коры
характерно взаимодействие солнечной и глубинной энергии: энергия биосферы
тем или иным путем взаимодействует с внутренней энергией Земли. Поэтому
геохимический цикл не замкнут и в нижней части, так как продукты биосферы
испытывают влияние эндогенных факторов.
В 1955 г . один из авторов (А.И. Перельман) писал о необходимости
рассматривать с позиций цикличности процессы биосферы и магматизма,
причинные связи между ними. Мы полагали, что при разработке общей теории
наук о Земле нельзя игнорировать существование глубоких и обратимых связей
между развитием жизни на Земле, осадкообразованием, тектоническими
явлениями и магматизмом. Именно в связях между поверхностными и
магматическими процессами проявляется один из основных законов наук о Земле,
а сами процессы отражают единое грандиозное по длительности и сложности
развитие земной коры.
За прошедшие годы получены подтверждения существования геохимического
цикла. Так, А.В. Сидоренко и другие писали о большом круговороте газов: при
осадкообразовании поглощаются СО2 (в известняках и других карбонатных
породах), Н2О (в глинах), О, N (в органических веществах), которые снова
превращаются в газы при погружении осадочных толщ, их метаморфизме,
переработке магматизмом и вулканизмом. Таково грандиозное "дыхание земной
коры".
Итак, между тектоно- магматическими процессами и процессами биосферы
существует обратная связь, в совокупности эти процессы образуют
геохимический цикл. Логично предположить, что осадочные породы,
образовавшиеся в биосферах докембрия и начала палеозоя, были
метаморфизованы и гранитизированы каледонским магматизмом и орогенезом,
осадки, накопившиеся в девоне и нижнем карбоне, --- герцинским магматизмом и
орогенезом и т .д. Отсюда следует, что особенности биосферы протерозоя должны
были найти отражение в байкальской металлогении, особенности докембрийской
и нижнепалеозойской биосферы --- в каледонской, палеозойской --- в герцинской
и т .д. Иначе говоря, причину своеобразия металлогении отдельных эпох следует
искать также в своеобразии предшествующей биосферы. Эта концепция в
последние годы находит все больше приверженцев. Г.В. Войткевич писал:
"Осадконакопление в биосфере все более подвергалось влиянию жизни. Это
привело к резким концентрациям новых веществ в осадочной оболочке, в ее
отдельных частях. Вовлеченные впоследствии в процессы ультраметаморфизма,
древние толщи осадочных пород становятся потенциально рудоносными. В этом
кроется одна из причин металлогенических провинций в земной коре". С
подобных позиций трактовал эндогенное рудообразование и А.И. Тугаринов. Так
как в ходе геологического времени росла дифференциация осадочных пород и
биосферы в целом, то естественно, что в каждом последующем тектоно-
магматическом цикле перерабатывались все более и более дифференцированные
осадки, более богатые геохимическими аккумуляторами. А это должно было
усиливать энергию тектонических процессов, рудообразования, увеличивать
высоту воздымавшихся горных хребтов. Первопричина увеличения сложности и
разнообразия эндогенных систем, которую установили Д. Рундквист и другие
исследователи, возможно, состоит в развитии биосферы, увеличении ее сложности
и разнообразия, прогрессивном накоплении в ней солнечной энергии. Объяснить
прогрессивное развитие эндогенных систем за счет глубинных источников
энергии трудно, так как количество радиогенного тепла со временем не
увеличивалось, а уменьшалось. Поэтому своеобразие металлогении отдельных зон
земной коры, прогрессивную эволюцию эндогенной металлогении необходимо
увязать с прогрессивной эволюцией осадкообразования, ростом разнообразия
биосферы, накоплением в ней солнечной энергии в углях, глинах и других
породах.
Признание земной коры динамической системой, развивающейся на основе
механизма обратной связи, ставит вопрос о центре (или центрах) этой системы.
Можно ли вообще говорить о центре земной коры, т .е . о такой ее части, которая
имеет ведущее значение, определяет функционирование системы в целом?
Существует один центр или их два и больше, система является биоцентрической
или полицентрической? Несомненно, одним из центров является биосфера,
которая уже несколько миллиардов лет поглощает солнечную энергию и в
процессе биологического и других круговоротов превращает ее в энергию
геохимических процессов. Другим возможным центром, управляющим
механизмом земной коры, является верхняя мантия или нижние горизонты земной
коры с очагами магматизма. Очевидно, что установление центров, т . е . частей
земной коры, управляющих ее механизмом, в частности выявление относительной
роли поверхностного (биосферного) и глубинного (мантийного и др.) центров,
составляет важную задачу наук о Земле.
Сказанное позволяет сформулировать закон прогрессивного развития верхней
оболочки нашей планеты: земная кора и верхняя мантия представляют собой
сложную динамическую систему с обратными связями; непрерывное поступление
в систему солнечной энергии, а также глубинной энергии определяет
направленное развитие тектоносферы и биосферы, в ходе которого
увеличиваются их сложность и разнообразие, неравновесность, накапливается
свободная энергия, уменьшается энтропия. Это прогрессивное развитие
осуществляется через систему последовательных геохимических циклов ---
тектономагматических и биосферных (А .И. Перельман).
Контрольные вопросы
1. Приведите доказательства необратимой эволюции земной коры, биосферы и
ландшафтов. В чем проявляется периодичность их развития?
2. Каковы современные данные о роли катастроф в истории биосферы?
3. Что представляет собой большой круговорот веществ в земной коре?
4. Охарактеризуйте гипотезу геохимических аккумуляторов.
5. Каково возможное влияние биосферы на эндогенные процессы?
Глава 16
ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЭПОХИ
Эволюция ландшафтно- геохимических условий отчетливо разделяется на 3
главнейших этапа: 1) условно абиогенный (катархей), 2) биогенный (архей-
кайнозой), 3) техногенный (современный). Каждый этап состоит из стадий, а они
--- из геохимических эпох. В данной главе охарактеризованы первые два этапа, а
третьему --- техногенному, в связи с его особой важностью, посвящена пятая
часть книги.
16.1. Абиогенный этап
Этот этап характерен для Марса и других планет земной группы, но для Земли
гипотетичен, так как возраст древнейших горных пород и находок древнейших
организмов или продуктов их обмена веществ почти совпадает. Магматизм в
катархее был примитивным базальтовым, который определял состав атмосферы и
гидросферы. Восстановительная атмосфера содержала СО, СО2 , N2 , НСl, HF, H2 и
другие газы. Иным был и первичный океан. Предполагается, что метеоритная
бомбардировка приводила к образованию астроблем, аналогичных кратерам Луны,
Меркурия и Марса. При ударной дегазации земной поверхности, как показали
эксперименты М .В. Герасимова и Л.М. Мухина, из пород могли выделяться H2O,
CO2, SO2, N2, O2, H2, CO, H2S, COS, CS2, HCN. По мнению этих авторов, данные
газы участвовали в создании ранней атмосферы и гидросферы планеты.
Свободный кислород в ней не накапливался из- за его участия в окислительных
реакциях, а водород --- из- за диссипирования в космос. Таким образом, в
гипотетических
катархейских
абиогенных
ландшафтах
преобладала
восстановительная среда, в них, вероятно, формировались коры выветривания и
континентальные отложения, но почв еще не было. Геохимические различия
между ландшафтами были невелики, и поверхность материков представляла
монотонную безжизненную пустыню.
16.2. Биогенный этап
Возникновение биогенных ландшафтов тесно связано с проблемой
происхождения жизни, которая решается неоднозначно. Полагают, что
органические соединения в углистых хондритах и лунных породах возникли в
космических условиях. Эти соединения могли синтезироваться и в первичной
земной коре: из СН4, NН3, СО2 под влиянием нейтронов и протонов космических
лучей, электрических разрядов, коротковолнового ультрафиолетового излучения
Солнца, радиоактивного излучения и других источников энергии могли
создаваться сложные органические соединения. В 50-х годах С . Миллер (США),
пропуская электрический разряд в системе СН4 --- NН3 --- Н2О, синтезировал
мочевину, муравьиную кислоту и формальдегид. Позднее были синтезированы
аминокислоты --- основа жизни. Следовательно, ранее 4 млрд. лет назад
гидросфера вполне могла содержать РОВ (растворенные органические вещества).
Вэтом"
первичном бульоне", по гипотезе А.И. Опарина---Д. Холдейна, и
зародилась жизнь. Абиогенный синтез аминокислот и других органических
соединений мог происходить и в гидротермах вулканических ландшафтов.
Согласно этой гипотезе, первые организмы питались готовыми органическими
соединениями "бульона", органического фотосинтеза в то время не было.
Небольшое количество О2 в атмосфере, возможно, возникало за счет
фотодиссоциации воды. Однако этот сильный окислитель все время должен был
расходоваться на окисление минералов. Наряду с приведенными построениями
предполагался занос жизни из космоса в виде спор бактерий, высказаны и другие
гипотезы.
Все природные аминокислоты относятся к левым оптически активным
зеркальным стереоизомерам, а природные сахара --- к правым. На данную важную
особенность жизни --- нарушение зеркальной симметрии обращали внимание еще
Л. Пастер и В.И. Вернадский. В .И. Гольданский полагает, что возникновение
жизни во Вселенной было связано с "Биологическим большим взрывом" ---
разделением оптических антиподов (левых и правых изомеров).
По окислительно- восстановительным условиям биогенный этап эволюции
ландшафтов состоит из трех стадий: восстановительной, окислительной и
окислительно- восстановительной.
16.2.1. Восстановительная стадия эволюции ландшафтов ---
архей, протерозой, нижний рифей (3,5---1,4 млрд. лет)
Атмосфера в то время, вероятно, была слабо восстановительной ---
бескислородной или малокислородной. На это указывает состав пород, руд и
продуктов выветривания. В ландшафтах господствовала глеевая среда,
контрастность окислительно- восстановительных условий была меньше
современной: не было ни столь низких Е h, как в болотах и солончаках, ни столь
высоких, как в реках, корах выветривания. Интенсивный вулканизм обогащал
атмосферу СО2, Fe и Mn энергично мигрировали в бикарбонатной или органо-
минеральной формах. Сульфидная сера не окислялась, и воды были
гидрокарбонатными.
Следы бактерий и сине- зеленых водорослей обнаружены в породах возрастом
около 3,5 млрд. лет. Хотя углерод в архейских породах часто находится в форме
графита, на основе изотопных отношений, микроскопии и других методов
установлена его первичная биогенная природа. Предполагается, что первые сотни
миллионов лет ареал жизни был строго ограничен, т . к . губительный ультрафиолет
определял безжизненность и земной поверхности, и верхнего горизонта водоемов
до глубины 10 м . По гипотезе голландского ученого М . Руттена, жизнь в то время
была представлена бентосными организмами в илах озер, в прибрежных участках
морей и океанов на глубине более 10 м . На преобладающей части суши все еще
господствовали абиогенные ландшафты. Это была биосфера без органического
фотосинтеза. Обнаружение аминокислот и термофильных бактерий в горячих
источниках вулканических районов позволило Е.К. Мархинину предположить, что
вулканизм играл важную роль в зарождении жизни.
Напомним, что в литосфере сильные катионы преобладают над сильными
анионами. Так, сумма кларков Na, K, Ca и Mg равна 9,83%, а сумма кларков Cl, S,
Р, V и N --- лишь 0,17%. Подобные соотношения определяли преобладание
катионов над анионами в растворах первичных почв, а следовательно, и в телах
организмов, т . е . развитие сильно щелочной среды, вредной для жизни. Вероятно,
на основе механизма отрицательной обратной связи у организмов должна была
возникнуть способность поглощать сильные анионы в десятки раз интенсивнее,
чем сильные катионы, и тем самым нейтрализовать щелочную реакцию в их телах.
Этим мы объясняем особенно высокую интенсивность биологического
поглощения фосфора, который, образуя трехосновную кислоту Н3РО4, может
связывать наибольшее количество катионов. Так, вероятно, уже на ранних
стадиях развития жизни возникла различная способность поглощать катионы и
анионы. Возможно, теми же причинами объясняется амфолитоидная природа
многих белков и других органических соединений, их буферная способность
усреднять крайние значения рН. На основе механизма обратной связи, возможно,
создавалась и кислая природа гумуса, которая обеспечила связывание части
катионов в почвах, усреднение реакции. Следовательно, различная
интенсивность биологического поглощения катионов и анионов, амфолитоидная
природа белков, кислая природа гумуса могли возникнуть уже на первых стадиях
формирования ландшафтов как результат приспособления жизни к физико-
химическим условиям окружающей среды. Эти свойства живого вещества,
закрепившись наследственностью, в современных ландшафтах в ряде случаев уже
утратили приспособительное значение.
Р ис.16.1. Концентрация элементов
организмами (по А . П . Виноградову).
Итак, в начале архея примитивная жизнь,
вероятно, в большей степени, чем
современные организмы, зависела от
химического состава и термодинамических
свойств окружающей среды: свойства среды
во многом определяли химический состав
организмов и их геохимические функции. В
дальнейшем эволюция организмов протекала
в тесном взаимодействии со средой, причем
постепенно все более усиливалось обратное
воздействие живого вещества на среду.
А.П. Виноградов изобразил графически
концентрацию
элементов различными
систематическими группами организмов. Как видно из рис. 16.1, О , С и Н
концентрируются всеми группами и образуют центральный столб графика.
Остальные элементы накапливаются только определенными группами, количество
которых уменьшается от низших форм к высшим. Таким образом, в ходе
эволюции организмы "
пробовали" различные варианты бика, вовлекая в
биогенную миграцию различные элементы, пока не возник бик, свойственный
наиболее высокоорганизованным растениям и животным.
16.2.2. Окислительная стадия эволюции ландшафтов --- средний и верхний
рифей, нижний палеофит (1,4---0,4 млрд. лет)
Средний и верхний рифей (1,4---0,7 млрд. лет)
Начало фотосинтеза обычно датируется 1,7---2,0 млрд. лет назад. Но в
значительных количествах, по Л . Беркнеру, Л. Маршалу и А .Б . Ронову, О2
появился в атмосфере лишь около 1,4---1,2 млрд. лет назад. По другим
представлениям окислительная атмосфера возникла 2200 млн. лет назад, когда
стали накапливаться окисные железные руды типа джеспелитов. Основываясь на
анализе изотопов S, высказана также гипотеза о формировании окислительной
атмосферы за счет фотосинтеза уже 3 млрд. лет назад.
В среднем рифее, около 1,4 млрд. лет назад, атмосфера еще содержала много
СО2, но в ней накопился уже и О2 (по ориентировочным расчетам М.И. Будыко,
до 15---20% от массы О2 в настоящее время). Предполагается, что это
способствовало возникновению многоклеточных организмов в конце рифея ---
начале венда, появлению в водах сульфатов, понижению миграционной
способности Ва (в результате осаждения барита) и Fe. По В.С . Певзнеру и Ю.К.
Буркову, граница с рифеем --- это "
сульфатно- кислородный геохимический
рубеж".
В окислительной среде рифея Fe2+ стало переходить в Fe3+, появились красные
почвы, красноцветные формации, окраска которых свидетельствует об
окислительной среде осадкообразования. Цвет этих отложений обусловлен
оксидами и гидроксидами Fe, пленки которых облекают пылеватые и песчаные
частицы (общее содержание Fe в красноцветах часто не превышает кларк).
Ландшафты, в которых происходило накопление красноцветных отложений, Л.Б.
Рухин назвал красноцветными. Они формировались вплоть до неогена, т . е . свыше
1 млрд. лет.
В рифее началось накопление пластов и линз органического вещества в виде
шунгитов и других пород. В районах с влажным климатом формировалась кислая
каолиновая или гидрослюдистая кора выветривания, остатки которой известны во
многих регионах. 0,94 и 0,77 млрд. лет назад были крупные оледенения,
происхождение которых связывают с ослаблением вулканизма и уменьшением
содержания СО2 в атмосфере.
При метаморфизме осадочных пород в докембрии в атмосферу и гидросферу
выделялось огромное количество СО2, которое во многом определило характер
климата, выветривания и осадкообразования. Захоронение СО2 в карбонатных
породах и его выделение при метаморфизме было важным фактором развития
биосферы и рудогенеза. При метаморфизме пород, содержащих органические
вещества, выделялись СН4 и другие углеводороды. В промежутках между
эпохами метаморфизма происходило энергичное накопление осадков, поглощение
СО2 из гидросферы и атмосферы.
Высокое содержание СО2 в атмосфере определяло легкую растворимость
карбоната кальция, воды в рифее были недосыщены этим соединением.
Накопление СаСО3 осуществлялось морскими водорослями, которые отложили
огромные толщи карбонатных пород, очистив тем самым атмосферу от СО2 и
обогатив ее О2. В конце докембрия содержание СО2 в атмосфере, возможно, было
меньше современного.
И в рифее была дифференциация ландшафтов, обусловленная климатической
зональностью и другими факторами. Однако примитивность бика определяла
большее геохимическое однообразие ландшафтов, чем в современную эпоху.
Суша среднего и верхнего рифея была монотонной окислительной примитивной
пустыней.
Учитывая, что тип геохимического ландшафта определяется биком, а в
биомассе главную роль играет растительный покров, в дальнейшей периодизации
в качестве рубежей принята смена растительности с выделением палеофита,
мезофита и кайнофита (а не палеозоя, мезозоя и кайнозоя как в исторической
геологии).
Нижний палеофит --- венд, кембрий,
ордовик и силур (0,7---0,4 млрд. лет)
Многие исследователи к фанерозою относят и венд (V --- 700---570 млн. лет
назад), ссылаясь на открытие обширной вендской фауны мягкотелых животных и
другие особенности вендских отложений. В кембрии содержания О2 и СО2 в
атмосфере были низкими, но в результате энергичного вулканизма нижнего
ордовика количество СО2 резко возросло. (Содержание О2 и СО2 в
палеоатмосферах приводится по М.И. Будыко, А.Б. Ронову и А.Л. Яншину, рис.
15.2.) В верхнем ордовике повысилось и содержание атмосферного кислорода, с
которым связывают "взрыв видообразования".
В начале кембрия возникло много видов животных. Если в венде преобладали
бесскелетные мягкотелые формы, то в кембрии стала быстро развиваться фауна с
известковым, фосфатным и кремнистым скелетом. О причине данного явления
высказаны разные гипотезы, в том числе и геохимические. Так, по А.П .
Виноградову, высокое содержание СО2 в морях рифея определяло
ненасыщенность воды Са, который находился в растворимой форме Са(НСО3)2, и
животным было трудно строить скелет на основе Са. В результате резкого
понижения в начале кембрия концентрации СО2 в атмосфере СаСО3 стал
насыщать морскую воду и известковые скелеты стали устойчивыми. Эта
интересная гипотеза, однако, не объяснила причины появления кремнистого
скелета. Все же предположение о резком понижении давления СО2 в конце венда
очень заманчиво и подтверждается новейшими расчетами. С этих позиций можно
объяснить появление известкового и фосфатного скелетов, осаждение V, U и
других металлов. Уменьшение содержания СО2 в атмосфере могло
способствовать также похолоданию и оледенению.
В кембрии уже существовали наземные растения --- псилофиты, первые плауны
и папоротники. Это были небольшие кустики, растущие по сырым местам, т . е . в
подчиненных ландшафтах. Возможно, что псилофиты были уже в венде. В силуре
появились первые наземные животные --- скорпионы, многоножки и речные рыбы.
В эту эпоху еще господствовали автономные примитивные пустыни, хотя
возникли и более развитые подчиненные псилофитовые ландшафты сырых низин.
И в автономных, и в подчиненных условиях преобладала окислительная среда,
геохимическая контрастность все еще была низкой: суша была сплошной зоной
окисления и восстановительные геохимические барьеры, задерживающие Мо, Рв,
Сu и другие металлы, отсутствовали. В морях, напротив, в илах накапливалось
органическое вещество, а диагенез и последующий метаморфизм привели к
образованию черных углеродистых сланцев, распространенных на всех
континентах. Для этих формаций характерно рассеянное органическое вещество
(или С), высокое содержание SiО2 (кварц, халцедон), повышенное против кларка
содержание Р, V (ванадиеносные сланцы), часто также Cu, Co, Ni, Mo, U, W, Au.
Содержание Fe, Al, Ca, Mg, Na и К, напротив, обычно ниже кларка (Я.Э. Юдович).
На геохимию ландшафтов нижнего палеофита большое влияние оказали
байкальский и каледонский орогенезы, приведшие к резкой дифференциации
климатов, появлению высотной поясности, включению в миграцию больших масс
изверженных пород и руд металлов. Возникли влажные и аридные области.
Последние в кембрии были на Сибирской платформе, в Индостане. Кембрий ---
первая эпоха соленакопления в истории Земли (лагунные соли Восточной Сибири
и др.). Широко распространились и красноцветные ландшафты. 440---410 млн. лет
назад было оледенение.
16.2.3. Окислительно- восстановительная стадия эволюции ландшафтов ---
верхний палеофит, мезофит и кайнофит
(0,4---0 млрд. лет)
С девона начинается последняя окислительно- восстановительная стадия
развития биогенных ландшафтов. Хотя в водах автономных ландшафтов по-
прежнему преобладала окислительная среда, в подчиненных стала развиваться
восстановительная. В дальнейшем развитие бика привело к появлению
восстановительной среды и в части автономных ландшафтов (на тундровых и
таежных равнинах, в верховых болотах и др.).
Эволюция окислительно- восстановительных условий в общем отвечает
диалектическому закону отрицания отрицания: в начале рифея отрицается
восстановительная среда предыдущей (первой) стадии, а во второй стадии (рифей
--- начало палеофита) развитие окислительной среды неизбежно привело к новому
отрицанию --- появлению восстановительной среды в верхнем палеофите и
позднейших эпохах. Однако это не повторение архейских условий, а качественно
новое, более сложное явление: сочетание резкоокислительной среды в
элювиальных почвах, реках и озерах с резко восстановительной в болотах и илах.
В ландшафтах сформировалась окислительно- восстановительная зональность.
Окислительно- восстановительная стадия биогенных ландшафтов самая
короткая (400 млн. лет), но она лучше всего изучена и отчетливо разделяется на
три крупные геохимические эпохи.
Верхний палеофит (девон, карбон и нижняя пермь ---
400---250 млн. лет)*
Начало девона отмечено регрессиями морей, широким распространением
аридных климатов и красноцветов, низким содержанием СО2 и О2 в атмосфере.
Но все же содержание СО2 (0,087%) было значительно больше современного.
Усиление вулканизма в D2---D3 и особенно в нижнем карбоне (С1) привело к
наивысшему за весь фанерозой обогащению атмосферы СО2. Влажный климат
D3---С1 благоприятствовал фотосинтезу и максимуму О2 в атмосфере. С этим
М.И. Будыко и его соавторы связывают "взрыв видообразования" --- появление
двух классов рыб, земноводных и рептилий. В дальнейшем содержание СО2
колебалось, а количество О2 постепенно уменьшалось, достигнув минимальных за
фанерозой значений в Р2-Т2 (рис. 15.2).
Различные методы указывают на жаркий климат девона с годовой температурой
на территории России близкой к 30о . На преобладающей части аридной области в
эйфеле (D2) в год выпадало 500---600 мм атмосферных осадков, в фамене (D3) ---
700---800 мм. Помимо аридных были и гумидные ландшафты с 2500---3000 мм
осадков (В. М. Синицын).
На Урале в Алтае-Саянском регионе и Казахстане в девоне широко
распространился континентальный вулканизм. В формировании ландшафтов
здесь, вероятно, играли роль термальные воды, рудные элементы, шло
образование озерных рудных месторождений B, Li, Sr, W и других элементов,
аналогично современному озеру (солончаку) Сёрлз в Калифорнии. Большое
влияние на ландшафты верхнего палеофита оказал герцинский орогенез и великое
оледенение, охватившее в конце палеофита Гондвану.
Девонские пустыни. Они разделялись на гумидные, семиаридные и аридные
пустыни, с преобладанием окислительных условий и красноцветов (Главное
девонское поле и многие другие регионы России). В начале и середине девона (D1
и D2) из- за все еще слабого развития растительности красноцветные ландшафты
были распространены в таких климатических условиях, в которых позднее
отлагались сероцветные осадки, богатые органическим веществом.
На
палеогеохимических
ландшафтных
картах девонские аридные
красноцветные пустыни выделяются по распространению солей и гипсов,
семиаридные пустыни --- по красноцветам без соленакопления и гумидные
пустыни --- по бескарбонатности красноцветов.
В эйфеле (D2) аридные пустыни были в Северной и Восточной Европе,
Казахстане, Сибири, для них было характерно накопление в осадках мергелей,
доломитов и гипсов с пачками ангидритов и каменной соли. В невысоких горах и
на возвышенностях, вероятно, преобладали семиаридные пустыни, например, в
Казахском нагорье, Саянах, Байкальских горах.
*При участии Е.Н. Борисенко.
В фамене (D3) в связи с гумидизацией климата площадь семиаридных пустынь
увеличилась. Они стали характерны для севера Фенно-Сарматии, Воронежского и
Украинского островов, невысоких окраин Байкальского нагорья, Верхоянья,
Чукотки. Во всех этих районах были распространены красноцветы и пестроцветы,
но соли и гипсы отсутствовали. На Таймыре, в Вилюйской синеклизе,
Кампендяйской впадине сохранялись аридные пустыни.
На востоке Русской платформы в среднем девоне были гумидные пустыни.
Таким образом, геохимическое своеобразие девонских семиаридных и гумидных
пустынь заключалось в том, что бик в них относился к пустынному типу, а
выветривание, сток и частично водная миграция протекали, как в гумидных
ландшафтах.
В связи с отсутствием сингенетических восстановителей В и С барьеры не были
характерны для девонских пустынь, но они могли возникать на участках
поступления по разломам восстановителей от расположенных на глубине
нефтяных и газовых залежей, из гидротермальных и магматических систем. В
таких местах на барьерах В3 и С3, реже В4 и С4 могли формироваться руды Cu, U
и других металлов.
Во многих районах (Прионежье, на Воронежской антеклизе, Украинском щите,
на Урале и Алтае-Саянах) известны девонские выщелоченные коры выветривания.
С ферралитным выветриванием в этих районах связаны железистые и
глиноземистые осадки с залежами железных руд и бокситов. На Таймыре
ферралитные коры выветривания известны в основании С1. Гумидное
выветривание было в Татарии, Башкирии, Прикамье. Отложения фамена (D3)
заключают здесь горизонты глиноземистых пород с бокситами. В разрезе
содержатся также прослои солитовых шамозитовых руд и песчаников с
каолинитом в цементе.
На щитах и частично на древних платформах в девоне были распространены и
додевонские коры выветривания, возможно, докембрийские. В пустынях девона
они могли подвергаться засолению --- обогащаться NaCl, Na2SO4, гипсом,
кальцитом, а также U, Mo, Y, Cu и другими рудными элементами. Это необходимо
учитывать, оценивая при геохимических поисках аномалии в подобных корах.
Палеофитные лесные ландшафты. В верхнем девоне на смену псилофитовой
флоре распространились папоротникообразные, в гумидном климате росли
настоящие леса. Такие ландшафты были на островах Уральского архипелага, в
Алтае-Саянском регионе, Байкальском нагорье. Параллельно с эволюцией флоры
развивался и животный мир в девоне, появились амфибии, эволюционировали
рыбы.
В каменноугольном периоде палеофитные влажные тропики распространились
широко. В них преобладала "вестфальская флора" из плаунов, папоротников,
хвощей высотой в десятки метров. Были в лесах и примитивные голосеменные. В
автономных ландшафтах интенсивно протекал бик, разложение большого
количества органических веществ определяло кислую реакцию почвенных
растворов и глубокое разложение подстилающих пород --- формировались
каолиновые коры выветривания. Подчиненные ландшафты представляли собой
лесные болота, в которых происходило захоронение стволов деревьев, давших
мощные залежи углей. В болотах интенсивно развивалось оглеение, вынос Fe, Mn.
Этим Г.И. Бушинский объяснял образование огнеупорных глин, которые
формировались в болотах в результате "
отбеливания" (т. е . оглеения)
красноземных каолинитовых континентальных отложений. Для последних также
были характерны сидериты, белые кварцевые пески, бокситы.
В каменноугольном периоде существовали уже все основные классы влажных
тропиков, рассмотренные в гл. 7: кислый, кислый глеевый (лесные болота
низменностей), аналоги падангов (на кварцевых песках), Са и Са---Н класс (на
известняках), Na---H2S --- класс (
мангры). Эти ландшафты были лишь
аналогичны, но не тождественны современным влажным тропикам, отличаясь от
них по видовому составу растительности, составу атмосферы. Во второй половине
каменноугольного периода содержание О2 в атмосфере, возможно, было больше
современного (рис. 15.2).
Накопление большой биомассы в палеофитных влажных тропиках знаменовало
новый качественный этап в эволюции биосферы, определило увеличение роли
живого вещества в миграции атомов. Однако это должно было привести к
минеральному голоданию растений и животных, что описано в главе 7.
Наряду с влажнотропической вестфальской флорой в карбоне существовали две
влажноумеренные: тунгусская и гондванская, но арктической флоры не было. В
Гондване в карбоне существовали и аридные ландшафты, но в целом для этого
периода более характерны гумидные тропические и умеренные ландшафты.
Аридные ландшафты нижней перми. В эту эпоху резко усилилась аридизация,
на территории России распространились экстрааридные пустыни соленосного
класса (Na+ --- Cl --- SO42-). Как и в девоне, в лагунах происходило мощное
накопление солей. Вне солеродных лагун формировались красноцветы.
Наибольшее соленакопление было в конце нижней перми в кунгурский век,
который отмечен грандиозным накоплением солей в гигантской лагуне Волжского
моря --- самой крупной в истории Земли. Максимальное отложение солей
происходило в заливах и частях лагуны, расположенных в Приуралье,
Прикаспийской низменности и Донбассе. Здесь осолонение временами достигало
25---30%, накапливались каменная и калийные соли (Соликамское, Сольилецкое,
Артемовское и другие месторождения).
Мезофит --- верхняя пермь, триас, юра и нижний мел
(250---100 млн. лет)
В конце нижней перми многие папоротникообразные вымерли и во второй
половине пермского периода стала господствовать новая мезофитная флора
голосеменных, состоящая из гингковых и хвойных. В мезофите начался
альпийский тектоно- магматический цикл, как и у предыдущих --- байкальского,
каледонского и герцинского, его начало ознаменовалось регрессиями морей,
сравнительно низким содержанием СО2 в атмосфере (рис. 15.2). По М.И. Будыко,
во второй половине пермского периода количество углекислого газа в атмосфере
резко понизилось, хотя все еще в 4 раза превышало современное (около 0,12%
против 0,03%). Количество кислорода было таким же, как в начале девона и
нижнем палеофите. Геохимические следствия этого важно учитывать при анализе
эволюции животных, которые должны были приспосабливаться к недостатку
кислорода. Однако на окислительно- восстановительные условия в ландшафтах
дефицит кислорода, вероятно, не оказывал существенного влияния, на что
указывает широкое распространение красноцветов.
Аридный климат верхней перми (
Р2) и большей части триаса не
благоприятствовал фотосинтезу, что, по мнению М.И. Будыко, привело к низкому
содержанию О2 в атмосфере, задержало эволюцию животных (в Р2---Т1+2,
сократилось число таксонов ряда позвоночных). Для нижнего триаса (Т1)
характерен резкий минимум углеобразования.
Энергичный вулканизм, начавшийся в верхней юре, привел к росту содержания
СО2. В дальнейшем его количество понизилось, но все же значительно превышало
современное. В Т3 и J начался резкий рост О2 в атмосфере, с чем связывают
появление последних двух классов позвоночных --- птиц и млекопитающих.
В начале юры огромную площадь заняли мезофитные влажные тропики. В
Европе, Африке и Австралии флора была однообразна. Геохимическое
сопряжение в общем было то же, что и в карбоне --- лесные автономные
ландшафты с окислительной средой и мощной кислой корой выветривания
сопрягались с лесными болотами.
Хвойные деревья содержат сравнительно мало золы, и в лесных автономных
ландшафтах мезофита биогенная аккумуляция водных мигрантов была
сравнительно слабой, а выщелачивание подвижных элементов из почв сильным. В
результате, как и в палеофите, условия существования растений ухудшались,
плодородие почв понижалось, они сильно выщелачивались. Такой тип бика мы
назвали консервативным. В современную эпоху он играет подчиненную роль, хотя
и господствует в таежной зоне северного полушария.
Вслед за сменой флоры в конце перми сменилась фауна: вымерли многие
амфибии, насекомые, начиная с триаса, сушу, воду и воздух завоевали
пресмыкающиеся, многие из которых имели гигантские размеры. В юре появились
птицы и млекопитающие.
Наряду с влажными тропиками в мезофите были и влажные умеренные и
аридные красноцветные ландшафты (мел Средней Азии, Казахстана, Центральной
Азии, Северной Америки).
Верхняя пермь* . Верхняя пермь --- начало триаса --- один из величайших
геократических максимумов в истории Земли, когда обсохли все платформы и на
большей части былых геосинклиналей стали господствовать континентальные
условия. Это эпоха завершения герцинской складчатости, особенно сильные
проявления которой были в Урало-Тянь-Шаньской геосинклинали, где возникли
высокие горные хребты. Русская и Сибирская платформы также испытали
поднятия, на месте морей возникли разобщенные полузамкнутые и замкнутые
высыхающие бассейны и заболоченные равнины.
*При участии Е.Н. Борисенко.
В начале верхней перми на Урале, в Средней Азии, Казахстане, на юге
Западной и Восточной Сибири средняя высота гор достигала 1000---1500 м . В
Сибири и на Дальнем Востоке продолжалась интенсивная вулканическая
деятельность с излиянием огромных масс эффузивов. В конце перми на
Сибирской платформе началось трещинное излияние магм основного состава ---
траппов.
Хотя в верхней перми были зоны тропического, субтропического и умеренного
климата, все же не термический режим, а распределение атмосферных осадков
определяло климатическую зональность. По расчетам В.М . Синицына, годовое
количество осадков колебалось от 500 мм в некоторых районах Русской
платформы до 2000 и более мм на побережье Тихого океана. В горах проявлялась
высотная поясность, и на склонах Уральских гор, расположенных в областях
аридного и семиаридного климата, были, по- видимому, гумидные или
семигумидные условия, вершины покрыты снежными шапками. На это указывает
многочисленность и многоводность рек, стекавших с Урала и отложивших на
Русской платформе огромное количество осадков с обломками и целыми стволами
деревьев. Реки опресняли прибрежные воды мелкого Волжского моря,
расположенного в зоне экстрааридного климата (у уральского берега море имело
резко пониженную соленость вплоть до полного опреснения --- здесь отлагались
пресноводные красноцветные осадки). Тем же, вероятно, объясняется и
пресноводность Мангышлакского озера, располагавшегося в пустыне у подножья
хребта Карпинского и Ферганского моря --- озера в межгорной экстрааридной
долине. Все это объяснимо стоком рек с окружавших гумидных хребтов. В
Чаткало-Кураминской горной стране Т.А. Сикстель открыла пермскую флору,
которая могла развиваться только в условиях вертикальной зональности. По Н.Д.
Наливкину, флора пермского Алтая также различалась в зависимости от былой
высоты местности.
К началу верхней перми обособились четыре климатические зоны: 1)
европейская с тропическим и субтропическим климатом, 2) уральская с умеренно-
тропическим периодически засушливым климатом, 3) тунгусская с умеренно-
теплым гумидным климатом и 4) охотская с умеренным экстрагумидным
климатом. Анализ палеоклиматических, палеоботанических, литологогических
особенностей верхней перми, а также ископаемых почв позволил выделить три
типа палеоландшафтов: 1) тропические и субтропические пустыни, 2)
семиаридные субтропики, 3) гумидные и семигумидные лесные ландшафты
умеренного пояса.
Климат верхней перми нашел отражение в литологии континентальных
отложений, мировым эталоном которых служат осадки востока Русской
платформы. В гумидных ландшафтах континентальные отложения, как правило,
были сероцветными (оглеенными), бескарбонатными и малокарбонатными с
накоплением органического вещества. В Печорской, Кузнецкой, Минусинской и
Тунгусской впадинах угленосные отложения достигают огромной мощности.
Пермское угленакопление --- одно из крупнейших в истории Земли и лишь
немногим уступает каменноугольному. На протяжении пермского периода
накопление углей уменьшалось и в конце Р2 прекратилось почти полностью. В
прибрежных мелководьях, заливах и лагунах морей накапливались и органические
вещества, послужившие исходным материалом для образования залежей нефти и
газа, известных в Волго-Уральской области, Печорской и Днепровско-Донецкой
впадинах.
Ископаемые пермские почвы. Они известны на Русской платформе, в Донбассе,
Кузбассе и Средней Азии. Нередко большая часть разреза красноцветных и
пестроцветных отложений сложена породами, заметно переработанными
почвенными процессами. А.И. Перельманом и Е.Н. Борисенко ископаемые почвы
установлены в красноцветах Пермской области, Башкирии, Оренбургской
области, а В.И. Чалышевым --- в пермских и триасовых отложениях севера
Предуральского прогиба. По Чалышеву горизонты ископаемых почв встречаются
в среднем через каждые 2---3 м . Они диагностируются по отсутствию слоистости,
изменению цвета, хорошо выраженным иллювиальным горизонтом, известковым
конкрециям, белоглазке, ортштейновым зернам и бобовинам оксидов Fe,
сидеритовым конкрециям и другим новообразованиям. Цвета ископаемых почв
различные: от светло- и темно-бурых, красно-бурых и красных до голубовато-
серых (оглеенных). Почвы формировались на красноцветном аллювии в условиях
интенсивного
перераспределения
карбонатов. Отчетливо
выделяются
элювиальный горизонт выщелачивания и иллювиальный карбонатный с
максимумом карбонатов в верхней части (
барьер D2-D3). Энергичное
перераспределение карбонатов --- специфика почв пермских пустынь, т . к . для
почв современных пустынь оно не характерно и более типично для степей.
Наряду с Са мигрировали Sr и Mn, накапливающиеся в карбонатном горизонте
на щелочном барьере D3. Вместе с Mn мог перемещаться и тесно с ним
ассоциирующийся Со. Энергичная миграция Mn и слабая Fe указывает на
слабоокислительную обстановку пермских почв. Очевидно, в условиях этой среды
происходило восстановление соединений четырехвалентного Mn, а образующийся
Mn2+ вел себя аналогично Са и Sr, давая подвижные бикарбонатные соединения.
Вместе с тем такая среда была окислительной для Fe, которое находилось в
трехвалентной форме и не мигрировало. Слабоокислительная среда с подвижным
Mn характерна для всех красноцветных ландшафтов (не только пермских). Так как
травянистая растительность в перми еще не приспособилась к засушливым
условиям, пермское почвообразование, вероятно, носило примитивный характер и
в аридных, и семиаридных условиях в основном сводилось к перераспределению
Са, Mg, Sr, Mn и некоторых микроэлементов (V, Cu, Cr и др.). Биогенная
аккумуляция, вероятно, отсутствовала. Катионогенные микроэлементы в
красноцветах обычно тесно ассоциированы с Fe.
По мере гумидизации красноцветные почвы сменялись красноцветно-
сероцветными и сероцветными. Они изучены В.И . Чалышевым в Северном
Приуралье и имеют хорошо развитый профиль, часто с полным набором
генетических горизонтов, заметным изменением минерального состава
почвообразующих пород и отчетливым накоплением органических веществ в
верхних горизонтах. Снизу вверх уменьшается количество хлорита, слюд,
монтмориллонита и увеличивается каолинита. В почвах высоко содержание Р и К.
Так, содержание Р2О5 в гумусовых горизонтах составляло 7---8%, содержание
органических веществ 2---7%, что указывает на высокую биологическую
продуктивность пермских семигумидных ландшафтов.
Тропические и субтропические красноцветные пустыни. Почти вся европейская
Россия, Украина, Кавказ, Средняя Азия и Казахстан в верхней перми
располагались в зоне аридного и семиаридного тропического климата. По В.М.
Синицыну, годовое количество осадков составляло 500---800 мм, т .е . по крайней
мере в 2,5 раза большем, чем в современных пустынях. На аллювиальных
равнинах отлагались красноцветы. Ландшафты относились к кальциевому,
кальциево- натриевому, хлоридно- сульфатному и содовому классам, а в областях
активного вулканизма --- к сернокислому и солянокислому классам.
Красноцветные пустыни соленосного класса. Как в девоне и нижней перми, для
этих ландшафтов было характерно накопление гипсов и легкорастворимых солей
в депрессиях рельефа.
Красноцветные пустыни содового класса. Повышенные содержания в
иллювиальном горизонте некоторых ископаемых почв Cu, V, Ве указывают на
содовый состав почвенных растворов. Напомним, что кислородные содовые воды
благоприятны для миграции Na, Al, Si, Cl, а также Li, Be, B, F, Sc, Ti, V, Cr, Cu,
Zn, Ge, Se и др. элементов (гл. 4, гл. 8). С другой стороны, эти воды "запрещены"
для Са, Mg, Sr, Ba, Fe и ряда других металлов. Подобная геохимическая
обстановка, очевидно, создавала очень своеобразные, часто неблагоприятные
условия для организмов. Красноцветные ландшафты содового класса, вероятно,
были центрами видообразования, в которых на эволюцию особенно большое
влияние оказывали геохимические факторы: организмы здесь испытывали резкий
дефицит Са (плохое развитие скелета?), Fe, на них могли влиять высокая
щелочность вод, повышенное содержание в водах Si, Al, Cu, многих редких
элементов.
Пермские красноцветы часто обогащены медью, в Приуралье известны две
широкие меридиональные полосы с тысячами рудопроявлений медистых
песчаников. Они известны и в Центральном Казахстане в красноцветах Чу-
Сарысуйской впадины, которая в перми была аллювиальной равниной с
реликтовыми солоноватыми озерами.
Месторождения и рудопроявления меди, возможно, формировались в
ландшафтах содового класса на границе аридных и семиаридных тропических
пустынь, т . к . меридиональные меденосные зоны в Приуралье соответствуют этой
границе. Медь, вероятно, поступала в ландшафты из меденосных районов Урала в
составе терригенных частиц временных и постоянных водотоков. Содовые воды
выщелачивали медь из частиц, она мигрировала и осаждалась на сероводородном
(В 4, В 8) или слабокислом глеевом (Е8) барьерах.
Верхнепермские красноцветы Приуралья местами также обогащены Cr (до
0,03---0,05%), для миграции которого в форме CrO42- благоприятны содовые
воды. Хромсодержащие песчаники, месторождения и рудопроявления хромового
монтмориллонита- волконскоита (ценной минеральной зеленой краски) также
приурочены к семиаридным тропическим пустыням содового класса. Осаждение
Cr, очевидно, происходило на кислом барьере В4.
В отложениях красноцветных аридных и семиаридных пустынь содового класса
часто отмечаются повышенные содержания ванадия.
Общие черты пермских красноцветных пустынь. Эти ландшафты не имеют
современных аналогов: в гидроклиматическом отношении они были аналогичны
современным степям (саваннам?), а по биологическому круговороту --- пустыням.
Пермские аридные и семиаридные ископаемые почвы также не имеют
современных аналогов из- за отсутствия в перми травянистой растительности,
дернового процесса и гумусонакопления.
Семиаридные субтропики. В начале верхней перми подобные ландшафты были
распространены в Северном Приуралье, Печорской синеклизе, Западно-Сибирской
равнине, Восточном Казахстане. В конце перми они распространились и на
западную часть Восточной Сибири. Годовое количество осадков в этих регионах,
по В. М. Синицыну, составляло 800---1200 мм/год. Основными доминантами
растительности были угнетенные формы кордаитов, гингковых, хвойных и
мелколиственных папоротников (редколесье?). Кольца годового прироста в
окаменелой древесине кордаитов указывают на сезонные засухи.
В районах Северного Приаралья, Зауралья, Восточного Казахстана,
примыкающих к зоне пустынь, были широко распространены красноцветы с
прослоями мергелей и озерных известняков. Восточнее в районах, тяготеющих к
зоне бореальных гумидных лесов, климат был влажнее, преобладали
слабокарбонатные и бескарбонатные пестроцветы. На аккумулятивных равнинах
накапливались сероцветные угленосные отложения. Угли были преимущественно
сапропелевыми и сапропелево- гумусовыми, что указывает на образование их в
хорошо освещавшихся и прогревавшихся озерах и болотах.
На водораздельных пространствах семиаридных субтропиков преобладали
ландшафты переходного (Н+ ---Са2+) класса с нейтральными и слабощелочными
кислородными водами, неблагоприятными для миграции большинства
катионогенных металлов. Для аккумулятивных впадин и областей угленакопления
были характерны ландшафты кальциево- глеевого класса с нейтральными и
слабощелочными бескислородными водами. В этих ландшафтах могли легко
мигрировать многие металлы в виде металлорганических комплексов, развиваться
процессы глеевого выщелачивания, формироваться глеевые барьеры С3.
Гумидные ландшафты умеренного пояса. В Восточной Сибири и на Дальнем
Востоке, по В. М. Синицыну, среднегодовые температуры составляли 18---24°С,
годовое количество осадков --- 1200---2000 мм. В Восточной Сибири
господствовали семигумидные, ближе к Тихому океану --- гумидные ландшафты.
Сезонные изменения были связаны в основном с колебаниями влажности, зим с
длительным понижением температуры ниже 0° не было. На аллювиальных
равнинах Восточной Сибири росли хвойно- гингковые, кордаитовые и
папоротниковые леса. К концу перми, в татарский век, вследствие общей
аридизации они поредели, в древостое уменьшилась роль кордаитов,
папоротников и возросла роль хвойных, гингковых, цикадовых, птеридосперм. На
западе и в центре Восточной Сибири, испытавших сильное прогибание --- в
Тунгусской, Енисейской и Ленской низменностях накапливались мощные
угленосные толщи. С юга эту низменность ограничивали Байкальские глыбовые
нагорья с ландшафтами кислого и переходного от кислого к кальциевому классам.
В конце верхней перми в Восточной Сибири начался мощный вулканизм.
Вулканы располагались правильными рядами, нарушая однообразие равнин, с
болотами и озерами. На поверхность изливалась основная лава и выбрасывалась
масса обломочного материала, давшего начало толщам туфов и туффитов.
Особенно мощная толща вулканогенных пород накопилась на северо- западе --- в
Норильском районе.
Триас, юра и нижний мел. В это время на территории России преобладал
теплый климат, были аридные и гумидные области, причем если в западной
половине России в триасе еще преобладали аридные ландшафты, то в конце этого
периода --- в рэтский век началось увлажнение, и в лейасе (J1) уже широко
распространились гумидные тропические, субтропические и тепло-умеренные
лесные ландшафты. Высокое содержание СО2 в юрской атмосфере (рис. 15.2)
вело к накоплению большой биомассы, много разлагалось и растительных
остатков.
Рэт- юрские лесисто-болотистые низменности. По характеру водной
миграции, а частично и по бику эти ландшафты были аналогичны
каменноугольным вестфальским ландшафтам, современным лесисто-болотистым
низменностям Амазонии, Экваториальной Африки (
гл. 7). На такую
геохимическую обстановку указывает широкое распространение в юрском
периоде углеобразования и сильно выщелоченных каолиновых глин. На контакте
глеевых болотных вод с кислородной атмосферой формировались кислородные
геохимические барьеры А6, с накоплением
Fe, P, ряда микроэлементов. Обилие органических и минеральных коллоидов и
метаколлоидов (
глины, гумус) способствовало также распространению
сорбционных барьеров G2 и G6, глеевого барьера С2. Все барьеры могли
совмещаться, что определяло характерную парагенную ассоциацию элементов: Fe,
Mn, P, As, V, Mo, Ba, Zn, Pb, Cu, Ni, Co. Юрские гумидные лесисто- болотистые
низменности относились к кислому (Н+) и кислому глеевому (Н+ ---Fe2+) классам.
В качестве примера подобных ландшафтов рассмотрим средне- юрские
ландшафты Подмосковья, которые в эту эпоху относились к великому поясу
влажных тропических и субтропических лесов Евразии, распространявшихся
далеко к северу и югу. Для Русской платформы В.М. Синицын приводит
среднегодовые температуры +25оС. К северо- востоку от Москвы авторами было
изучено обнажение (карьер) батского (J2) аллювия --- песков и глин, которые
залегают в основании толщи бат- нижнекелловейских осадков (рис. 16.2). Они
глубокими карманами заходят в подстилающие аридные палеозойские отложения.
Рис. 16.2. Геохимические ландшафты Подмосковья в середине юрского периода (по
А . И. Перельману, А . Б . Анохину и А . Е . Самонову).Условные обозначения: 1-
четвертичные отложения;2 - юрские глины; 3 - каменноугольные изщвестняки; 4 -
зона разлома; 5 - геохимические барьеры; 6 - классы ландшафтов; 7 - геохимические
аномалии элементов на бар ьер ах.
Юрский аллювий перекрывается морскими глинами среднего келловея и песчано-
суглинистыми четвертичными отложениями. Для юрских аллювиальных глин
характерно низкое содержание Sr, Ge, Cu, Pb, Be, Co и др. микроэлементов (ниже
кларка), и только количество Yb, Zr, As несколько превышает кларк земной коры.
Эти особенности, очевидно, связаны с кислым глеевым выщелачиванием.
Пиритизированную древесину мы считаем проявлением восстановительного
сероводородного барьера В6. Последний не характерен для ландшафтов влажных
тропиков кислого или кислого глеевого класса, т. к . глеевые воды подобных
ландшафтов отличаются низкой минерализацией (ультрапресные) и почти не
содержат сульфат- иона --- источника серы для формирования сероводородного
барьера (гл. 4 и 8). Поэтому если кислая глеевая обстановка соответствует
палеогеохимической реконструкции, то пиритизированная древесина явно ей
противоречит. Необходимо установить экзотический источник серы в форме
сульфат- иона или сероводорода. Таким источником могли служить гипсоносные
отложения, подстилающие юрскую толщу. В этом случае восходящая миграция
сульфатных вод, их разгрузка в болотных отложениях должна была приводить к
десульфуризации и локальному формированию сероводородного барьера В6.
Пиритизированная древесина обогащена As, Ge, Mo --- элементами, характерными
для сероводородного барьера.
Высокоширотные ландшафты темных лесов. Отличное от современного
содержание СО2 и О2 лишь одна из причин, не позволяющая полностью
использовать принцип актуализма при реконструкции геохимии юрских
ландшафтов. Имели значение и другие факторы. В теплой и влажной юре так же,
как и позднее --- в меловом и палеогеновом периодах в околополюсном
пространстве, росли леса, реликтами которых служат юрские угли Якутии и
других регионов высоких широт. Одним из резких отличий этих ландшафтов от
современных влажных субтропиков была полярная ночь, когда на несколько
месяцев ландшафт погружался в темноту. В это время одна ветвь бика ---
фотосинтез прерывалась в связи с отсутствием солнечного света, а другая его
ветвь --- разложение органических веществ в теплом и влажном климате могла
протекать с прежней или близкой интенсивностью. В результате за темный период
ландшафты должны были "худеть" --- их биомасса периодически сокращалась.
Наземные животные должны были вырабатывать особое поведение. Подобная
обстановка, вероятно, влияла на поведение, физиологию и биогеохимию фауны.
Возникает комплекс геохимических проблем, связанных с существованием в
околополюсном юрском пространстве неизвестных ныне ландшафтов темных
лесов. Изучение таких ландшафтов должно привлечь внимание не только
геохимиков и географов, но и палеонтологов и других исследователей.
Иной была геохимия юрских лесных ландшафтов с расчлененным рельефом,
сложенных карбонатными породами (Са2+ и Н+---Са2+ классов), с активным
континентальным вулканизмом.
Гумидные ландшафты Забайкалья в верхней юре. На этой территории
платформенный режим в средней юре сменился тектоно- магматической
активизацией. На фоне общего воздымания сформировались сводообразные
возвышенности и межгорные впадины. Развивался вулканизм, впадины
заполнялись
вулканогенно- терригенными
отложениями. Реконструкция
геохимического ландшафта, во многом аналогичного современным влажным
тропикам горных вулканических областей Индонезии и Центральной Америки,
показана на рис. 16.3. В обстановке кислого выщелачивания многие металлы
легко мигрировали, их накопление могло происходить на совмещенных
кислородно- сорбционных барьерах (А6-G6), где сорбентом служили гидроксиды
Fe, а также на барьере С2 (в резковосстановительных условиях болот).
Кайнофит --- верхний мел, палеоген, неоген, четвертичный период
(100---0 млн. лет)
Верхний мел. В середине мелового периода произошла новая крупная
перестройка растительного мира, в нем стали господствовать покрытосеменные,
которые энергичнее поглощают биоэлементы, чем голосеменные. Поэтому при
разложении растительных остатков эти элементы (с большим Ах) накапливались в
верхних горизонтах почв. В результате новые поколения растений находили в
почве больше необходимых им элементов. Так росла самоорганизация и
отрицательная обратная связь: растения сами улучшали среду своего обитания.
Этот новый тип бика мы назвали прогрессивным, так как он улучшил условия
существования организмов.
Хотя покрытосеменные с большей энергией начали поглощать элементы
питания
Рис. 16.3. Геохимия ландшафтов Витимского плоскогорья Забайкалья в средней --- верхней юре (по
А.И. Перельману и А.Б. Анохину). Условные обозначения: 1 --- галечники с песком; 2 --- песчаники и
гравелиты; 3 --- туфопесчаники, туфогравелиты; 4 --- направление водной миграции; 5 --- направление
тектонических движений; 6 --- направление разломов; 7 --- граниты; 8 --- базальты; 9 --- коры
выветривания; 10 --- место латерального геохимического барьера; 11 --- формула геохимического
барьера.
из почвы и лучше, чем голосеменные противостояли кислому выщелачиванию,
полностью преодолеть последствия выщелачивания растительный мир не смог и в
современную эпоху во влажном климате в результате бика развивается кислое
выщелачивание почв, ухудшается минеральное питание растений и животных.
В конце мела --- палеогене покрытосеменные освоили аридные районы, возник
более быстрый бик степей и саванн, что создавало возможность ускорения
эволюции. Животный мир также изменился: в конце мелового периода произошло
" великое меловое вымирание фауны" --- исчезли динозавры и многие другие
пресмыкающиеся, в палеогене началось бурное развитие млекопитающих.
В кайнофите увеличилось разнообразие ландшафтов --- наряду с гумидными
лесными ландшафтами и пустынями, характерными для мезофита, возникли
саванны, степи, тундры, горные луга и другие новые типы.
В позднем мелу произошла аридизация и термическая дифференциация
климата. Содержание СО2 в атмосфере понизилось, но все же в 7---8 раз
превышало современное. Содержание О2 было близко к современному (рис. 15.2).
Влажные леса с реликтами мезофитной флоры, так же как и пояс интенсивного
угленакопления, отступили к арктическому и тихоокеанскому побережьям. Во
второй половине верхнего мела --- в сеноне существовали Урало-Сибирская и
Евро-Туркестанская фитогеографические области. Для последней были
характерны саванны, в которых накапливались карбонатные красноцветы.
Исследования на юге Казахстана позволили восстановить геохимию этих
ландшафтов (А.И. Перельман и Е.Н. Борисенко). Западные и южные части
изученного региона --- современные хребты Киргизский и Каратау отличались от
расположенных восточнее Чу-Илийских гор большим количеством рек, более
влаголюбивой флорой. Это позволило реконструировать климатическую и
ландшафтную зональность и составить палеогеохимическую ландшафтную карту,
на которой выделена влажная, типичная и сухая саванна (рис. 16.4).
Грубообломочный состав аллювия указывает на горный рельеф в районе
современного хребта Каратау. На предгорных равнинах были многочисленные
пресноводные озера, площадь которых в сезон осадков сильно увеличивалась.
Классы геохимических ландшафтов установлены по составу континентальных
отложений, коренных пород и по аналогии с современными ландшафтами данного
типа. Так, во влажной саванне для ландшафтов на метаморфических породах был
характерен кислый класс (Н+), а для ландшафтов на карбонатных породах ---
кислый переходный к кальциевому (Н+ --- Са2+). Роды геохимических ландшафтов
выделены по рельефу, т . е . интенсивности водообмена, а виды --- по составу
подстилающих пород. Геохимические барьеры установлены по аналогии с
современными ландшафтами. Так, во влажной саванне, где преобладали кислые и
слабокислые почвы, кальцит и доломит должны были интенсивно растворяться,
Са и Mg или выносились за пределы ландшафта, или поступали в нижние
горизонты коры выветривания, где развивалась кальцитизация пород (барьеры D2,
D3). Именно с этим временем связывают начало образования баритоносных кор
выветривания на девонских известняках в хребте Каратау: барит растворяется
хуже кальцита и доломита, с чем мы связываем формирование мощной и
обширной зоны баритизации Ансайского месторождения, в которой содержание
ВаSО4 достигает 65---67%. Во влажной саванне на контакте окисляющихся
сульфидных руд с известняками формировались щелочные барьеры D1 и кислые
E3, а на контакте силикатных и карбонатных пород --- барьеры D2. В зонах
разломов могли возникать термодинамические барьеры Н7, Н8 с образованием
известковых туфов.
Восточнее в Чуйской впадине располагалась обширная аллювиальная равнина с
многочисленными мелкими водоемами. Здесь были типичные саванны с
нейтральными и слабощелочными почвами и водами. В сухие сезоны могли
формироваться испарительные барьеры F3, F4, F7, F8, F11, F12. Для многих
современных красноцветных ландшафтов типичных и сухих саванн характерны
содовые грунтовые воды, которые, вероятно, были и в сеноне. Эти воды могли
активно выщелачивать кремнезем из вмещающих пород, а на участках
Рис. 16.4. Палеогеохимическая ландшафтная карта сенона (по А . И . Перельману и
Е .Н. Борисенко):
А --- геолого-географические характеристики. Породы верхнего мела: 1 --- глины и алевролиты, 2 ---
пески и песчаники, 3 --- конгломераты и гравелиты. Породы палеозоя и докембрия: 4 ---
метаморфизованные и метаморфические, 5 --- терригенные, 6 --- карбонатные, 7 --- интрузивные
кислого состава, 8 --- районы нефтегазовых проявлений, 9 --- районы соляных куполов, 10 --- районы
развития кор выветривания, 11 --- разломы, 12 --- реки, 13 --- озера, 14 --- границы горных пород и
классов ландшафтов. Б --- ландшафтно-геохимические характеристики. Типы ландшафтов: 15 ---
ландшафты галерейных лесов, 16 --- граница типов ландшафтов. Классы: 17 --- Н+ --- кислый, Н+ ---
Са2+ --- кислый переходный к кальциевому, Са2+ --- кальциевый, Са2+ --- Fe2+ --- кальциево-глеевый, Са2+
--- SО42-
--- гипсовый, Са2+ --- Nа+ - кальциево-натриевый, Na+ --- ОН-
--- содовый, Na+ - SO42-
--- Cl-
---
хлоридно-сульфатно-натриевый, соленосный, Na+ --- SO42-
--- Cl-
--- Н2S --- хлоридно-сульфатно-
натриевый, сероводородный. Роды ландшафтов: 18 --- водообмен замедленный, химическая денудация
преобладает над механической, граница между подчиненными и автономными ландшафтами нерезкая
(аккумулятивные плоские равнины), 19 --- водообмен средний, соотношение между механической и
химической денудацией различное, граница между автономными и подчиненными ландшафтами резкая
(расчлененные возвышенности), 20 --- водообмен энергичный, механическая денудация преобладает
над химической, граница между подчиненными и автономными ландшафтами резкая (горы
захоронения остатков организмов, где создавались очаги локального понижения
рН (за счет выделения СО2 при разложении органических веществ кремнезем мог
осаждаться метасоматически, клеточка за клеточкой, замещая стволы деревьев,
кости динозавров). Подобное окремнение известно в сенонском аллювии (барьер
В4). На рис.16.5 приведены реконструкции геохимических ландшафтов сенона.
Геохимия палеогеновых ландшафтов будет рассмотрена в гл. 17 на примере
хорошо изученной территории Казахстана.
Миоцен (25---10 млн. лет назад). В эту эпоху атмосфера по сравнению с
современной все еще была примерно втрое богаче СО2 (0,1% против 0,03%). В
водах содержание СО2 и его производного --- НСО3 также должно было быть
повышено, что благоприятствовало карстовым процессам, увеличению
кислотности вод, кислому выщелачиванию почв и кор выветривания. Большую
часть территории России занимала широкая зона гумидных лесных ландшафтов с
теплым умеренным климатом и субтропическими элементами во флоре. Даже в
Восточной Сибири росли магнолия, секвойя, лавр, таксодиум. Южнее этой
грандиозной полосы широколиственно- хвойных лесов, в Приморье, Приамурье, на
Украине, по Нижнему Дону и низовьям Волги простирались леса влажных
субтропиков, которые преобладали и на островах Кавказского архипелага.
Рельеф миоцена по сравнению с современным был менее расчленен,
преобладали низменности и равнины, альпийские поднятия только зарождались и ,
например, Урал представлял холмистую возвышенность. Только в Южной Сибири
и на Дальнем Востоке уже поднимались настоящие горы --- невысокие предки
Алтая, Саян, Байкальского и других современных хребтов с альпийским
рельефом.
Западнее Енисея преобладали лесисто-болотистые низменности с
полноводными реками, широкими речными долинами, озерами. В геохимическом
отношении эти ландшафты напоминали лесисто-болотистые низменности карбона
и современных влажных тропиков. Почвы и континентальные отложения
гумидных миоценовых низменностей подвергались сильному выщелачиванию и
почти целиком состояли из труднорастворимых минералов, главным образом
Рис. 16.5. Геохимические ландшафты в эпоху накопления красноцветных отложений
сенона (К2 Sn) (по А.И. Перельману и Е.Н. Борисенко).
1 --- метаморфизованные породы палеозоя; 2 --- слабодислоцированные терригенные породы РZ ---
MZ; 3 --- красноцветные песчано-глинистые отложения турона (К2t1-2); 4 --- песчано-галечные
отложения сенона (К2sn).
каолинита и кварца. Местами отложения состоят из почти чистых кварцевых
песков и каолиновых глин. В болотах накапливался торф, давший начало залежам
бурых углей Башкирии, Оренбургской области, Сахалина, Белоруссии. Еще шире
распространилось углеобразование, не имеющее промышленного значения:
тонкие пропластки углей, углефицированные стволы деревьев, рассеянное
органическое вещество характерны для многих речных отложений ---
" аллювиальных сероцветов". Такие скопления часто обогащены редкими
элементами, для которых сорбция являлась единственно возможным механизмом
концентрации (G2). В местах выхода глеевых грунтовых вод на земную
поверхность, например, в нижних частях склонов, на террасах и поймах рек,
формировался барьер А6, на котором осаждались гидроксиды железа.
Большой интерес представляет палеобиогеохимия лесных низменностей
миоцена, так же как и других аналогичных палеоландшафтов --- вестфальских
карбона, мезофитных триаса, юры и нижнего мела, кайнофитных ---
верхнемеловых и палеогеновых. Фауна всех этих ландшафтов в течение многих
поколений существовала в условиях минерального голодания, так как и
растительная пища, и воды из- за кислого выщелачивания почв были очень бедны
важными биоэлементами. Особенно был характерен дефицит Са, ограничивающий
развитие скелета и размеры животных. Дефицит Р, Са, К и других элементов
сочетался с избытком Si, Fe, Mn, Al. Многие поколения животных пили
" коричневую воду", богатую РОВ, содержащую витамины, гормоны, канцерогены
и другие активные соединения. Столь своеобразные условия, вероятно, влияли на
эволюцию, в ландшафтах мог происходить отбор на химической основе, здесь,
вероятно, были важные центры видообразования фауны и флоры. Организмы
должны были
приспособиться
к
минеральному
голоданию,
маломинерализованным водам, богатым РОВ, и местам, относительно
обогащенным Fe, Mn, Al, Si. Это должно было вести к формированию "железной",
" марганцевой", "алюминиевой" и "кремниевой" флоры, накапливающей данные
элементы. На возвышенностях и в горах, где болот было меньше, ландшафты
относились к кислому классу (Н+). В миоцене они преобладали на Балтийской
возвышенности, Урале, Кавказе, в горах и на возвышенностях Южной Сибири и
Дальнего Востока.
В Восточной Сибири были широко распространены карбонатные осадочные
палеозойские породы и основные изверженные породы --- траппы. Ландшафт
здесь относился к переходному (Н+ ---Са2+) классу, его эволюция была иной, чем
кислых и кислых глеевых ландшафтов.
В начале миоцена в Саянах, Забайкалье, на Сихотэ-Алине, Курилах
распространился континентальный вулканизм, изливались базальтовые лавы,
горячие источники давали начало сильнокислым ручьям и озерам. Геохимия таких
сильнокислых ландшафтов (Н+ , SO42-, Cl-) была во многом аналогична
вулканическим юрским ландшафтам Забайкалья и резко отличалась от
окружающей территории. Здесь могла формироваться флора и фауна,
приспособленная к очень кислым водам и высокому содержанию Al ("квасцовая
флора").
Степи и саванны в миоцене на территории Казахстана и Средней Азии --- это
" геохимические антиподы" лесисто-болотистых низменностей: биомасса в них
была много ниже, растительные остатки быстро разлагались, во многих
ландшафтах преобладала окислительная среда, в речных долинах и озерах
отлагались красноцветы, воды практически не содержали РОВ. Аридные
миоценовые ландшафты описаны в гл. 17.
Четвертичный период. Огромное влияние на эволюцию ландшафтов в этом
периоде оказали оледенения. Некоторые исследователи объясняют их
происхождение уменьшением количества СО2 в атмосфере, содержание которого
в пузырьках воздуха из древних льдов понижено до 0,02%. В эпоху
максимального оледенения, начавшуюся около 200 тыс. лет назад, мощные
ледниковые покровы распространялись на юг почти до широты Днепропетровска
и Волгограда. На Кавказе, Алтае, в Саянах и других горных системах также было
мощное оледенение. Широко распространились полярные пустыни, своеобразные
тундростепи, холодные приледниковые (перигляциальные) степи с многолетней
мерзлотой, в которых шло накопление лессов и лессовидных отложений. Тайга
оттеснилась на юг Забайкалья, в Приамурье и Приморье. Лесные ландшафты были
и на Кавказе. В межледниковые эпохи климат становился теплее и влажнее,
субтропический и умеренный пояса сдвигались на север. При новом оледенении
они опять смещались в низкие широты. С чередованием ледниковых и
межледниковых эпох связано неоднократное наступление тундры на тайгу,
опустынивание степей и остепнение пустынь. Почвы, континентальные
отложения, флора и фауна современных ландшафтов содержат геохимические
реликты этих эпох.
Уровень Мирового океана в ледниковые эпохи был ниже современного на 100
м , а в начале потепления в результате таяния льдов уровень грунтовых вод
повышался, развивались гидроморфные условия. По В.А. Ковде, такие условия
господствовали на Восточно- Европейской равнине, на Западно-Сибирской
низменности, Центральных равнинах США и Канады, Венгерской и Туранской
низменностях и других великих равнинах. В Западной Сибири они преобладают и
в настоящее время. На равнинах формировались болотные, солончаковые и
прочие супераквальные (гидроморфные) почвы и ландшафты. В дальнейшем с
понижением уровня грунтовых вод значительная часть этих почв и ландшафтов
стала развиваться по элювиальному (автоморфному) типу. Автоморфизму
гидроморфных почв и ландшафтов в послеледниковое время способствовали как
климатические изменения, так и неотектонические поднятия.
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте основные геохимические особенности ландшафтов архея и
протерозоя.
2. Почему гипотетичен абиогенный этап?
3. Чем геохимия ландшафтов нижнего рифея отличалась от позднейших
рифейских ландшафтов?
4. Какова геохимическая особенность границы венда и кембрия? Как А.П.
Виноградов объяснял мягкотелость докембрийской фауны и появление у нее
скелета в кембрии?
5. В чем состояло геохимическое своеобразие девонских красноцветных
пустынь?
6. Что представляли собой палеофитные лесные ландшафты карбона, чем они
отличались от современных влажных тропиков?
7. Приведите доказательства существования ландшафтов содового класса в
верхней перми.
8. Что показало изучение ископаемых пермских почв?
9. Чем отличалась геохимия юрских лесных ландшафтов Подмосковья и
Забайкалья? Где распространены их современные аналоги?
10. В чем состояло своеобразие геохимии ландшафтов темных лесов
мезофита?
11. Охарактеризуйте на примере района хр. Каратау геохимию верхнемеловых
саванн.
12. Как климат и тектоника влияли на формирование миоценовых
ландшафтов?
13. Какие новые типы ландшафтов возникли в четвертичном периоде?
Глава 17
ИСТОРИЧЕСКАЯ ГЕОХИМИЯ СОВРЕМЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ РОССИИ И
СОПРЕДЕЛЬНЫХ СТРАН
В отличие от палеогеохимии (гл. 16) в исторической геохимии главное
внимание уделяется влиянию прошлых геохимических эпох на современные
ландшафты, на характерные для них геохимические реликты.
17.1. Историко- геохимическая ландшафтная карта
На этих картах показываются территории с молодыми ландшафтами, простой
историей, бедные геохимическими реликтами, и ландшафты, пережившие
длительную и сложную историю в течение миллионов, десятков и даже сотен
миллионов лет (рис. 17.1). Для таких территорий характерны многочисленные
геохимические реликты, неоднократная смена климатических и тектонических
условий. На детальных историко-геохимических ландшафтных картах можно
показывать отдельные геохимические реликты --- древние гипсовые и
карбонатные горизонты в почвах, древнюю кору выветривания, реликтовые виды
растений и животных с характерными для них ассоциациями элементов.
Ðèñ. 17.1. Èñòîðèêî-ãåîõèìè÷åñêàÿ ëàíäøàôòíàÿ êàðòà ÑÑÑÐ (ïî À.È. Ïåðåëüìàíó):
À --- ìîëîäûå ëàíäøàôòû áåç ñóùåñòâåííûõ ãåîõèìè÷åñêèõ ðåëèêòîâ èëè ñî ñëàáûì èõ
ðàçâèòèåì --- 1 --- â óñëîâèÿõ ýíåðãè÷íûõ íåîòåêòîíè÷åñêèõ ïîäíÿòèé è ýðîçèîííîé
äåÿòåëüíîñòè; ãåîõèìè÷åñêèå ðåëèêòû íà òåððàñàõ ðåê è äðåâíèõ ïîâåðõíîñòÿõ
âûâåòðèâàíèÿ; 2 --- â îáëàñòÿõ ïîñëåäíåãî îëåäåíåíèÿ ñ øèðîêèì ðàçâèòèåì ëåäíèêîâûõ
îòëîæåíèé; ãåîõèìè÷åñêèå ðåëèêòû ëåäíèêîâîãî ïåðèîäà; 3 --- â îáëàñòÿõ ýîëîâîé
àêêóìóëÿöèè; 4 --- â ïîéìàõ è äåëüòàõ ðåê; 5 --- â îáëàñòÿõ ìîëîäûõ òðàíñãðåññèé.
Б --- ландшафты со сложной историей, сменой элювиальных и супераквальных режимов,
геохимическими реликтами разного типа --- 6 --- молодые ландшафты, формировавшиеся в аридных
условиях; частично пережили супераквальную стадию; преобладание солевых реликтов; 7 ---
ландшафты, формирование которых протекало в течение длительного времени в аридных условиях
(начиная с неогена); частично прошли через супераквальную стадию; преобладание солевых реликтов;
8 --- ландшафты, формирование которых протекало в гумидных условиях; частично прошли через
супераквальную стадию; углеродистые и железо-марганцевые реликты; 9 --- ландшафты со сложной
и длительной (с мезозоя) историей, сменой гумидных и аридных элювиальных и супераквальных
режимов; солевые, глинистые и железо-марганцевые реликты; 10 --- ландшафты со сложной и
длительной (с мезозоя) историей, сменой гумидных и аридных элювиальных и супераквальных
режимов; глинистые и железо-марганцевые реликты без существенных солевых реликтов; 11 ---
ландшафты с длительной историей, сменой гумидных теплых гумидными мерзлотными условиями;
преимущественно с железо-марганцевыми, углеродистыми и ледяными реликтами; 12 --- ландшафты
с длительной историей, частично пережившие супераквальную стадию, с реликтами разного типа.
Примерно на половине территории, изображенной на рис. 17.1, формирование
современных ландшафтов началось в неоген- четвертичное время (А). Таковы
многие горные страны (1), районы последнего оледенения, песчаные пустыни, где
ветер, перевевая песок, создает все новые и новые поверхности (2,3), районы
четвертичных морских трансгрессий, пойм и дельт рек (4 и 5). Это все
относительно молодые ландшафты, бедные геохимическими реликтами.
Значительно сложнее история большинства ландшафтов европейской России,
Казахстана, Урала, Сибири, Средней Азии (Б). Так, многие аридные низменности
сложены четвертичными, преимущественно аллювиальными отложениями, в
которых в прошлом близко залегали грунтовые воды, засолявшие почвы и грунты.
Позднее, когда уровень грунтовых вод понизился, реки изменили свои русла,
гипс, сульфаты, хлориды и другие солевые реликты в почвах сохранились (6).
Сложна геохимическая история грандиозного пустынного плато Устюрт, которое
освободилось от вод сарматского моря десятки миллионов лет назад. Здесь не
было речных долин, но почвы имеют геохимический реликт --- мощный гипсовый
горизонт. Возможно, это след былого близкого стояния грунтовых вод (сейчас
они залегают очень глубоко), или гипс и соли были привнесены ветром с
Каспийского моря (7). Для других древних пустынных плато, например
Заунгузских Каракумов, былое близкое залегание грунтовых вод доказано. В
северной половине России формирование ландшафтов в четвертичном периоде
протекало в гумидных условиях. В бассейнах Верхней Волги, Северной Двины,
Печоры, Оби, Колымы в прошлом, как и на юге, близко от поверхности залегали
грунтовые воды (8). Во многих районах они стоят близко и сейчас.
Грандиозная Среднесибирская возвышенность пережила длительную и сложную
историю. Еще в палеозое здесь стали формироваться гумидные ландшафты,
которые в дальнейшем неоднократно менялись, хотя некоторые общие черты
оставались неизменными --- теплый влажный климат, лесная растительность,
болота, аккумуляция в почвах органического вещества, Fe, Mn, P. В четвертичном
периоде земная кора была проморожена на сотни метров, сформировались
таежно- мерзлотные
и
тундровые
(
гольцовые)
ландшафты,
которые
господствуют и в настоящее
время. Местами сохранились
доледниковые
реликты,
характерны и реликты ледниковой
эпохи, например ископаемые льды
(11).
Особенно
резкие
и
геологически быстрые изменения
были в четвертичном периоде.
Например, в эпохи оледенения
север Западной Сибири был занят
ледниковым покровом, южнее располагалась тундра, на месте современной степи
--- сосново-березовая лесостепь.
Еще сложнее история многих территорий Средней Азии, Южного Урала и
Казахстана, где на протяжении сотен миллионов лет чередовался аридный и
гумидный режим, менялись типы реликтов (9, 10, 12).
17.2. Историческая геохимия ландшафтов казахстанских степей и пустынь
С середины верхнего мела и до конца олигоцена на большей части Северного,
Центрального, Восточного Казахстана и Южного Урала преобладал гумидный и
семигумидный климат, который в неогене сменился семиаридным и аридным,
господствовавшими в четвертичном периоде. Этот регион со сложной гумидно-
аридной эволюцией ландшафтов представляет большой интерес для историко-
геохимического анализа (
рис. 17.2). В Южном Казахстане в кайнофите
преобладали аридные и семиаридные ландшафты с менее сложной эволюцией, а в
Западном Казахстане --- особый ее вариант, т . к . территория освободилась от моря
только в конце палеогена --- начале неогена, а частично и в четвертичном
периоде. С этого времени ландшафты здесь также развиваются в аридных
условиях.
На протяжении верхнего мела и палеогена по соотношению климата и
тектоники для территории севернее широты современного озера Балхаш
выделяются четыре этапа геохимической эволюции ландшафтов: два со
спокойным тектоническим режимом (конец верхнего мела --- начало среднего
эоцена, ранний олигоцен) и два с активными положительными движениями
(средний и поздний эоцен, средний и поздний олигоцен). До начала олигоцена
преобладала субтропическая полтавская флора, сменившаяся листопадной
мезофильной --- тургайской. С каждым этапом связаны геохимические реликты в
Рис. 17.2. Типы развития ландшафтов Казахстана и
Средней Азии в кайнофите (по Н.С. Касимову).
современных ландшафтах.
Геохимические реликты верхнемеловых- среднеэоценовых переменно-
влажных субтропиков (этап пенепленизации)
. Таблица 17.1
Геохимическая систематика верхнемеловых- среднеэоценовых ископаемых
почв Центрального и Восточного Казахстана (по Н.С. Касимову)
Ассоциации
почв
Генерации
почв*
Семейства
почв*
Районы,
опорные разрезы, свита
кислые
оглиненные фульвоферрал
иты
Аркалык**
аркалыкская
Кислые
субаэральные
кислые
элювиально-
иллювиальные
элювиземно-
подзолистые
Горный Алтай***
карачумская
кислые глеево-
элюви-альные
кислые
поверхно-
стно-глеево-
элю-виальные
Призайсанье,
(Киин-Кериш,
Кара-Бирюк)
северо-зайсанская
Ðèñ. 17.3. Ïîâåðõíîñòíî-ãëååâî-ýëþâèàëüíûå èñêîïàåìûå ïî÷âû (ïåäîëèòû) â ìåë-
ýîöåíîâûõ îòëîæåíèÿõ: ñåâåðî-çàéñàíñêàÿ ñâèòà Ïðèçàéñàíüÿ (À --- Êèèí-Êåðèø, Á ---
Êàðà-Áèðþê); Â --- äæàðòàññêàÿ ñâèòà, Äæåçêàçãàí; Ã --- ïîâåðõíîñòíî-ãëååâûå
(ïñåâäîãëååâûå) ýëþâèàëüíûå ïî÷âû, ïî Äþøîôóðó, 1970, âíå ìàñøòàáà; I, II, III --- ðèòìû
ïî÷âîîáðàçîâàíèÿ, BFe --- èíäåêñû ãîðèçîíòîâ (ïî Í.Ñ. Êàñèìîâó). Ìîðôîëîãèÿ ïî÷â è
ëèòîëîãè÷åñêèé ñîñòàâ îòëîæåíèé:
1 --- глина, 2 --- алеврит, 3 --- песок и железистый бобовник, 4 --- глины коры выветривания, 5 ---
оглеенные породы, 6 --- ожелезненные красные породы, 7 --- железистые конкреции, 8 ---
ожелезненные пятна, 9 --- окремненные горизонты, 10 --- гумусированные горизонты, 11 ---
подстилка, 12 --- несогласное залегание пород.
кислые
грунтово-
глеево-элю-
виальные
Призайсанье
(Чакельмес),
северо-зайсанская,
Джезказган,
Аркалык-коскакольская,
кислые
гидрогенно-
окремненные
кремниевые
кирасы
(силькриты)
кислые гидрогенно-латеритные
ожелезненные кирасы
Призайсанье ---
северозайсанекая,
Джезказган ---
коскалькольская,
джартасская
Кислые
болотные
кислые
минеральные
болотные
кислые
торфяно-
глеевые
Призайсанье
(Кара-Бирюк),
й
*По классификации М.А. Глазовской.
**По Ю.Г. Цеховскому.
***По А.П. Феофиловой и др.
Геохимическими реликтами денудационных равнин и возвышенностей этого
времени являются древние коры выветривания, а низменных аккумулятивных
равнин --- континентальные отложения гематит- каолиновой формации с
многочисленными ископаемыми почвами --- педолитами (рис. 17.3). Напомним,
что при тропическом корообразовании по силикатным породам наиболее
интенсивно выносятся катионогенные микроэлементы, подвижные в кислой среде:
Mn, Zn, Pb, Ba, Sr и др., а Si, Al, Ti, Zr, Cr, редкие земли и др. анионогенные
элементы и элементы- гидролизаты выносятся значительно слабее. Кислое и
кислое глеевое выщелачивание катионогенных элементов из автоморфных почв и
кор выветривания, их переотложение в осадках или дальнейший вынос в моря
составляют одну из основных черт геохимии влажных тропиков и субтропиков
(гл. 7). Исследование геохимии каолинитовых горизонтов древней коры
выветривания гранитоидов и алевролитов Северного Казахстана подтвердило эту
закономерность и позволило использовать ее для реконструкций геохимических
ландшафтов денудационных равнин. Парагенезис активных мигрантов указывает
на широкое развитие на этих равнинах ландшафтов кислого глеевого класса.
На аккумулятивных равнинах в это время отлагались пролювиальные,
аллювиальные и озерные осадки пестроцветной гематит- каолиновой формации
(джаргасская и сарысуйская свиты в Джезказганском районе, коскакольская в
Тенизской впадине, аркалыкская и акжарская в Амангельдинском и Аркалыкском
районах, северозайсанская в Зайсанской впадине, карачумская в Горном Алтае).
Анализ распределения элементов в северозайсанской, аркалыкской и акжарской
свитах позволил восстановить ландшафтно- геохимическую обстановку
пролювиальных и пролювиально- аллювиальных равнин. Здесь протекали
процессы кислого глеевого выщелачивания катионогенных элементов и
остаточная аккумуляция анионогенных элементов и элементов- гидролизатов (Н.С .
Касимов). Особенно хорошо эта тенденция выражена в ископаемых кислых и
кислых глеевых почвах (табл. 17.1) и законченное выражение находит в
бокситоносных породах. В пестроцветной гематит- каолиновой формации породы,
измененные процессами почвообразования, составляют до 60---80% и более от их
общего подъема (В .С . Ерофеев, Ю.Г . Цеховский). Таким образом, общей
особенностью верхнемеловых- средне- эоценовых ландшафтов является близость
миграции элементов на денудационных и аккумулятивных равнинах, где под
влажными переменно- влажными тропическими и субтропическими лесами шло
интенсивное кислое, местами кислое глеевое выщелачивание катионогенных
элементов. Геохимическое своеобразие аккумулятивных равнин определялось
поступлением из областей сноса рыхлого материала кварц- каолинитового состава,
обедненного катиногенными элементами, его интенсивным вторичным кислым и
кислым глеевым выщелачиванием в процессах син- и постседиментного
почвообразования, локальной латеритизацией и окремнением.
Геохимические реликты
средне- верхнеолигоценовых (
тургайских)
ландшафтов (этап тектонической активизации). Геохимическим реликтом
этого времени является углисто- сидерит- колчеданная формация (ашутасская
свита Призайсанья, чаграйская (шидертинская) Приаралья, Тургая и Центрального
Казахстана, кайдагульская Центрального Тургая, журавская, знаменская,
чиликтинская и кутанбулакская свиты Западной Сибири, возможно, чиликтинская
и кутанбулакская свиты Тургая, кашагачская свита Горного Алтая). В этих свитах
установлены пестроцветные и лугово-болотные ископаемые почвы. На
денудационных равнинах по- прежнему формировалась сиаллитная и
феррсиаллитная кора выветривания, преобладали ландшафты кислого, местами
кислого глеевого классов. Мел- палеогеновая кора выветривания местами
подверглась дальнейшему выщелачиванию с образованием в ее верхней части
довольно мощной (до 5---7 м) зоны вторичного выноса, в которой уменьшилось
среднее содержание Mn, Sr, Co в 3---10 раз, а Pb, Cu, Zn и Ag в 2---5 раз (по
сравнению с их содержаниями в коре выветривания в целом). Следовательно,
площадные зоны приповерхностного выщелачивания --- это новые коры
выветривания или почвы, сформировавшиеся на более древней коре (Н.С .
Касимов). Они лучше выражены на денудационных равнинах Северного
Казахстана, где климат в олигоцене был гумиднее, чем в Центральном Казахстане.
На аккумулятивных равнинах в это время в пестроцветных поверхностно-
глеево- элювиальных и грунтово- глеево-элювиальных почвах интенсивно
мигрировали катионогенные элементы, а анионогенные элементы и гидролизаты
слабо накапливались на сорбционных барьерах в железистых конкрециях. В
результате длительного (в течение всего палеогена) кислого и кислого глеевого
выщелачивания кор выветривания, почв и континентальных отложений многие
олигоценовые почвы не только унаследовали от почвообразующих пород очень
низкие содержания катиногенных элементов, но и еще более (в 1,5---2 раза)
обеднились ими по сравнению с аналогичными почвами близкого механического
состава в верхнемеловых --- среднеэоценовых отложениях.
Во впадинах и на самых низких уровнях аккумулятивных равнин в это время
шло угленакопление и были развиты ландшафты кислого глеевого, нейтрального
глеевого и сульфидного классов. Исследования С.Н. Селякова в Кулунде, Н.М.
Великого в Приаралье и Н.С. Касимова в различных районах Казахстана
свидетельствуют о широком распространении в угленосных отложениях болотных
и лугово-болотных почв, позволяющих реконструировать геохимию этих
ландшафтов. В современных аридных ландшафтах осадки и педолиты угленосных
формаций существенно переработаны процессами окисления сульфидов,
содержащихся в угленосных отложениях и болотных почвах (сернокислое
выщелачивание, ожелезнение, огипсование и засоление). Это следует учитывать
при палеогеохимических и палеоландшафтных реконструкциях.
Причины накопления сульфидов в угленосных осадках не ясны, т . к . влажный
климат не благоприятствовал этому процессу (в связи с низким содержанием
SO42- в пресных водах). Остается предположить, что тектонические поднятия
того времени привели к вскрытию пород и руд, содержащих сульфиды, окисление
которых обогащало воды сульфатами, восстановление которых в болотах
приводило к образованию вторичных сульфидов.
Геохимические реликты ранне- среднемиоценовых (
аральских)
ландшафтов. В миоцене начался новый крупный этап развития ландшафтов,
связанный с аридизацией климата и вступлением рельефа большей части
территории Казахстана в аккумулятивную фазу. На равнинах исчезли лесные
ландшафты, появились саванны и степи. Изменились миграция элементов, типы
геохимических барьеров, парагенные ассоциации элементов. В автоморфных
почвах обстановка стала нейтральной и щелочной окислительной, в
гидроморфных почвах и илах щелочной восстановительной. В этих условиях
начали мигрировать элементы, образующие растворимые анионные и карбонатные
комплексные соединения.
Реликтом субтропических саванн и степей являются гидрослюдисто-
смектитовые зеленовато- серые озерные и озерно- пролювиальные гипсоносные
глины и алевролиты аральской свиты, широко распространенные в Казахстане и
на юге Западной Сибири. Их микроэлементный состав указывает на ландшафтно-
геохимическую обстановку пролювиальных равнин и озерных впадин. В Северном
и Центральном Казахстане глинистые озерно- пролювиальные осадки аральской
свиты по сравнению с отложениями верхнего олигоцена и кларками литосферы
слабо
обогащены (1,5---2 КК) аниногенными
элементами
и
комплексообразователями (Mo, Cr, V, Y, Sc, Zr, Cu, Ag), на фоне низких
содержаний (0,3---0,4 КК) катионогенных элементов (Sr, Mn, Ba). В осадках
разных районов содержание большинства элементов близко, что отражает
ведущую роль ландшафтно- геохимических условий и меньшее влияние состава
горных пород областей сноса. Бассейновые фации по сравнению с
пролювиальными обогащены в 2 раза Ве и в 1,5 раза Sc, Mo и Zn, что связано с
влиянием органического вещества и ожелезненностью пород. Распределение
других элементов и корреляционная структура пролювиальных и бассейновых
отложений в различных районах Казахстана сходны из- за господства щелочных
условий миграции и одинаковых геохимических барьеров (глеевых, сорбционных
и испарительных).
Ископаемые почвы в миоценовых отложениях Казахстана систематически стали
изучаться с начала 80-х годов (Н.С . Касимов и др.). В аральской свите
преобладают луговые, лугово- солончаковые и солончаковые почвы (рис. 17.4). По
высокому содержанию илистой фракции, наличию карбонатных журавчиков на
бескарбонатном фоне или слабой рассеянной карбонатизации, темно- серой и
оливковой окраске, монтмориллонитовому составу глин, низкому содержанию
гумуса в гумусовом горизонте, значительной доле Mg2+ и даже его преобладанию
над Са2+ в поглощающем комплексе при слабой засоленности, отсутствию гипса,
характеру педотурбаций луговые почвы отнесены нами к слитоземам (вертисолям)
тропических, субтропических и умеренно- теплых областей.
Широко распространены и ископаемые солончаки. От вмещающих пород они
отличаются отсутствием слоистости, обилием гипсовых конкреций и прожилков,
интенсивным омарганцеванием, реже ожелезнением, закономерной солевой
зональностью. Отсутствие гумусовых горизонтов свидетельствует об их шоровом
происхождении. Для прибрежно- озерных фаций характерны лугово- солончаковые
почвы тяжелого механического состава с повышенной гумусированностью,
местами засоленностью и загипсованностью. Гумусовые горизонты этих почв
обогащены Ве, Ag, Y, Cu, Sc, Mo и другими элементами, способными мигрировать
в щелочной среде автоморфных ландшафтов и накапливаться, как и в
современных степях, на кислых, глеевых и сорбционных геохимических барьерах
(гл.8и9).
На пролювиальных равнинах раннего и среднего миоцена почвообразование,
таким образом, носило галогенный, а во впадинах органогенно- галогенный
характер. Общая черта --- широкое развитие слитоземов и солончаков среди
гидроморфных и полугидроморфных почв и отсутствие солонцов. Это связано с
нисходящими тектоническими движениями и все более усиливающимся
галогенезом на опускающихся солончаковых равнинах, высокой сульфатностью
солончаков (солонцы типичнее для периодов тектонической активизации).
Ископаемые автономные почвы этого этапа не обнаружены.
Геохимические реликты поздне- миоценовых и ранне- плиоценовых
красноцветных (павлодарских) ландшафтов. В Казахстане, Зауралье, на юге
Западной Сибири красноцветные ландшафты появились в конце миоцена, когда
Рис. 17.4. Морфология и литология миоценовых ископаемых почв Казахстана (по Н.С. Касимову).
Почвы: а, в --- луговые, карбонатные, б --- луговые бескарбонатные, г, д --- луговые омарганцованные, е
--- солончаковые, ж --- гипсовые коры, з --- лугово-солончаковые. 1 --- темно-серые глины, 2 --- зеленые
глины, 3 --- зеленовато-коричневые алевриты, 4 --- охристые и белые пески, 5 --- марганцевые
стяжения, 6 --- карбонатные журавчики, 7 --- карбонаты по трещинам, 8 --- гипсовые розы, 9 ---
гипсовые кристаллы, 10 --- гипсовая кора, 11 --- генетические горизонты ископаемых почв, 12 --- циклы
почвообразования.
пассивный режим эпохи формирования зеленоцветной сульфат- карбонатной
аральской формации раннего и среднего миоцена сменился более активным
тектоническим режимом. Геохимическим реликтом этого времени являются
отложения павлодарской свиты, развитой от Приаралья до Алтая.
Тектоническая активизация привела к смене восстановительной обстановки в
почвах и осадках окислительной на фоне господства щелочной среды. Резко
уменьшилась гипсоносность и засоленность осадков, глеевый слитогенез и
галогенез уступают место карбонатнакоплению и осолонцеванию.*
На Алтае, Кокчетавской возвышенности, в Центральном Казахстане были
развиты теплоумеренные и переходные к субтропическим степи, лесостепи и
саванны с чертами высотной поясности. В Южном Казахстане, Приаралье
преобладали сухие степи и саванны с почти субтропическим климатом.
Наиболее широко в мио- плиоценовых красноцветах Казахстана и Средней Азии
распространены ископаемые луговые карбонатные почвы с конкреционными
горизонтами из плотных кальцитовых и кальцит-доломитовых журавчиков. Это
типичные карбонатные коры типа шоха, каличе, калькретов и т . п ., геохимия,
минералогия и генезис которых хорошо изучены не только в Средней Азии,
Казахстане, но и в Африке, Австралии, Мексике (
Аханов, Boulaine,
Добровольский, Дюшофур, Ишанкулов, Ропот, Перельман, Сидоренко, Сочава и
др.). Формирование калькретов чаще всего связывают с гидрогенной
аккумуляцией карбонатов кальция из грунтовых и подземных гидрокарбонатных
кальциево- магниевых
вод невысокой минерализации,
периодическим
возникновением склоновых грязево- карбонатных потоков и цементацией
карбонатами продуктов, снесенных в понижения. По сравнению с аральскими в
этих почвах существенно меньше роль органогенно- галогенных процессов и
характерно специфическое красноцветное "
саванное" почвообразование. В
подчиненных условиях были развиты ландшафты кальциевого и кальциево-
натриевого классов, а не соленосно- глеевого, как в аральское время.
Основные ландшафтно- геохимические реликты павлодарского времени ---
континентальные делювиальные и делювиально- пролювиальные отложения и
развитые в них ископаемые почвы. В Мугоджарах, Северном и Центральном
Казахстане, Призайсанье они имеют три основные геохимические особенности: 1
--- еще более равномерное по сравнению с аральской свитой распределение
большинства микроэлементов в отложениях различных районов равнинного
Казахстана, свидетельствующее о сходстве ландшафтно- геохимических условий:
2---
тенденция
к
концентрации
анионогенных
элементов
и
комплексообразователей (Mo, Cr, Y, Ag, Cu) выражена слабее, чем в аральской
свите (иная генетическая принадлежность осадков, отсутствие кислых, глеевых и
сорбционных барьеров); возможно, играла роль и меньшая щелочность почвенных
и поверхностных вод, что вело к снижению миграционной способности этой
ассоциации элементов; 3 --- сходство микроэлементного состава пролювиальных
отложений павлодарской и аральской свит Центрального и Северного Казахстана
и их отличие по некоторым элементам в межгорных впадинах.
Обобщение материалов по геохимии неогеновых красноцветов Казахстана и
Средней Азии и анализ литературных данных позволили авторам выделить
основной парагенезис микроэлементов, накапливающихся в красноцветах: Y, V,
Mo, Cu, реже Cr, Ti, Ag, Sc и Zn и лишь в отдельных случаях --- Pb и Zn, что
связано главным образом с ландшафтно- геохимической обстановкой их
образования --- в аридных и семиаридных ландшафтах в щелочной среде
мигрировали в основном анионогенные элементы и комплексообразователи,
накапливаясь, как и в современных степях, в гидроморфных почвах, озерах,
озерно- пролювиальных и пролювиальных отложениях.
Геохимические реликты четвертичного периода. Седиментация в этом
периоде локализуется в долинах крупных рек, озерных котловинах или носит
покровный характер. Ареалы осадконакопления были разорваны. В каждом
районе отложения имеют свои генетические особенности, что затрудняет их
изучение. Региональным геохимическим реликтом в Северном и Центральном
Казахстане являются покровные лессовидные отложения довольно однородного
гранулометрического и минералогического состава (В.В. Добровольский). Это
реликт перигляциальных степей верхнего плейстоцена, геохимические
особенности которого связаны в основном с различиями засоленности,
огипсованности и карбонатности, щелочной обстановкой седиментации,
определяющей миграцию и концентрацию анионогенных элементов и
комплексообразователей. По сравнению с более древними континентальными
отложениями они занимают промежуточное положение между неогеновыми
отложениями, еще более обогащенными анионогенными элементами и
комплексообразователями, и палеогеновыми отложениями и породами древней
коры выветривания (рис. 17.5), обедненными катионогенными элементами.
Следовательно, в формировании четвертичных отложений участвовали
геохимические реликты как гумидной (мел- палеоген), так и аридной (неоген)
эпох. Покровные суглинки ближе к неогеновым отложениям, но подвижность
анионогенных элементов и комплексообразователей в четвертичное время
уменьшилась в связи со сменой щелочных и сильнощелочных условий на
нейтральные и слабощелочные, менее благоприятные для их миграции.
Геохимия осадков мелких степных озер и пустынных озерно- солончаковых
впадин хорошо отражает ландшафтно- геохимическую обстановку водораздельных
пространств и миграцию химических элементов в позднем плейстоцене и
голоцене. В целом для озерных осадков характерна та же тенденция, что и для
покровных
отложений:
концентрация
анионогенных
элементов
и
комплексообразователей, подвижных в щелочной среде. Эта общая тенденция
дифференцируется в зависимости от щелочно- кислотной, окислительно-
восстановительной и солевой обстановки, а также металлогенической
специализации района. Особенно обогащены
озерно- солончаковые отложения.
Геохимическая
конвергенция
и
дивергенция реликтов в ландшафтах.
Сходство
ландшафтно- геохимических
условий в пределах отдельных аридных и
гумидных эпох определило основные
геохимические черты этих двух типов,
связанные с геохимической конвергенцией
гипергенных продуктов. На этом основано
индикационное
палеогеохимическое
значение древних
кор выветривания,
континентальных отложений и ископаемых
почв.
Геохимическая конвергенция гумидных
Рис. 17.5. Геохимические спектры элементов в
континентальных отложениях Северного
Казахстана. В кларках концентрации (КК) и в
кларках рассеяния (КР) (по Н.С. Касимову): 1
--- четвертичные суглинки (110); 2 ---
миоценовые глины (140); 3 --- глины древней
коры выветривания (170); 4 --- олигоценовые
песчано-глинистые отложения (120). В скобках
--- число проб.
реликтов (древних кор выветривания, пород гематит- каолиновой и углисто-
колчеданной формаций и развитых в них ископаемых почв) связана с
относительным постоянством климатических условий в палеогене, определившее
единый механизм формирования химического состава этих гипергенных
образований --- кислое и кислое глеевое выщелачивание катионогенных элементов
на фоне остаточного накопления анионогенных элементов и элементов-
гидролизатов (рис. 17.5, кривые 3 и 4).
Основная тенденция аридного и субаридного ландшафтообразования в неогене
--- еще более яркая геохимическая конвергенция микроэлементного состава
отложений аральской и павлодарской свит в различных районах в связи с
единством ландшафтно- геохимических условий миграции независимо от геолого-
структурных позиций и металлогенической специализации регионов (рис. 17.6).
По сравнению с кларками аридные отложения и почвы равнин слабо обогащены
анионогенными элементами и гидролизатами, мигрирующими в щелочной среде,
что согласуется с накоплением редкоземельных элементов иттриевой группы, Nb,
Ta, Hf, Zr в аридных отложениях более древних эпох (Ронов, Мигдисов, Балашов,
Пачаджанов).
Ландшафтно- геохимические условия определили геохимическую дивергенцию
гумидных и аридных реликтов. Для Казахстана и сопредельных районов это
установлено сравнением средних кларков концентрации катионогенных
элементов,
с
одной стороны,
и
анионогенных
и
элементов-
комплексообразователей, с другой (рис. 17.7).
От палеогена к неоген- четвертичному времени геохимическая эволюция
гипергенных продуктов была направлена в сторону их дивергенции за счет
возрастания анионофильности почв и континентальных отложений в результате
смены гумидных ландшафтов аридными. Парагенезис анионогенных элементов и
комплексообразователей в аридных и гумидных образованиях имеет различную
природу: в первом случае это аллохтонная аккумуляция подвижных мигрантов, во
втором --- остаточная относительная аккумуляция слабоподвижных элементов,
заметная лишь на фоне низких концентраций катионогенных элементов.
Гумидно- аридный тип геохимической эволюции ландшафтов. Этот один из
наиболее распространенных на Земле тип развития обусловлен глобальными
Рис. 17.6. Геохимическая конвергенция аридных реликтов Казахстана: 1,2 --- аральская свита (N11-2); 3
--- павлодарская свита (N13 - N21), по Н.С. Касимову; 2 --- по
В.Д. Алексеенко и др.
процессами аридизации в неогене и четвертичном периоде, он характерен для
обширных территорий Евразии, Африки, Австралии, Северной и Южной Америки,
где в современных аридных и семиаридных ландшафтах широко распространены
реликты мел- палеогеновых влажных тропиков и субтропиков. Геохимические
реликты казахстанских степей также пережили сложную историю развития. Среди
них выделяются: а) неизмененные и слабоизмененные (сингенетические) реликты
гумидной эпохи --- мел- эоценовые коры выветривания, верхнемеловые-
среднеэоценовые, средне- верхнеэоценовые,
нижнеолигоценовые, средне-
верхнеолигоценовые континентальные отложения и развитые в них ископаемые
почвы, б) эти же реликты (кроме верхнеолигоценовых), преобразованные
гумидным эпигенезом, в) гумидные реликты, преобразованные аридным
эпигенезом, г) аридные реликты --- ранне- средне- миоценовые, позднемиоценовые
(раннеплиоценовые), плиоцен- четвертичные континентальные отложения и
ископаемые почвы. Особенно важное значение представляет изучение гумидных
образований, измененных аридным эпигенезом, которое позволяет установить
геохимическую эволюцию ландшафтов.
Аридный эпигенез гумидных реликтов. Эволюция территории казахстанских
степей в кайнозое обусловлена не только гумидно- аридным типом развития, но и
изменениями тектонического режима. Оживление тектоники в конце неогена
привело к раскрытию структур, активизации разломов, размыву аридных осадков
и обнажению более древних гумидных реликтов. Коры выветривания,
палеогеновые отложения и почвы в это время подверглись аридному эпигенезу.
Его механизмы разнообразны --- засоление по тектоническим разломам и из
грунтовых вод, засоление за счет импульверизации солей, оглеение, ожелезнение
в процессе аридного почвообразования, трансформация химического состава
пород при окислении сульфидов в угленосных осадках и т . п . Однако аридный
эпигенез в большинстве случаев приводил к трансформации состава подвижных
элементов (накопление В , Sr) и почти затронул устойчивую кластогенную
минералогическую основу гумидных реликтов. Таким образом, химический состав
эпигенетически измененных кор выветривания и палеогеновых отложений
отражает не только ландшафтно- геохимические условия их формирования, а
является геохимическим реликтом более поздних этапов геологической истории,
что необходимо учитывать при палеогеографических реконструкциях и
геохимических поисках.
Рис. 17.7. Соотношение показателей К и А в почвах, древних корах выветривания и континентальных
отложениях (по Н.С. Касимову): 1 --- древние коры и палеогеновые отложения, 2 --- почвы
олигоценовой тайги, 3 --- неогеновые отложения, 4 --- четвертичные отложения Казахстана, 5 ---
степные почвы (черноземы, каштановые), 6 --- содовые почвы; каждая точка --- среднее из 20---200
проб.
Итак, химический состав реликтов, в частности микроэлементный, можно
проследить геохимическую эволюцию ландшафтов в кайнофите, условия
миграции и парагенезисы мигрирующих и концентрирующихся элементов. Эта
реконструкция наряду с изучением традиционных объектов, например, древних
кор выветривания, в значительной степени основана на геохимическом анализе
коррелятивных корообразованию континентальных отложений и особенно
ископаемых почв. Те и другие более полно, чем коры выветривания, отражают
древние ландшафтно- геохимические обстановки.
17.3. Блоковая неотектоника, эволюция аридных ландшафтов и методика
геохимических поисков рудных месторождений
В тех регионах Средней Азии и Казахстана, где неотектонические поднятия
проявились слабо, для денудационных равнин характерны реликты древней коры
выветривания. Особенно их много на пенеплене Северного Казахстана. На
участках с более энергичными поднятиями оживилась работа рек, стал
формироваться мелкосопочник. Неогеновые и более древние осадочные
отложения, древняя кора выветривания были смыты, на поверхность вышли
палеозойские породы. Ландшафт "
омолодился", в нем почти не сохранилось
геохимических реликтов.
Блоковый характер неотектоники определил различия истории ландшафтов
даже в пределах небольших территорий, особенно это наглядно в пустынях. Так,
на рис. 17.8 видно, что в опущенном блоке I сохранилась древняя кора
выветривания и гипсоносные почвы --- ландшафт гипсовой пустыни. Небольшой
приподнятый блок (II) полностью расчленен эрозией, там сформировался
ландшафт низких пустынных гор. Крупный приподнятый блок III лишь по краям
расчленен эрозией, которая уничтожила
древнюю кору выветривания и гипс, создала ландшафт низких пустынных гор
IIIа . До средней части приподнятого блока эрозия еще не дошла, там сохранился
ландшафт
гипсовой пусты ни (IIIб )
Рис. 17.8. Влияние тектонических блоковых движений на эволюцию аридных
ландшафтов (по А . И . Перельману):
1 --- древняя кора выветривания, 2 --- древние почвы.
Рис. 17.9. Древние процессы засоления привели к испарительной концентрации Ag, Mo, Sr в
"железной шляпе" сульфидного месторождения (по А.И. Перельману).
Значительная часть низкогорных пустынь Средней Азии прошла через стадию
гипсовой пустыни. Однако это только один вариант эволюции ландшафтов и не
исключается образование гипсовых пустынь в элювиальных условиях без
предшествующей супераквальной стадии (за счет эолового засоления).
Особенности истории ландшафтов пустынь и степей Южного Урала, Казахстана
и Средней Азии повлияли и на методику геохимических поисков рудных
месторождений. Хотя многие месторождения в этих рудных провинциях
образовались в палеозое, на земную поверхность они вышли лишь в начале
мезозоя. С этого времени рудные элементы включались в гипергенную миграцию,
стали формироваться вторичные ореолы рассеяния, которые впоследствии
многократно изменялись в результате кислого выщелачивания, засоления,
огипсования, ожелезнения и других эпигенетических процессов. Поэтому в
современных ландшафтах эти важнейшие поисковые признаки руд часто сильно
ослаблены, изменены, деформированы, оторваны от рудных выходов. Например, в
Мугоджарах некоторые зоны окисления сульфидных месторождений ("железные
шляпы"), сформировавшиеся в мезозое и палеогене, были засолены в неоген-
четвертичное время. В результате в верхних горизонтах зоны окисления
накопился гипс, возросло содержание Mo, Ag, Cu (рис. 17.9). Если рассматривать
такую железную шляпу как чисто элювиальное образование, то можно неверно
оценить перспективу оруденения на глубину, в том числе и продуктивность
месторождения. Именно поэтому рациональная методика геохимических поисков
должна быть основана на знании геохимической истории ландшафта рудных
провинций.
Контрольные вопросы
1. Что представляет собой историко- геохимическая ландшафтная карта?
2. Какие критерии положены в основу систематики меловых и палеогеновых
ископаемых почв Казахстана?
3. Какие факторы определили отличие исторической геохимии ландшафтов
пустынь Средней Азии от степей и пустынь Казахстана?
4. Охарактеризуйте геохимические особенности тургайских и других
палеогеновых ландшафтов Казахстана, их геохимические реликты?
5. Сравните аральские и павлодарские ландшафты.
6. В чем состоит геохимическая конвергенция и дивергенция реликтов в
ландшафтах Казахстана?
7. Охарактеризуйте гумидно- аридный тип эволюции ландшафтов.
8. Каковы общие особенности эволюции рельефа Южного Урала, Казахстана и
Средней Азии, какое влияние они оказали на оценку вторичных ореолов рассеяния
рудных месторождений при геохимических поисках?
Часть IV
География геохимических ландшафтов
Глава 18
ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗМЕЩЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ГЕОХИМИЧЕСКИХ
ЛАНДШАФТОВ
Климат, геологическое строение и рельеф --- это основные независимые
факторы формирования и размещения природных геохимических ландшафтов.
18.1. Климат
Роль климата в первую очередь определяется его влиянием на биологический
круговорот атомов: чем теплее и влажнее климат, тем больше накапливается
живого вещества, тем энергичнее минерализация органических веществ, больше
неравновесность и самоорганизация ландшафтов. Климат определяет размещение
типов, отделов, семейств и частично классов геохимических ландшафтов.
Неоднократно
предпринимались
попытки установить
количественные
зависимости между климатом и типами ландшафтов, почв, растительности: между
осадками, температурой, радиационным индексом сухости и другими
характеристиками климата, с одной стороны, типами почв и растительного
покрова --- с другой. Однако ни одна из предложенных формул не позволила
рассчитывать по климатическим показателям границы почв или растительности,
так как конкретные границы ландшафтов часто определяются рельефом,
геологией и не совпадают с климатическими показателями.
Благодаря самоорганизации и саморегулированию изменение макроклимата
может вызвать перестройку внутри ландшафта, не затрагивающую его
систематического положения. Это прежде всего относится к лесным ландшафтам,
где создается особый микроклимат. Поэтому не всякое изменение
макроклиматических условий вызывает автоматическое изменение типа,
семейства и класса ландшафтов. Последние обладают относительной
самостоятельностью, способностью "
сопротивляться" изменению внешних
условий, сохранять свою структуру. Относительная самостоятельность ландшафта
и определяет в ряде случаев несовпадение климатических и ландшафтных границ.
Близость морей и океанов, крупных внутренних водоемов влияет на
специфические особенности миграции. Океаны и моря служат источником
" морских" (талассофильных) элементов, которые из морской воды поступают в
атмосферу и с атмосферными осадками переносятся на континенты. Ландшафты
побережий, особенно в районах преобладания морских ветров, относительно
обогащены Cl, Na, J, B и другими талассофильными элементами. Влияние океана
местами сказывается на расстоянии сотен и даже тысяч километров.
18.2. Геологическое строение
Изучая его влияние на формирование ландшафта, необходимо учитывать не
только валовое содержание тех или иных элементов в горных породах, но и
формы их соединений. Особенно важны подвижные компоненты, которые
наиболее легко мигрируют и , следовательно, оказывают наибольшее влияние на
ландшафт. К ним относятся органические соединения, растворимые соли,
обменные катионы, некоторые минеральные коллоиды.
Важным фактором миграции является тектоника, в первую очередь степень
трещиноватости, крутизна падения пластов и разломы. Особенно важна геохимия
ландшафтов зон разломов, которая привлекала значительное внимание. Такие
ландшафты обычно резко отличаются от прилегающих территорий, их изучение
очень важно для разработки геохимических методов поисков рудных
месторождений, решения экологических задач. Так, на территории Ленинградской
области В.А. Рудником и другими показано, что некоторые разломы представляют
собой "геопатогенные зоны", с которыми связана заболеваемость, обусловленная
миграцией к поверхности радиоактивных и других токсичных элементов.
Анализируя причины геохимического своеобразия ландшафтов, необходимо
учитывать также особенности областей сноса, с размывом которых связана
аккумуляция осадков на данной территории. Например, четвертичные отложения
на северо- западе европейской России в значительной степени являются
дериватами кислых пород Балтийского щита. В связи с этим морены,
флювиогляциальные отложения, покровные суглинки и другие генетические типы
отложений имеют ряд общих геохимических особенностей: бедность Са и Mg,
низкое содержание Mn и т .д. На северо- востоке европейской России ледниковые
отложения являются дериватами палеозойских осадочных и метаморфических
пород Тимана, Новой Земли и Урала. Иной состав пород области сноса отразился
на химическом составе ледниковых отложений, а следовательно, и на
геохимических особенностях приуроченных к ним ландшафтов. Подобный анализ
полезен при выяснении причин различного естественного плодородия почв и
многих других практических задач. Так, распространение в области сноса горных
пород, богатых К или Р, повышает плодородие почв, интенсифицирует бик.
При вулканических извержениях ландшафты обогащаются пеплом, лавой,
газами, термальными водами. На свежих вулканических лавах и пеплах
образуются "
андосоли" --- плодородные темные почвы, богатые аморфными
минеральными веществами. В связи с этим многие регионы активного вулканизма
отмечены высокой плотностью населения, древней культурой, интенсивным
земледелием (Япония, Индонезия и др.).
Обширна информация по геохимии отдельных типов осадочных пород. Для
регионов России установлены статистически достоверные сведения о
распределении в них многих элементов. В частности, весьма разнообразна
геохимическая специализация осадочного чехла молодых платформ. Например,
морские битуминозные глины поздней юры (берриаса) обогащены Мо, V, Cu, P и
другими элементами; морские битуминозные глины и мергели эоцена --- миоцена
с костями рыб --- Mo, V, РЗЭ, P; морские фосфоритоносные песчано- глинистые
отложения мела --- палеогена --- РЗЭ, Sr, Zr, аллювиальные пески и песчаники
неогена с костями позвоночных --- РЗЭ, P, Th.
Ландшафты, в образовании которых участвует комплекс горных пород, близких
в литологическом отношении, именуются монолитными. При этом речь идет о
такой степени однородности, при которой различия не изменяют характер
взаимодействия пород с другими частями ландшафта. К монолитным относятся
ландшафты на гранитах, лессах, известняках и т .д. Гетеролитными называются
ландшафты на различных горных породах, причем эти различия изменяют
взаимодействие между горными породами и другими частями ландшафта. Таковы
ландшафты на гранитах с сульфидными жилами, на морене, подстилаемой
известняками, на песках, подстилаемых суглинком. Изучение региона желательно
начинать с монолитных ландшафтов, так как это позволит установить основные
закономерности.
Большинство геохимических ландшафтов сформировалось на различных
породах, поэтому в основу выделения видов ландшафтов часто кладут не
отдельные типы горных пород, а геологические формации, т . е. комплексы пород,
образовавшиеся в определенных структурно-фациальных зонах. Примером служат
флиш и красноцветы, которые состоят из чередующихся слоев песчаников,
алевролитов, мергелей и других пород. Понятно, что ландшафт не может
образоваться только на песчаниках или алевролитах, он развит на флише или
красноцветах в целом.
Информация по геохимии формаций России велика. Так, углеродистые сланцы
позднего протерозоя, кембрия, ордовика и девона обогащены Cu, Pb, Zn, P, V, Ni
и другими элементами, фосфоритоносные породы кембрия, ордовика, юры, мела
--- РЗЭ, F, Sr, Nb и другими элементами, красноцветы и пестроцветы позднего
протерозоя, кембрия, перми --- Cu, Zn. Геохимически специализированы и
однотипные формации разных регионов. Так, для флиша Алтае-Саянской области
характерны халькофильные и сидерофильные ассоциации элементов (Cu, Pb, Ni,
Co и др.), для флиша Верхоянья --- W, Sn. По А .М. Данилевич и др., в осадочном
чехле Туранской плиты терригенно- карбонатная формация неогена содержит в
среднем 1,2.10-4% Мо, та же формация палеогенового возраста --- уже 2,6.10-4%,
юрская терригенная, угленосная и карбонатная формации --- 8.10-4%. Не менее
контрастны данные и по другим микроэлементам. При геохимическом анализе
формаций, как и при анализе пород, главное внимание уделяется окислительно-
восстановительным и щелочно- кислотным условиям их образования. Так, В.С.
Ерофеев и Ю.Г. Цеховский ассоциации континентальных отложений разделяют на
сидерофильные (
гумидные) и кальциефильные (
аридные). Геохимическое
изучение формаций включает выделение парагенных и запрещенных ассоциаций
элементов, классов геохимических барьеров и связанных с ними концентраций
элементов. Геохимия осадочных формаций зависит от многих причин, в первую
очередь от условий осадкообразования, особенностей области сноса,
последующих эпигенетических изменений, обязанных подземным водам.
Геохимические особенности платформ, щитов, складчатых областей имеют
самое прямое отношение к химическому составу почв, осадков, вод, к развитию
организмов, поэтому геохимию каждого ландшафта необходимо рассматривать в
связи с общими тектоническими и металлогеническими закономерностями
территории.
Пестроту элементарных ландшафтов, связанную с различием горных пород в
условиях одного элемента мезорельефа (плоский водораздел, склон и т .д.), мы
именуем литологической комплексностью.
18.3. Рельеф
Рельеф влияет на расположение элементарных ландшафтов, на соотношение
механической и химической денудации, на водообмен и окислительно-
восстановительные процессы, на степень гетеролитности ландшафта.
От высоты над уровнем моря, как известно, зависит вертикальная поясность
климата и ландшафтов: с увеличением высоты уменьшается количество
свободного кислорода, дефицит которого в первую очередь отражается на людях
и животных (горная болезнь). Рост космического излучения и радиоактивности
атмосферы с высотой также имеет геохимическое значение.
Высокие горные хребты препятствуют поступлению в ландшафт редких
талассофильных элементов. Это доказано для йода, количество которого во
многих горных ландшафтах понижено, что способствует развитию эндемического
зоба.
На размещение элементарных ландшафтов большое влияние оказывает мезо- и
микрорельеф. Перераспределяя атмосферные осадки, он создает часто
гидрологическую
комплексность элементарных
ландшафтов, особенно
характерную для Западно-Сибирской, Прикаспийской и
других
слабодренированных и недренированных низменностей. По С.С . Неуструеву,
исключительно широко развиты гидрологические комплексы на плоских
аккумулятивных равнинах. Только последующее эрозионное расчленение
приводит к большему однообразию ландшафтов, соответствующих данным
климатическим условиям. Комплексность элементарных ландшафтов в пределах
одного мезорельефа может быть обусловлена также деятельностью ветра
(дефляционная комплексность) и текучей воды (эрозионная комплексность). Все
виды комплексности относятся к информационным характеристикам.
Комплексность почвенного покрова детально рассмотрена В.М. Фридландом,
который выделил элементарный почвенный ареал (
почва элементарного
ландшафта) и его сочетания --- почвенные комбинации. К ним относятся
почвенные комплексы, пятнистости, сочетания, вариации, мозаики, ташеты и т .д.
Эти построения важны и для геохимии ландшафта. В высоких горах на одном
склоне местами распространены нивальные, горно- луговые, лесные и степные
элементарные ландшафты. Все эти ландшафты мы относим к одному типу
геохимического ландшафта, так как их связывает между собой водная миграция ---
сток. Отметим, что и на равнинах в один тип геохимического ландшафта входят
элементарные ландшафты различных типов (сухая степь на каштановых почвах ---
солончак, хвойная тайга на подзолах --- верховое болото и т .д.). Однако в горах
различные типы элементарных ландшафтов характерны и для склонов, что на
равнинах встречается редко. Следовательно, горный рельеф сильно усложняет
строение геохимического ландшафта, увеличивает площадь его выявления и
степень разнообразия.
18.4. Зональность
Закон зональности В.В. Докучаева сыграл выдающуюся роль в развитии многих
естественных наук, позволил систематизировать колоссальный фактический
материал. Предшественником В.В. Докучаева был другой великий натуралист ---
А. Гумбольдт, открывший зональность растительного покрова и построивший на
этой основе географию растений. В.В. Докучаев показал, что зональность
распространяется и на "
минеральное царство", т . е . охватывает всю природу
земной поверхности.
Учет закона зональности необходим в сельском и лесном хозяйстве,
строительстве, с каждым годом выявляются новые возможности его
практического применения. Только в последние десятилетия стало ясно, что
многие болезни зональны (С.М. Малхазова), что зональность необходимо
учитывать при поисках полезных ископаемых, при решении экологических задач.
Зональность оказалась тем компасом, который позволил натуралисту
ориентироваться в малоизученном районе, интерполировать и экстраполировать
природные условия. Если Докучаев наметил лишь общие контуры учения о зонах
природы, то труды его учеников и последователей позволили вскрыть сам
механизм зональности, установить специфику размещения различных природных
тел ландшафта. Было показано, что зональность характерна не только для
размещения растительности и почв, но и грунтовых вод (П.В. Отоцкий, В.С.
Ильин, Г.Н. Каменский и др.), коры выветривания (Г.Н. Высоцкий), озерных
отложений (В.В. Алабышев), речных вод (Г.А . Максимович), конкреций (А.В .
Македонов) и других биокосных систем.
Сущность закона зональности не в том, что площади, занятые ландшафтами,
имеют форму широтных полос (зон), а в том, что ландшафт и другие биокосные
системы зависят от зональности климата. Однако ландшафт является функцией
ряда факторов, и поэтому нет и не может быть повсеместного совпадения границ
климатических и ландшафтных зон, хотя для части территории такое совпадение
имеет место. Чем ближе биокосная система расположена к земной поверхности,
тем сильнее она зависит от климата, подчиняется зональности и тем слабее
зависит от геологического фактора. Поэтому в наибольшей степени зональность
характерна для растительного покрова, меньше для почв, слабее для коры
выветривания и слабее всего для грунтовых вод. Соответственно влияние
геологического фактора возрастает сверху вниз: растительный покров ---
грунтовые воды. Это часто определяет несовпадение границ зон растительного
покрова, коры выветривания, грунтовых вод, а также большую ширину зон коры
выветривания и грунтовых вод по сравнению с зонами растительности и
ландшафтов. Так, зона карбонатной коры выветривания включает в себя
лесостепную, степную и пустынную ландшафтные зоны. По этим же причинам
химизм грунтовых вод местами слабо связан с климатом (например, воды
известняков в тайге относятся к тому же классу, что и в лесостепи).
В одной климатической зоне в зависимости от геологического строения,
рельефа, истории геологического развития могут быть развиты различные типы
ландшафтов. Например, в черноземных степях на лессовидных отложениях
господствуют степи, а на песках надпойменных террас развиты сосновые боры. В
степях Восточного Забайкалья в одних и тех же климатических условиях
черноземные степи приурочены к базальтам и другим основным породам, а степи
на каштановых почвах --- к гранитоидам. В южной тайге европейской России
соседствуют ландшафты елово- лиственных лесов на покровных и
флювиогляциальных отложениях и широколиственные леса на выходах пород,
богатых кальцием (карбонатная морена, элювий известняков и др.). Однако
подобные зависимости наблюдаются не повсеместно. Например, на равнинах
Восточной Монголии сухие каштановые степи характерны для всех без
исключения горных пород, в том числе и для базальтов, черноземные степи там
отсутствуют. Точно так же в более южных районах степной зоны на песках
развиты не лесные ландшафты, а своеобразные степные. Иначе говоря,
зависимость типа ландшафта от горной породы наиболее хорошо выражена
вблизи границ зон --- в экотонах, где климатические условия носят переходный
характер и где геологическое строение может обусловить появление различных
типов ландшафтов. Поэтому анализ отклонений от зональности подтверждает
ведущую роль климата в формировании ландшафтных зон. Итак, хотя общая
зависимость размещения ландшафтных зон и подзон от климата не вызывает
сомнений, конкретные границы часто обусловлены не климатом, а особенностями
рельефа и геологического строения. Даже на равнинах границы зон часто
представлены не слабо изогнутыми линиями (как изотермы и изогиеты), а
ломанными кривыми --- одна зона языками вдается в другую.
Макроклимат как фактор размещения ландшафтов до известной степени можно
сравнить с горными породами, которые также поставляют вещество и энергию в
ландшафт. Само наличие пород обусловливает относительную независимость
ландшафта от климата: так же как в условиях однообразного геологического
строения в разных климатических условиях формируются различные ландшафты,
так и при однообразном климате могут существовать различные ландшафты за
счет различия в геологическом строении. Обычно лимитирующее влияние климата
сказывается сильнее по сравнению с геологическим строением. Это и находит
отражение в общем соответствии ландшафтных и климатических зон.
Климат оказывает большее влияние на бик и меньшее на водную миграцию, в
связи с чем для биокосных систем различают зональность биологического
круговорота и зональность водной миграции. К первой относится зональность
растительного покрова и почв, образующих почвенно-растительные зоны. Ко
второй относятся зональность илов, коры выветривания, грунтовых и
поверхностных вод.
Особенно ярко зональность выражена на равнинах европейской России, где при
движении с северо- запада на юго- восток последовательно сменяются зоны
тундры, лесотундры, тайги, смешанных лесов (
подтаежная зона),
широколиственных лесов, лесостепи, степи и пустынь. Зональная система этой
обширной равнины делится на две части --- северную, включающую тундру и
лесные зоны, и южную --- лесостепь, степь и пустыню. В северной части тепло ---
основной фактор, лимитирующий бик. Воды здесь достаточно, местами по
сравнению с потребностями организмов она избыточна. Поэтому при движении с
севера на юг растет ежегодная продукция живого вещества (П) и биомасса (Б),
увеличивается неравновесность и самоорганизация. Границы здесь в общем имеют
широтное простирание в соответствии с изотермами теплого времени года.
Автономные и подчиненные ландшафты тундры получают близкое количество
тепла, увлажнение в обоих случаях высокое и геохимическая контрастность
ландшафтов сравнительно невелика. Особенно она мала в равнинной тундре. Мала
геохимическая контрастность и в северной тайге, для которой характерно
повсеместное развитие заболачивания, а следовательно, высокая миграционная
способность Fe, "тундровый тип" грунтовых вод. По мере движения к югу
геохимическая контрастность увеличивается. Иные соотношения в аридных
ландшафтах. Тепла здесь много, бик в основном лимитируется недостатком влаги
и границы зон в европейской России вытянуты с юго- запада на северо- восток в
соответствии с изменением увлажнения. Так же как и в тайге, в степях и пустынях
элементарные ландшафты получают примерно одинаковое количество тепла, но
увлажнение в подчиненных ландшафтах значительно больше. Отсюда понятна
резкая геохимическая контрастность аридных ландшафтов.
Поэтому существует два основных типы зональности: 1) гумидная зональность,
определяемая в основном различиями в количестве тепла (при оптимальном
увлажнении) и 2) аридная зональность, зависящая от увлажнения.
Контрольные вопросы
1. Назовите три главных природных фактора, которые определяют
размещение геохимических ландшафтов.
2. Какова геохимическая роль близости ландшафтов к морскому побережью?
3. Охарактеризуйте влияние области сноса на геохимические особенности
ландшафтов.
4. Что такое геологическая формация? Почему необходимо рассматривать ее
влияние на ландшафт и недостаточно учитывать только роль конкретных
пород?
5. Дайте определение понятиям: "монолитный" и "гетеролитный" ландшафт.
6. Какие существуют виды комплексности элементарных ландшафтов?
7. Охарактеризуйте виды зональности биокосных систем, входящих в
ландшафт, самих геохимических ландшафтов?
Глава 19
ЛАНДШАФТНО-ГЕОХИМИЧЕСКОЕ
КАРТОГРАФИРОВАНИЕ И РАЙОНИРОВАНИЕ
19.1. Ландшафтно- геохимические карты
Закономерности размещения элементарных и геохимических ландшафтов лучше
всего
выявляются
при
специальном
ландшафтно- геохимическом
картографировании, которое было начато в 50-х годах М.А. Глазовской и А .И.
Перельманом. В дальнейшем различные вопросы ландшафтно- геохимического
картографирования и районирования трактовались В .А. Алексеенко, И.П .
Гавриловой, А. В. Гедыминым, М .А. Глазовской, В. В. Добровольским, М.М.
Ермолаевым, Н.С. Касимовым, К.И. и В.К. Лукашевыми, Б.Ф. Мицкевичем, И.А.
Морозовой, А.И . Перельманом, В.А . Снытко, Н.П. Солнцевой, Т.Т. Тайсаевым и
др. Большое значение ландшафтно- геохимических карт для районирования
территории по условиям геохимических поисков полезных ископаемых привело к
их составлению не только в научных институтах и вузах, но и в производственных
геологических организациях. Позднее они стали использоваться при решении
экологических задач, связанных с чернобыльской катастрофой, загрязнением
среды в городах. Важная особенность этих карт состоит в синтезе информации ---
использовании понятий и показателей, характеризующих не отдельные
компоненты ландшафта, а систему в целом. Таковы геохимические барьеры,
коэффициенты водной миграции, биологического поглощения и другие
показатели.
Виды карт и масштабы картографирования. Методике ландшафтно-
геохимического картографирования, видам карт, их использованию, в основном
при поисках полезных ископаемых посвящен специальный курс лекций (И.П .
Гаврилова).
По содержанию ландшафтно- геохимические карты делятся на две основные
группы. Типологические карты показывают размещение элементарных и
геохимических ландшафтов. Геохимическая информация отражается условными
обозначениями в описательной, табличной или матричной форме, частично на
самой карте в виде различных геохимических формул, символов классов, родов и
видов ландшафтов. Таковы карты Урала М.А . Глазовской, М.М . Ермолаева, И.П.
Гавриловой, Г.А. Вострокнутова, Н.П . Солнцевой и др., СССР --- А .И.
Перельмана, Северного Кавказа --- В.А .Алексеенко, Забайкалья --- В .А.Снытко и
др.Границы геохимических и элементарных ландшафтов в основном совпадают с
почвенными,
геоботаническими,
геологическими,
геоморфологическими,
климатическими и прочими природными границами. Поэтому в основе
составления типологических карт лежат общие принципы науки о ландшафтах ---
представления о связях между климатом, горными породами, рельефом, почвами,
растительностью и водами. Отсюда следует, что как геохимические, так и
элементарные ландшафты, как правило, могут быть выделены по
физико- географическим, почвенным и геологическим материалам и без
привлечения специальной геохимической информации. Характеристика
геохимических особенностей ландшафтов, напротив, требует специальных
исследований. Однако геохимическое содержание данных карт определяется не
только их геохимической нагрузкой. Решающее значение имеют принципы
геохимической классификации ландшафтов, использованные при составлении
карт.
Структурные геохимические карты на ландшафтной основе показывают не
только условия миграции элементов, но и несут информацию о распределении
конкретных химических элементов и их ассоциаций в почвах, водах, растениях и
других компонентах ландшафтов по методу изоконцентрат, с учетом
статистических параметров. Эти карты берут начало от металлометрических
(литохимических) карт, которые в больших объемах составлялись в СССР при
геохимических поисках рудных месторождений. Примерами карт этой группы
служат моноэлементные карты Среднего Урала И.С. Михайлова, системно-
корреляционные карты Дальнего Востока Н.П. Солнцевой, на которых по
существу картографируется геохимическая структура ландшафтов, т . е . связи,
существующие между отдельными подсистемами ландшафта. Как правило, эти
связи имеют более индивидуальный характер и не являются типологическими.
По масштабу выделяются три уровня карт. Мелкомасштабные и обзорные
ландшафтно- геохимические карты (1:1 000 000 и мельче) отражают общие
сведения об условиях гипергенной миграции элементов крупных регионов стран
или мира. Каждый контур такой карты характеризуется единством зональных
климатических условий, почвенно-растительного покрова, определенным типом
рельефа и геологического строения, близким набором классов водной миграции.
Карты этого масштаба являются "стратегическими", они в основном рассчитаны
на использование в органах управления, для научных целей и преподавания.
Среднемасштабные карты (1:500 000---1:100 000) составляются для отдельных
регионов и областей. Наряду с условиями миграции на них дается характеристика
геохимического фона и геохимической структуры ландшафтов. Это в основном
карты геохимических ландшафтов. Они служат основой для районирования
экологической ситуации, условий поисков полезных ископаемых, решения других
региональных задач.
Крупномасштабные карты (1:50 000 --- 1:5 000) содержат информацию об
условиях миграции элементов в элементарных ландшафтах и ландшафтно-
геохимических катенах, их радиальной и латеральной структурах, системе
геохимических барьеров, сведения о макро- и микроэлементном составе
отдельных горизонтов почв, растений, рыхлых отложений и вод. Они
используются при оценке рудогенных и техногенных геохимических аномалий в
рудных районах, городах и т .д.
Методика ландшафтно- геохимического картографирования. В СССР были
разработаны две основные методики составления ландшафтно- геохимических
карт.
Рис. 19.1. Образец ландшафтно- геохимической карты лесостепной зоны
восточного склона Урала:
Орто- и параэлювиальные ландшафты низкогорий и мелкосопочника на
молодой маломощной (1--- 2,5 м) хрящевато-щебнистой коре выветривания с
частыми выходами пород: 1а --- березовая лесостепь на серых лесных почвах,
часто маломощных; 1б --- каменистая и разнотравно- злаковая степь на
черноземовидных почвах и черноземах.
Методика М .А . Глазовской. Она разработана на опыте составления карт Урала
на основе детальной геохимической классификации ландшафтов, принципы
которой ясны из рис. 19.1. На картах выделены элементарные ландшафты по
особенностям миграции и уровням содержания элементов. Знаками отображено
геологическое строение, цветом --- орто-, пара-, неэлювиальные, супераквальные
и субаквальные ландшафты. Для каждого вида ландшафта указан его
относительный возраст, мощность рыхлых отложений и другие особенности. Это
позволило установить условия образования ореолов рассеяния и наметить
рационально методику геохимических поисков. Особенно детальные карты
составлялись для рудных полей месторождений*.
Òàáëèöà 19.1
Фрагмент матрицы "Геохимические ландшафты (ГЛ) СССР" (карта М 1 : 20 000
000 --- 1964)Методика А.И . Перельмана.
Данная методика основана на классификации, приведенной в гл. 6. Первая
карта для территории европейской части СССР была опубликована в 1954 г .
Дальнейшее развитие методика получила на "Карте геохимических ландшафтов
СССР" М 1:20 000 в "Физико- географическом атласе мира" (1964). Она включала
составление таблицы- матрицы, в которой по вертикали показаны ландшафтные
зоны и подзоны, соответствующие типам и семействам геохимических
ландшафтов, а по горизонтальной оси --- рельеф и геологическое строение,
определяющие их роды и виды. В клетках матрицы --- наименования
геохимических ландшафтов. В результате были учтены три основных фактора
размещения природных геохимических ландшафтов: климат, в основном
определяющий размещение ландшафтных зон и подзон (типов и семейств,
частично классов), геологическое строение и рельеф --- важнейшие факторы
расчленения ландшафтов на роды и виды. Таблица 19.1 показывает
принадлежность ландшафтов к подзонам и к участкам с определенным
геологическим строением и рельефом. Так, северодвинские ландшафты --- это
среднетаежные равнины на четвертичных суглинках и глинах, а олонецкие ---
средняя тайга на докембрийских формациях Балтийского щита. Матричный
принцип наглядно иллюстрирует методику, он также позволяет прогнозировать
возможные, но пока не установленные в данном регионе виды ландшафтов
(пустые клетки). Таблицу- матрицу рационально составлять и для карт более
Типы ГЛ
(соответ-
ствуют
зонам)
Семейства ГЛ
(соответствуют
подзонам)
Геологические формации и рельеф
Равнины (I и II роды ГЛ)
Сильнорасчлененные
возвышенности и горы
(III род)
ледниковые
отложения
различного
состава
пески
кварце-
вые
четвертичные
отложения раз-
личного гене-
зиса и состава
лессы и
лессо-
видные
породы
красно-
цветные
формации
геосин-
клиналь-
ные фор-
мации
гранитоиды
и другие
формации
щитов
Тундро-
вый
северная тундра
(арктическая)
ямальские
средняя тундра
(моховая и
лишайниковая)
гыданские
южная тундра
(кустарни-
ковая)
большезе-
мельские
мурман-
ские
Таежный
северная тайга
обские
мезен-
ские
четлас-
кие
канда-
лакшские
средняя тайга
северо-
двинские
вологод-
ские
сургутские
косин-
ские
тиман-
ские
олонец-
кие
южная тайга
костром-
ские
полес-
ские
кетьские
чепцов-
ские
салаир-
ские
Сухостеп-
ной
северные сухие
степи на
темно-кашта-
новых почвах
сальские
чирские
караган-
динские
крупного масштаба вплоть до 1:5000. При этом меняется выбор координат
матрицы, например, климатические условия часто бывают однородными и не
участвуют в построении таблицы.
В оформлении карты М 1:20 000 000 отражена иерархия таксонов: типы и
семейства показаны цветом, классы --- штриховкой, роды --- интенсивностью
цвета, виды --- символами. В таблице 19.2 приведен фрагмент условных
обозначений.
Таблица 19.2
Карта геохимических ландшафтов СССР масштаба 1:20 000 000
Условные обозначения (выборочно)
Группы и типы геохимических ландшафтов
А. Лесные ландшафты
IV. Таежные ландшафты (показаны цветом)
б) Среднетаежные
бI) Западно- среднетаежные (без многолетней мерзлоты)
24. Северодвинские
IбН N,P,K,Ca,Na,Co,Cu,J,F...
H
25. Олонецкие
IIеН N,P,K,Ca,Na,Co,Cu,J,F...
H
26. Тиманские IIh H
27. Косинские
Ib,gH-Ca O,N,P,K
...
28. Вологодские Ic
29.Онежские Ib,еH,H--Fe O,N,P,K,Ca,Mg,Na,Co,Cu,J,F
H, H2O
30. Сургутские Ia,b
H--Fe O, N, P, K, Ca... --- геохимическая формула
Н2О, Н...
H, H--Fe --- типоморфные элементы и ионы O, N, P,
K, Ca --- дефицитные элементы,
Н2О, Н --- избыточные элементы и соединения.
Классы геохимических ландшафтов по особенностям водной миграции в
горизонте А почв автономных ландшафтов;
в скобках типоморфные элементы и ионы водной миграции
(для всей карты, показаны штриховкой)
Кислый и кислый глеевый Маломинерализованные, кислые
(Н+--Fe2+, H+)
и слабокислые воды,
Kислый глеевый (Н+ --Fe2+) местами с органическим веществом
Кислый (Н+)
(РОВ)
Карбонатный (Са2+)
Гидрокарбонатно- кальциевые,
Карбонатный глеевый
слабо- и среднеминерализованные,
(Са2+--Fe2+)
часто жесткие воды
Переходный от кислого к
кальциевому (Н+ --Са2+), местами
в комплексе с кислым и кальци-
Слабо- и
среднеминерализованные
евым (Са2+). Кислый (Н+) в гидрокарбонатно- кальциевые воды
сочетании с кальциевым (Са2+)
и глеевым (Н+Fe2+, Са)
Средне- и сильноминерализованные
Кальциево- натриевые (Са2+--Na+)
воды,
гидрокарбонатные и
хлоридно- сульфатные
Гипсовый (Са2+--SO42--) Преобладание гипса в почвах
Маломинерализованные
Содовый (Na+ --HCO32) в соче-
гидрокарбонатно-
натриевые воды
тании с кальциевыми (Са2+) в сочетании с гидрокарбонатно-
кальциевыми
Соленосно- сульфидный (Na+ , Сильноминерализованные хлоридно-
SO42--, H2S)
сульфатные воды (рассолы), местами
с сероводородом
Роды геохимических ландшафтов выделены по интенсивности водообмена,
соотношению химической и механической денудации, контрастности между
автономными и подчиненными элементарными ландшафтами (
показаны
интенсивностью цвета, убывающей от III к I).
I. Медленный водообмен, химическая денудация часто преобладает над
механической, граница между автономными и подчиненными ландшафтами
постепенная, различия местами незначительные (плоскоравнинный рельеф).
II. Средний водообмен, соотношения между механической и химической
денудацией различные, резкая граница между автономными и подчиненными
ландшафтами (холмистый рельеф, расчлененные возвышенности).
III. Энергичный водообмен, механическая денудация местами преобладает над
химической, резкая граница и значительные отличия автономных и подчиненных
ландшафтов (горный рельеф и сильнорасчлененные возвышенности).
Виды и группы видов геохимических ландшафтов по геологическим
формациям (символами --- а , b, с ...)
а) на глинистых и суглинистых аллювиальных отложениях (не лессовидных)
b) на ледниковых отложениях различного состава (валунные суглинки, пески с
валунами и т.д.)
с) на флювиогляциальных и аллювиальных песках, преимущественно кварцевых
d) на полимиктовых песках пустынь
е) на лессах и лессовидных породах
f) на четвертичных отложениях различного генезиса
g) на породах красноцветной формации
h) на платформенных осадочных формациях (известняки, глины и т .д .)
i) на геосинклинальных формациях (
изверженных, метаморфических,
осадочных)
k) на гранитоидах и других формациях щитов
l) на траппах.
Дальнейшее развитие приведенной методики выразилось в показе на карте
рудных месторождений, техногенных объектов, загрязняющих окружающую
среду, во включении в формулу видов геохимических барьеров, в легенду ---
информации об особенностях процессов миграции и концентрирования
химических элементов.
19.2. Ландшафтно- геохимические основы систематики
и картографирования биогеохимических провинций
Основы учения о биогеохимических провинциях были разработаны
А.П . Виноградовым в 30-х годах. Напомним, что к таким провинциям он отнес
территории, где флора, фауна, а во многих случаях и люди резко реагируют на
содержание в атмосфере, почвах, водах, продуктах питания определенных
химических элементов. Важное значение ученый придавал биогеохимическим
эндемиям --- болезням растений, животных и человека, связанным с дефицитом
или избытком элементов в окружающей среде.
Таблица 19.3
Типы и классы биогеохимических провинций (по А. И. Перельману)
Накопленный большой фактический материал выдвинул проблему систематики
и картографирования биогеохимических провинций. В .В . Ковальский первый
наметил три таксона этих провинций: регионы биосферы, субрегионы биосферы и
биогеохимические провинции. Регионы биосферы имеют признаки почвенно-
климатических зон. Среди субрегионов он предложил различать такие, в которых
комбинируются признаки региона по концентрациям, достигающим пороговых
величин, соотношениям химических элементов, возможному проявлению
специфических биологических реакций и субрегионы, признаки которых не
соответствуют характеристике региона. Последние образуются над рудными
телами, в бессточных районах, в районах вулканизма, при техногенном
загрязнении. Примерами служат изученные Ковальским с сотрудниками
Чиатурский марганцевый субрегион, Западно-Сибирский борный субрегион и
другие. В пределах субрегионов выделяются биогеохимические провинции с
характерными реакциями организмов, например, эндемическими заболеваниями.
Свои представления Ковальский конкретизировал на "
Схематической карте
биогеохимического районирования СССР", опубликованной в 1974 г . К регионам
биосферы он отнес таежно- лесную нечерноземную зону, лесостепную и степную
черноземную, сухостепные, полупустынные и пустынные зоны, горные зоны.
С ландшафтно- геохимических позиций систематика биогеохимических
провинций должна быть основана на геохимических критериях, к которым
относятся типоморфные элементы и геохимические свойства природных вод ---
поверхностных, почвенных и грунтовых. Эти воды служат тем источником, из
которого большинство элементов поступает в растения, животных и человека. От
геохимических особенностей вод зависит дефицит и избыток элементов,
биогеохимические эндемии. Состав типоморфных элементов, геохимия природных
вод и положены в основу выделения двух высших таксонов систематики
биогеохимических провинций --- типов и классов, показанных в таблице 19.3. Это
основные, наиболее распространенные типы и классы, не исключаются и другие
более редкие (но не менее своеобразные). Некоторые типы данной систематики
близки к "регионам биосферы" В.В. Ковальского, но есть и существенные
различия. Например, для таежно- лесной зоны он отмечает дефицит кальция, хотя
это не относится к территориям, сложенным карбонатными породами ---
ландшафтам кальциевого класса (гл. 7). При картографировании типов и классов
биогеохимических провинций рационально использовать ландшафтно-
геохимическое районирование, которое учитывает все три природных фактора
формирования этих провинций --- климат, геологическое строение и рельеф, а
также производные от них почвы, воды, растительный покров, образующие в
совокупности геохимические ландшафты.
При выделении третьего таксона систематики --- видов биогеохимических
провинций следует использовать критерий, предложенный А.П. Виноградовым и
принятый Ковальским --- дефицит или избыток химических элементов в
окружающей среде, связанные с ними биогеохимические эндемии ("медные",
" молибденовые",
"кобальтовые" и
прочие виды провинций). При
картографировании видов ландшафтно- геохимическое районирование может быть
использовано не всегда (особенно при выделении провинций, связанных с
дефицитом макроэлементов).
Биогеохимические провинции типа S --- с сильнокислыми водами
Провинции класса S1 --- с сернокислыми водами формируются на участках
окисления горных пород и руд, содержащих пирит и другие сульфиды. Напомним,
что при участии различных бактерий здесь образуется серная кислота, рН вод
понижается до 2---3, местами до 0, в водах приобретают высокую подвижность
многие металлы, которые накапливаются растениями, обуславливая
биогеохимические эндемии (гл. 3, 4). Таковы цинковые, медные и другие
провинции, особенно характерные для складчатых металлогенических поясов ---
это знаменитый серебряный пояс, простирающийся на западе Америки от Аляски
до Огненной Земли, рудные провинции Урала, Тянь-Шаня, Альпийского
складчатого пояса
и другие. В прошлые геологические эпохи
палеобиогеохимические провинции с избытком многих рудных элементов,
вероятно, были центрами видообразования организмов, обогащенных Cu, Pb, Zn,
Ni, Cd и другими металлами.
Провинции класса S2 --- с солянокислыми водами известны в вулканических
областях, где за счет продукта вулканизма --- НСl идут кислые дожди, текут
солянокислые реки, источники, озера, почвы имеют низкий рН (гл. 15). В водах
высоко содержание алюминия, железа, они часто богаты фтором и хлором, но
содержание халькофильных металлов может быть невысоким. Подобные
провинции известны на Камчатке, Курильских островах, в Японии, Индонезии и
других вулканических областях.
Биогеохимические провинции типа W --- с кислыми
и кислыми глеевыми водами
Эти провинции широко распространены в районах с гумидным климатом, с
ландшафтами тундры, тайги, широколиственных лесов, влажных субтропиков и
тропиков (главы 7, 11). Кислое выщелачивание почв приводит здесь к резкому
дефициту многих биоэлементов, что определяет минеральное голодание фауны,
низкое содержание в организмах кальция, развитие различных "биогеохимических
эндемий дефицитности". В некоторых почвах высока подвижность Al, Fe и
растения накапливают эти элементы (например, в золе плаунов, чая десятки
процентов Al2О3). И эти провинции, вероятно, были центрами видообразования.
Биогеохимические провинции типа W были широко распространены на
территории России в нижнем карбоне, конце триаса и юре, многих эпохах мела и
палеогена (гл. 16).
К классу W1 относятся провинции с кислыми водами и почвами, а к классу W2
--- с кислыми глеевыми почвами, болотными и грунтовыми водами, богатыми
РОВ. Это в основном заболоченные низменности, но в районах с многолетней
мерзлотой они распространены и на возвышенностях, и в горах (гл. 7). Напомним
об актуальности ландшафтно- геохимического анализа этногенеза в подобных
провинциях.
Биогеохимические провинции типа V --- с нейтральными
и слабощелочными водами
Данные провинции характерны для лесостепи, степей и пустынь, а также для
гумидных
территорий,
сложенных
карбонатными
породами.
Палеобиогеохимические провинции типа V были на территории России в
четвертичные ледниковые эпохи, в девонском и пермском периодах, на
территории Средней Азии --- в конце юры, меловом периоде и кайнозое (гл. 16,
17).
Класс V --- провинции с пресными, преимущественно гидрокарбонатно-
кальциевыми водами. Характерны расчлененный, реже плоскоравнинный рельефы,
преобладают незасоленные почвы. Напомним, что аридный климат определил
здесь сравнительно слабую миграцию кальция, флора и фауна в основном не
испытывают дефицита этого элемента, дефицит многих других элементов
выражен слабее, чем в провинциях типа W, но все же он полностью не
исключается. Возможен здесь и избыток элементов с соответствующими
эндемиями (главы 8, 9, 10). В районах с гумидным климатом провинции V класса
распространены на карбонатных и других породах, богатых кальцием и магнием.
Провинции класса V2 --- с сильноминерализованными хлоридно- сульфатными
водами, засоленными почвами, как и провинции класса V1 распространены в
степях и пустынях, занимая огромные площади, особенно в депрессиях рельефа
бессточных областей (Прикаспийская, Туранская и другие низменности, соляная
пустыня Деште-Кевир в Иране, засоленные котловины Тибета и Цайдама в Китае
и т .д.). Организмы здесь существуют в условиях высокого содержания в почвах и
водах Na, Mg, Cl, сульфат- иона. Это центры видообразования многих семейств
растений.
Биогеохимические провинции типа F --- с сильнощелочными водами
Содовые воды образуются в различных ландшафтно- геохимических условиях ---
в солонцах, в аридных вулканических регионах на участках разгрузки
сильнощелочных гидротерм (Восточная Африка, Калифорния и др.), при выходе
на поверхность "
нефтяных" вод и т .д. Видообразование здесь протекает в
условиях дефицита многих важных биоэлементов, особенно Са. Содовые воды
благоприятны для миграции и накопления Na, Li, B, Zn, Cu, Ag, Be, Si, Ge, Sn, Ti,
W, Mo, Y, редких земель иттровой группы (гл. 8). Биогеохимия многих этих
элементов не изучена, и можно только предполагать, какие своеобразные
особенности организмов в провинциях типа F обусловлены повышенным
содержанием в среде редких земель, Y, Zr и других элементов "
содовой
миграции". Провинции типа F до сих пор не привлекали должного внимания, на
этом пути исследователи ждут не только крупные теоретические открытия, но и
решения важных прикладных задач. К палеобиогеохимическим провинциям типа F
относились многие районы распространения красноцветных ландшафтов
пермского периода в России, мела, палеогена и миоцена в Средней Азии и
Казахзстане, эоцена в США (гл. 16, 17).
О связи геохимии ландшафта и учения о биогеохимических провинциях
Обе науки возникли в нашей стране примерно в одно время --- во второй
четверти ХХ столетия, связаны близостью методологии --- руководящими идеями
В.И . Вернадского, но долго развивались независимо друг от друга. Очевидно,
настало время укрепления связи между ними, что облегчит решение конкретных
задач каждой науки на основе использования идей и методов другой. Результаты
исследований биогеохимических провинций широко применяются в геохимии
ландшафта, но и данная наука многое может дать для решения актуальных
теоретических и прикладных вопросов, возникающих при изучении
биогеохимических провинций.
Контрольные вопросы
1. Виды и масштабы ландшафтно- геохимических карт?
2. В чем различия методик составления ландшафтно- геохимических карт М.А.
Глазовской и А. И. Перельмана?
3. Каковы ландшафтно- геохимические принципы выделения биогеохимических
провинций?
4. Охарактеризуйте биогеохимические провинции S-типа.
Часть V
Геохимия техногенных ландшафтов
Глава 20
ТЕХНОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ (ТЕХНОГЕНЕЗ)
Техногенная миграция --- наиболее сложный вид миграции, важность
геохимического изучения которой была установлена В .И. Вернадским и А .Е .
Ферсманом в начале ХХ столетия. Однако огромное практическое значение
подобного подхода выявилось только во второй половине века, когда резко
возросло влияние техногенеза на природную среду. Осуществляя техногенную
миграцию, человечество еще плохо знает ее законы, новые явления, которые
возникли на нашей планете. Поэтому актуальны вопросы --- что принесла эта
новая геохимия Земли, что она сулит в будущем, как влияет на материальную и
духовную жизнь людей, их здоровье и долголетие?
А.Е. Ферсман анализировал техногенез с общих методологических позиций
геохимии, выяснял, как зависит использование элементов от их положения в
периодической системе, размеров атомов и ионов, кларков.
Ноосфера. Часть планеты, охваченная техногенезом, представляет собой
особую систему --- ноосферу. В.И. Вернадский писал в 1944 г .: "Ноосфера есть
новое геохимическое явление на нашей планете. В ней впервые человек
становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать
своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом
по сравнению с тем, что было раньше. Перед нами открываются все более и более
широкие творческие возможности". Изучение геохимии ноосферы и техногенеза
составляет теоретическую основу рационального использования природных
ресурсов, охраны природы и борьбы с ухудшением качества окружающей среды.
Эти исследования быстро развиваются. Многие теоретические проблемы
техногенеза на базе геохимии ландшафта разработаны М.А. Глазовской.
В разработке проблем ноосферы особенно важен контакт с другими науками, в
частности с экономической географией, к чему призывал Ю.Г. Саушкин. Его идеи
о преобладании территориальной концентрации над территориальным рассеянием,
о поляризации различных участков ноосферы и другие важны и для геохимии
ландшафта. Интересна мысль ученого о своего рода "нервных узлах" ноосферы ---
огромных концентрациях ученых, студентов, библиотек, сокровищ культуры в
столичных и университетских городах, крупных промышленных центрах. Все же в
целом концепция ноосферы разработана слабо, хотя не вызывает сомнений
основной тезис В .И. Вернадского и А. Е. Ферсмана --- человечество стало мощной
геохимической силой.
В ноосфере происходит грандиозная миграция атомов. Ежегодно перемещаются
миллиарды тонн угля, нефти, руд и стройматериалов. В течение немногих лет
рассеиваются месторождения полезных ископаемых, накопленные природой за
миллионы лет. Эколого- геохимическая классификация веществ, участвующих в
техногенезе, представлена на рис. 20.1.
С продукцией сельского хозяйства и промышленности атомы мигрируют на
огромные расстояния. С экспортом и импортом зерна в мире ежегодно мигрируют
миллионы тонн К, сотни тысяч тонн Р и N, что лишь в 10 --- 100 раз меньше
ионного стока рек в океан. Н.Ф. Глазовский показал, что вывоз N, Р и К с
зерновой продукции только с территории степной зоны России и Казахстана
соответствует ионному стоку этих элементов в Каспийское море. По
О.П. Добродееву масштабы многих процессов техногенеза превышают природные:
ежегодно из недр извлекается больше металлов, чем выносится с речным стоком:
Рв---почтив70раз,Сr---в35,Сu---в30,Р---в20,Fе,Мn---в10,Zn---в5,Аl
--- в 3 раза и т .д. Только при сжигании угля освобождается больше металлов, чем
выноситсясречнымстоком(V---в400раз,Мо---в35,С---в20рази т.д.).
Энергетика техногенеза. Как и в биосфере, в ноосфере используется текущая
солнечная энергия, огромное значение приобретает также солнечная энергия
былых биосфер, заключенная в ископаемом топливе --- углях, горючих газах,
сланцах, нефти. Используется и энергетический источник, чуждый биосфере, ---
атомная энергия. Поэтому для техногенных ландшафтов характерна еще большая
неравновесность, чем для природных, создаются предпосылки для более высокой
самоорганизации, хотя незнание ее законов часто приводит к уменьшению
устойчивости ландшафтов, деградации природы.
Часть используемой в ноосфере энергии производит работу, другая в
соответствии со вторым законом термодинамики неизбежно обесценивается и
выделяется в виде тепла. Пока эффект техногенного разогрева невелик --- в 25
тыс. раз меньше солнечной радиации. Однако в крупных городах техногенное
тепло уже достигает 5% от солнечного излучения. Главная причина --- отопление
жилых домов и промышленных предприятий. По М .И. Будыко, увеличение
производства энергии от 5 до 10% в год приведет к тому, что через 100 --- 200 лет
техногенное тепло будет соизмеримо с величиной радиационного баланса земной
поверхности. При этом могут произойти громадные изменения климата.
Месторождения угля, нефти и газа отрабатываются за десятки лет. В результате
Рис. 20.1. Классификация техногенных воздействий (по Н.П. Солнцевой).
углерод снова соединяется с кислородом и входит в состав СO2. Ежегодное
потребление угля и нефти добавляет в атмосферу до 9.109 т СO2. При
современных темпах через 50 лет содержание СO2 удвоится и температура земной
поверхности за счет парникового эффекта может повыситься на 4°С. К
техногенным парниковым газам относятся также метан, закись азота, фреоны,
озон и др. В результате парникового эффекта возможно частичное растопление
льдов Антарктики и Арктики, затопление приморских низменностей и другие
положительные и отрицательные последствия. Громадная скорость процессов
ставит сложные проблемы глобального воздействия на атмосферу с целью
стабилизации климата. С распашкой почв, дроблением пород, руд и т .д. связано
запыление атмосферы, которое может способствовать похолоданию климата. В
этом же направлении действует вулканизм, но наиболее опасна возможность
ядерной войны, которая помимо роста радиации чревата т . н . "ядерной зимой".
Информационные особенности техногенеза. При техногенезе в ландшафтах
наряду с водными, воздушными биотическими и биокосными связями возникли
новые --- социальные (между общественными группами людей) и природно-
социальные, которые приобрели важнейшее значение. В техногенных ландшафтах
преобладает специфическая "
социальная информация", намного расширились
скорость и способы ее передачи (печать, радио, телевидение и т .д.). Произошел
информационный взрыв, хотя биологическая информация часто уменьшается.
Например, в степи растут сотни видов растений, а на полях пшеницы и других
культур биологического разнообразия меньше. Создавая плантации бананов на
месте тропического леса, человек еще больше уменьшает биологическую
информацию. Даже по внешнему виду техногенные ландшафты нередко
однообразнее природных. Так и в лесной, и в степной зонах техногенный
ландшафт приближается к лесостепному облику --- частично залесенной
местности (открытые пространства с участками, засаженными деревьями). Однако
потеря природной информации с избытком компенсируется ростом техногенной. В
целом в геохимическом отношении техногенные ландшафты разнообразнее
природных. Рост разнообразия в ноосфере, уменьшение в ней энтропии
(увеличение негэнтропии) сопряжены с огромным увеличением энтропии в земной
коре --- рассеянием месторождений полезных ископаемых, сжиганием угля, нефти,
горючих сланцев и газов, распадом ядер урана и плутония.
Эволюция техногенеза. В первобытном обществе эффект техногенеза был
незначительным, но уже в государствах античного мира, коренным образом
изменивших ландшафт долин Нила (Египет), Амударьи (Хорезм), Тигра и Евфрата
(Шумер, Вавилон), Хуанхе (Китай), техногенез стал важным геохимическим
фактором. Поэтому этап геологической истории, начавшийся около 8000 лет
назад, В.А. Зубаков предложил называть технозойским, или техногеем.
В ХХ в . техногенез стал главным геохимическим фактором на поверхности
Земли. По Е.М. Сергееву, ежегодно добывается около 100 млрд. т минерального
сырья и каустобиолитов, горные и строительные работы перемещают не менее 1
км3 горных пород, что соизмеримо с денудационной работой рек. В.А. Ковда
подчеркивал, что "
диспергирование и эолизация вещества суши" ведут к
возрастанию геохимической роли поверхностной энергии, сорбции. Мощность
производства удваивается каждые 15 лет. Поэтому существенное отличие
ноосферы от биосферы --- огромное ускорение геохимических процессов.
Загрязнение окружающей среды. Это важное и нежелательное следствие
техногенеза. Ярким примером служат т . н . "кислотные дожди". Они связаны с
работой серно- кислотных суперфосфатных, медепавильных заводов, котельных
ГРЭС, ТЭЦ, бытовых топок, которые выбрасывают в воздух много SO2.
Последний, окисляясь и растворяясь в атмосферных осадках, дает серную
кислоту. "Кислые дожди" увеличивают число легочных заболеваний, осложняют
земледелие, разрушают памятники архитектуры. Принос ветрами в Скандинавию
SO2 из Англии и ФРГ привел к вымиранию лососей (рыба исчезала в тех
водоемах, рН которых понизился до 4). В канадской провинции Онтарио из- за
кислых дождей, поступающих из США, стали безжизненными более 148 озер.
Полагают, что в среднем около 30% SO42- атмосферных осадков имеет
техногенное происхождение (в умеренной зоне Северного полушария до 50%).
Кислые дожди характерны и для отдельных регионов России.
Следуя закону Вернадского о ведущей геохимической роли живого вещества,
М.А . Глазовская предложила незагрязненными считать такие биокосные системы,
в которых колебания концентрации и баланс форм нахождения техногенных
веществ не нарушают газовые, концентрационные и окислительно-
восстановительные функции живого вещества, не вызывают нарушения
биогеохимических пищевых цепей, количества и качества биологической
продукции, не снижают ее генетическое разнообразие. Нарушение названных
условий означает техногенную трансформацию или разрушение природной
системы.
Загрязнение среды --- серьезная проблема ХХ в . Катастрофические
экологические ситуации характерны для многих стран, в том числе и для нашей
страны. Роль геохимии ландшафта в решении данных вопросов очень велика.
20.1. Техногенные процессы
20.1.1. Два геохимических типа техногенной миграции
Техногенная миграция, унаследованная от биосферы, но измененная в
ноосфере. Так же, как и в биосфере, в техногенных ландшафтах протекает бик,
элементы мигрируют в водах и атмосфере. Это позволяет устанавливать ряды
миграции, типоморфные элементы, коэффициенты биологического поглощения.
Такие понятия, как "
биомасса",
"ежегодная продукция",
"дефицитные и
избыточные элементы", приложимы и к техногенезу. Для характеристики бика
техногенных ландшафтов можно использовать коэффициент К . В результате
орошения пустынь, осушки болот, строительства гидростанций, использования
подземных вод в ноосфере изменяется и круговорот воды. Дефицит пресной воды
становится одной из наиболее актуальных проблем. Затрачивая энергию на
опреснение морской воды, очистку водопроводной воды, уменьшение ее
жесткости и т .д., человечество выступает в роли антиэнтропийного фактора. По
сравнению с биосферой для ноосферы характерно еще более грандиозное
рассеяние элементов, которые концентрировались природой на протяжении
геологической истории. Это увеличивает энтропию. В течение немногих
десятилетий отрабатываются крупнейшие месторождения Fe, Сu, Рв, Zn и т .д.
Заключенные в них атомы мигрируют на тысячи километров, пересекают океаны и
континенты.
Техногенная миграция, чуждая биосфере. В ноосфере протекают и
химические реакции, находящиеся в резком противоречии с природными
условиями. Характерное для ноосферы металлическое состояние Fе , Аl, Сu, Zn и
других металлов не соответствует физико- химическим условиям земной коры.
Человек здесь уменьшает энтропию и тратит много энергии, чтобы получить и
содержать металлы в свободном состоянии. Во все большем количестве
производятся химические соединения, в биосфере не существовавшие,
обладающие свойствами, неизвестными у природных материалов (искусственные
полимеры, пластмассы и т .д.). Новым является производство атомной энергии,
получение радиоактивных изотопов. Наконец, чужды биосфере экспорт --- импорт
и др. виды миграции, подчиняющиеся социальным законам. Для характеристики
подобных процессов недостаточно старых понятий и методов, необходимы новый
понятийный аппарат и новые подходы к исследованиям.
20.1.2. Геохимическая классификация техногенных процессов
Техногенные процессы могут систематизироваться по режимам (постоянные,
периодические, катастрофические), модулям нагрузки на среду, объемам
выбросов, источникам загрязнения, химическому составу выбросов, стоков и т .д.
Н.П.Солнцева разработала классификацию техногенеза, связанного с добычей и
переработкой полезных ископаемых. Эта классификация учитывает типы
ответных реакций природных систем на техногенез. С некоторыми дополнениями
и изменениями она показана на рис. 20.2. Кроме того, можно различать
техногенные и природно-техногенные процессы. Их соотношение показано на
рис. 20.3.
20.1.3. Техногенные источники загрязнения
По А.М. Рябчикову, ежегодно в мире создается около 20 млрд. т
промышленных отходов, столько же сельскохозяйственных и до 4 млрд. т
бытовых. В среднем количество мусора ежегодно возрастает на 2 --- 3%. Среди
источников загрязнения особенно важно учитывать источники промышленных
узлов и городов.
Рис. 20.2. Схема техногенных и природно- техногенных
геохимических
процессов при добыче и переработке полезных ископаемых.
Геохимия городской среды наряду с природными условиями определяется
количеством техногенных расположением, мощностью и качественным составом
загрязняющих веществ. Наиболее опасная экологическая ситуация складывается в
крупных промышленных центрах, где происходит кумулятивное воздействие на
природную среду и человека различных производств, транспорта, муниципальных
и других отходов. Главными
источниками загрязнения
являются
неутилизированные промышленные и коммунально-бытовые отходы, содержащие
токсичные химические элементы. Особенностью городов является наложение
полей загрязнения различных производств и видов хозяйственной деятельности и
формирование полиэлементных техногенных геохимических аномалий в воздухе,
снежном, почвенном и растительном покровах, поверхностных и грунтовых водах.
Техногенные отходы подразделяются на жидкие и твердые (преднамеренно
собираемые и депонируемые), стоки (поступающие в окружающую среду в виде
жидких потоков, содержащих твердые взвешенные частицы) и выбросы
(рассеяние в атмосфере загрязняющих веществ в твердой, жидкой и газообразной
формах). При мониторинге техногенные отходы делятся на организованные ---
поступающие в окружающую среду через специальные устройства (трубы,
факелы, очистные сооружения, шлаконакопители, отвалы), поддающиеся
контролю и неорганизованные (утечки и выбросы загрязняющих веществ в
системах трубопроводов, канализации, при авариях, перевозке отходов и т .д.),
постоянный контроль которых затруднен.
Большие работы по геохимическому анализу источников загрязнения, особенно
концентрации в отходах микроэлементов, выполнены Ю.Е. Саетом с
сотрудниками.
Промышленные отходы. С выбросами и стоками в крупных промышленных
городах поступают ежегодно сотни тысяч и даже миллионы тонн загрязняющих
веществ. Особую опасность представляют отходы с высокими концентрациями
токсичных химических элементов и их соединений, иногда в сотни и тысячи раз
превышающими их средние содержания в биосфере. Автотранспорт и
теплоэнергетика по объему поллютантов занимают одно из первых мест и
поставляют в атмосферу продукты сгорания угля, нефти, газа и их производных
--- мазута, бензина и др. Основными поллютантами являются оксиды углерода и
азота, сернистый ангидрид, пыль, нефтепродукты, токсичные микроэлементы. У
Рис. 20.3. Соотношение природных, природно-техногенных и техногенных процессов, миграции,
ландшафтов.
автотранспорта это Pb, Cd, Hg, Zn и др., в теплоэнергетике --- B, Be, Mo, As, а
также полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) --- 3,4 бензпирен,
1,12 бензперилен и др., которые включают канцерогены и мутагены. Техногенные
аномалии ПАУ образуются вокруг промышленных предприятий, нефтяных
промыслов, угольных шахт, автодорог и т .д. (Т.М. Белякова, Ю.И. Пиковский,
Ф.Я. Ровинский, В.Н. Флоровская и др.). С электротехнической
промышленностью связано загрязнение среды полихлорированными бифенилами
(ПХБ).
Металлургия и металлообработка. Особенно высокие концентрации тяжелых
металлов содержатся в выбросах и осадках очистных сооружений гальванических
производств, где концентрации Cd, Bi, Sn и Ag в тысячи, а Pb, Cu, Cr, Zn и Ni в
сотни раз выше кларков литосферы. Высокими кларками концентрации
характеризуются также предприятия по переработке цветных металлов,
машиностроительные и металлообрабатывающие заводы, инструментальные цехи,
пыли которых отличаются самой широкой ассоциацией загрязнителей (W, Sb, Cd,
Hg --- тысячи КК; Pb, Bi, Zn, Cu, Ag, Zn и As --- сотни и десятки КК). Отдельные
производства имеют специфические загрязнители (сварка и выплавка спецсплавов
--- Mn; переработка лома цветных металлов --- As; металлообработка --- V;
производство никелевого концентрата --- Ni, Cr, Co; алюминия --- Al, Be, F, ПАУ
и др.). По Ю.Е. Саету, в осадках очистных сооружений гальванических
производств большого города содержалось 1,5% Cr, 1,0% Cu, 0,9% Zn, 0,6% Sn,
0,3% Ni и т .д. Ежегодно образуется до 1000 т таких осадков.
Нефтеперерабатывающая, химическая промышленность поставляют в
окружающую среду главным образом газообразные соединения --- оксиды азота,
углерода, диоксид серы, углеводороды, сероводород, хлористые и фтористые
соединения, фенолы и др., содержания которых иногда в десятки и сотни раз
превышают предельно допустимые концентрации (ПДК) в атмосфере. Некоторые
химические производства кроме газов поставляют в среду многие микроэлементы:
коксохимия --- Hg --- n.1000 КК; производство лакокрасочных изделий --- Hg, Cd
--- n.1000 --- n.10000 КК; синтетического каучука --- Cr --- n.100. С заводами по
производству фосфорных удобрений связаны высокие уровни загрязнения P,
редкими землями, Sr, F; азотных удобрений --- соединениями N и т .д.
Целлюлозно-бумажные комбинаты. Они требуют много воды, и со стоками
поступают сероводород, фенолы и другие органические загрязнители,
представляющие серьезную экологическую опасность для водоемов.
Стройиндустрия. В целом она отличается меньшими концентрациями в
отходах химических элементов. Среди предприятий значительной техногенной
нагрузкой на среду выделяются цементная промышленность, производство
огнеупорного кирпича и теплоизоляционных изделий, в пылях которых
содержание Sb, Pb, Ag, иногда Hf и Hg достигает сотен КК.
Ядохимикаты. Они широко применяются в сельском хозяйстве, лесной
промышленности и других отраслях хозяйства. Некоторые представляют большую
опасность, как, например, ныне запрещенный ДДТ, который был обнаружен даже
в кишечнике пингвинов Антарктиды. Существенно, что многие насекомые
привыкают к ядам, а менее выносливые животные от них гибнут. Чрезвычайно
опасен диоксин (полихлорированное полициклическое соединение), широко
применявшийся в качестве гербицидов в ряде стран, а также во время войны во
Вьетнаме в 1961 --- 1972 гг. (диоксин входит в состав печально знаменитого
" орандж эйджент").
Коммунально-бытовые отходы (бытовой мусор, канализационные осадки, илы
городских очистных сооружений). По степени концентрации и комплексу
химических элементов- загрязнителей они не уступают промышленным отходам.
Особенно высоки концентрации химических элементов в выбросах
мусоросжигательных заводов, являющихся вторичными источниками загрязнения
в городах. По Саету и др., концентрация Ag, Pb, Cd, Sn в пыли с электрофильтров
одного из таких заводов составляет более 100 КК, Pb, Zn, Sb, Cr --- от 100 до 500
КК. Эти и аналогичные образования можно рассматривать в качестве техногенных
руд.
Свалки также являются вторичными источниками загрязнения. На некоторых из
них за многие годы накопилось много разнообразных бытовых, а иногда и
промышленных отходов. Грунты свалок и высачивающийся из толщи отходов
фильтрат обогащены в десятки и сотни раз по сравнению с фоновыми почвами Zn,
Cu, Sn, Ag, Pb, Cr и другими элементами. Развевание материала свалок и
просачивание стоков ведет к загрязнению окружающих почв, поверхностных и
подземных вод. Нередко свалки расположены в черте города и создают для него
опасность, особенно в результате их спонтанного возгорания.
Осадки сточных вод городской канализации накапливаются на полях аэрации
на окраине города и обычно используются как удобрения. Однако обогащенность
этих осадков многими токсичными металлами (в среднем Ag --- 1000 КК, Cd ---
300 КК, Bi, Zn, Cu, Cr и др. --- десятки КК) требует большой осторожности при их
применении в сельском хозяйстве. Осадки сточных вод промышленных городов
загрязнены значительно слабее.
В целом по степени аномальности относительно кларков литосферы первое
место занимают выбросы предприятий (в пыли особенно сильно концентрируются
W, Sb, Pb, Cd, Ni), немного меньше или сопоставима с ними нагрузка от отходов,
третье место в ряду аномальности занимают стоки. Но по абсолютной массе
твердые отходы опережают выбросы.
Большое число и неравномерность размещения техногенных источников в
сочетании с природными условиями создают сложную картину геохимических
полей и аномальных зон на территории промышленных городов. Идентификация
техногенных источников в крупном городе --- более сложная задача по сравнению
с отдельно стоящими узкоспециализированными предприятиями в малых городах
и поселках. Поэтому инвентаризация техногенных источников --- одна из
важнейших задач эколого- геохимической оценки городов.
20.1.4. Технофильность и другие показатели техногенеза
По мере развития человеческого общества в техногенез вовлекается все
большее число химических элементов. В древности использовались лишь 18
элементов, в ХVIII в. --- 28, в ХIХ в. --- 62, в 1915 г. --- 71, в настоящее время ---
все известные на Земле элементы и , кроме того, неизвестные в природных
условиях нептуний, плутоний и др. трансураны, а также радиоактивные изотопы
известных элементов (90Sr, 131J и др.).
Масштабы ежегодной добычи колеблются от миллиардов тонн для С (уголь,
нефть) до десятков тонн для Tl, Pt, Th, Ga, In, т . е . различаются в сотни миллионов
раз. Эти различия связаны со свойствами элементов (их ценностью для
хозяйства), технологией получения, способностью к концентрации в земной коре,
Рис. 20.4. Технофильность элементов (по
А.И. Перельману).
но также и c распространенностью в земной коре, т . е . с кларком. Как бы ни
ценилось Au, его добыча никогда не сравняется с добычей Fe, т . к . кларк Au
4.3.10-7%, а Fe --- 4,65%. Si и Ge --- химические аналоги, но кларк Si --- 29,5%, а
Ge --- 1,4.10-4%. Если у Ge был бы такой же высокий кларк, то он имел бы такое
же широкое применение, как и Si, т . е . шел на изготовление кирпича, бетона,
цемента и т .д. Исключительная роль Fe в истории цивилизации объясняется не
только его свойствами, но и большим кларком. Характеристикой интенсивности
извлечения и использования химических элементов является технофильность ---
отношение ежегодной добычи или производства элемента в тоннах к его кларку в
литосфере (А. И. Перельман).
Многие химические элементы- аналоги с разными кларками и размерами добычи
обладают одинаковой или близкой технофильностью, т . е . в единицах кларков
человечество извлекает их из недр практически пропорционально их
распространенности в земной коре. Это Cd и Hg, Ta и Nb, U и Mo, Ti и Zr. Но есть
иразличия:ClиF,KиNa,CaиMgидр.
Технофильность очень динамична. По А.Е. Ферсману, добыча основных
металлов за ХIХ век увеличилась примерно в 100 раз. К 1934 г . среднее ежегодное
потребление за 15 --- 30 лет увеличилось: Al, Cu, Mo, W, K, He --- в 200 --- 1000
раз;Fe,C,Mu,Ni---в50---60раз;Zn,Pb,Na+Cl,S,N,P,Au---в15---40раз;
Ag, Sn, U, Co, Hg --- менее 10 раз. "Особый рост добычи в последние годы
обнаруживают металлы, связанные с металлургией железа (Fe, Mn, Mo, W, Cr, Ni),
элементы электротехники и воздухоплавания (Al, Cu, редкие металлы) и элементы
сельского хозяйства (N, P, K)", --- писал Ферсман в 1934 г . Многие выводы
ученого подтверждаются и в настоящее время.
А.И.
Перельманом
рассчитана
технофильность для середины 60-х годов. С
этого времени технофильность большинства
элементов росла менее интенсивно (
рис.
20.4.)*. За счет увеличения добычи нефти и
газа продолжался, но не столь сильно, как
прежде, рост технофильности углерода,
производство фосфорных
удобрений,
доломита, магнезита привело к увеличению
технофильности фосфора и магния. Научно-
техническая революция, развитие космической
техники, электроники и теплоэнергетики в 5 ---
10 раз увеличили технофильность редких
элементов --- Th, In, Hf, Nb, Zr, Be, Ga.
Выявилась новая тенденция --- рост
технофильности Cl, B, J, S, а также некоторых
щелочных и щелочноземельных металлов --- Li,
Sr, Ba. В первом случае это связано с
производством хлорорганических соединений,
серосодержащих газов и сульфидных руд, а во
втором --- производством ядерного топлива,
алюминия, апатитов, фосфорных удобрений и
др.Сопоставление ежегодного мирового производства химических элементов не с
кларками, а известными запасами в земной коре показывает долю их извлечения
из разведанных месторождений полезных ископаемых. По сравнению с запасами
больше всего добывается Au и углерода нефтей --- около 10%, а также Pb, In, Li,
Zn, F, W, P, S, Cu, Mo, Hg, Sb, Ba и Ag --- 1---5%. В десятых долях процента
извлекаются из запасов Cr, C, Ni, Fe, J, U, Al, Mn, B. Невелика доля извлечения K,
Ti, Cl, Mg и Zr --- 0,0n---0,000n. По сравнению с добычей практически
неисчерпаемы ресурсы H, Na, Ca, Si, Br. Чрезвычайно низко по сравнению с
запасами (n.10-5%) производство благородных газов. Как и технофильность, этот
показатель меняется во времени из- за колебаний производства и изменения
известных запасов каждого элемента.
Добыча элементов складывалась стихийно в зависимости от экономических
условий, прогресса техники, находок месторождений и т . д. И все же очевидна
регулирующая роль кларка. В будущем зависимость добычи от кларков, вероятно,
станет еще более тесной, так как богатые месторождения быстро отрабатываются
и со временем, как предполагал А.А. Сауков, человечество перейдет к
эксплуатации гранитов, базальтов и других горных пород, в которых содержания
элементов близки к кларкам.
Технофильность можно рассчитывать для отдельной страны, группы стран,
всего мира. Ее анализ позволяет прогнозировать использование элементов. Так,
технофильность Mg меньше, чем у Са, Ва, Na, Cl, Cu, Pb, Zn, Sn, Ni, Mo, Hg. Это
указывает на слабое использование Mg человечеством, на то, что в ближайшем
будущем оно сильно возрастет. И действительно, добыча Mg растет стремительно:
если до второй мировой войны добывались лишь тысячи тонн Mg, то в 1957 г .
было добыто уже 140 тыс. тонн (без СССР). Различия в технофильности
определяют изменение элементарного состава ландшафтов, накопление в них
наиболее технофильных элементов. Впервые на это обратила внимание М.А.
Глазовская, отметившая, что для культурных ландшафтов характерно
" ожелезнение", возрастание относительной роли Cu (по сравнению с Zn), Ni
(относительно Со) и т .д. Человечество "перекачивает" на земную поверхность
химические элементы, сосредоточенные в гидротермальных и других глубинных
месторождениях. В результате ландшафт обогащается Pb, Hg, Cu, Zn, Sb и
другими элементами. По О.П. Добродееву, из недр ежегодно извлекается больше
ряда химических элементов, чем вовлекается в биологический круговорот: Cd ---
болеечемв160раз,Sb---150,Hg---110,Pb---35,F---15,
U---6,Sn---6,Cu---4,Mo---в3раза.
Помимо технофильности предложены и другие количественные характеристики
техногенеза. Так, отношение технофильности элемента (с учетом содержания его
в углях) к его биофильности (на суше) М .А. Глазовская назвала деструкционной
активностью
элементов
техногенеза
(
Д),
которая
характеризует степень опасности элементов для живых организмов. Для
HgД=n.104---n.105,дляCdиF---n.103,дляSb,As,U,Pb---n.102,дляSe,Be,
Sn --- n.10, для многих других элементов Д < 1. Количество элемента, выводимое
ежегодно из техногенного потока в природный, Н.Ф. Глазовский назвал
техногенным геохимическим давлением, отношение его к единице площади ---
модулем техногенного геохимического давления, измеряемым в т/км2. Например,
модуль Р в Дальневосточном районе составляет 7,7.10-3т/км2, в Молдавии, где
широко применяются фосфорные удобрения, --- 8,2.10-1т/км2. Модуль К
колеблется от 8,2.10-3 в Западной Сибири до 2,1 т/км2 в южных районах России,
т . е . в 250 раз. В бассейнах Черного, Азовского и Балтийского морей техногенное
давление К и S превышает речной сток этих элементов, на реках других бассейнов
отношение обратное, но во всех случаях масштабы техногенного давления и
речного стока сопоставимы. Для всей поверхности суши наиболее велики модули
техногенного давления Na, Cl, Ca, Fe (0,5-1,0), наименьшие --- у Li, Ag, W, Au,
Hg, Tl (10-5 --- 10-7). Предложены также коэффициенты техногенной
трансформации --- соотношение поступления элемента в техногенный и
природный ландшафты (
В.П. Учватов), показатель пылевой нагрузки ---
соотношение количества пыли в техногенном и природном ландшафтах (Е.П .
Сорокина и др.), модуль аэрального поступления --- поступление веществ с
атмосферными осадками и пылью (П.В. Елпатьевский и В.С. Аржанова) и др.
20.1.5. Техногенные геохимические аномалии
Виды техногенных аномалий. Выявление техногенных аномалий является
одной из важнейших эколого- геохимических задач при оценке состояния
окружающей среды. Эти аномалии образуются в компонентах ландшафта в
результате поступления различных веществ от техногенных источников и
представляют собой некоторый объем, в пределах которого значения аномальных
концентраций элементов (Са) больше фоновых значений (СФ). Сильные аномалии,
контрастность которых составляет десятки и сотни единиц геохимического фона,
выявляются и интерпретируются сравнительно просто. Для оценки слабых
аномалий используются статистические критерии (правило трех стандартов и др.).
Техногенные аномалии искусственных веществ (пестицидов и др.) выделяются в
основном по санитарно- гигиеническим, а не геохимическим критериям.
Если техногенная аномалия имеет четкую пространственную и генетическую
связь с конкретным источником загрязнения, то такая аномалия называется
техногенным ореолом рассеяния. Они фиксируются главным образом в
депонирующих средах --- почвах, донных отложениях, растениях, снежном
покрове. В транзитных средах --- воздухе, водах, частично донных отложениях,
аномалии именуются техногенными потоками рассеяния.
По распространенности выделяются следующие техногенные аномалии:
глобальные --- охватывающие весь земной шар (повышенное содержание СO2 в
атмосфере, накопление искусственных радионуклидов после ядерных взрывов);
региональные --- формирующиеся в отдельных частях континентов, природных
зонах и областях в результате применения ядохимикатов, минеральных
удобрений, подкисление атмосферных осадков выбросами соединений серы и др.;
локальные --- образующиеся в атмосфере, почвах, водах, растениях вокруг
местных техногенных источников: заводов, рудников и т .д. Сравнительно
локальные источники загрязнения, сливаясь, могут привести к образованию
техногенных аномалий регионального масштаба (крупные промышленные города,
их агломерации).
По влиянию на окружающую среду техногенные аномалии делятся на три типа
(А.И. Перельман). Полезные аномалии улучшают состояние окружающей среды.
Это известкованные кислые почвы, добавки NaJ и KJ к поваренной соли в районах
развития эндемического зоба, фторированная питьевая вода, микроудобрения,
подкормка домашних животных Со и т .д. Вредные аномалии ухудшают состояние
природной среды в результате появления повышенных концентраций токсичных
веществ, отрицательно влияющих на живые организмы. Большинство техногенных
аномалий относятся к этому типу. Нейтральные аномалии не оказывают влияния
на качество окружающей среды (золото в банках, железо в городах и др.).
По среде образования техногенные аномалии делятся на литохимические (в
почвах, породах, строениях), гидрогеохимические (в водах), атмогеохимические (в
атмосфере, снеге), биогеохимические (в организмах). Последние подразделяются
на фито-, зоо- и антропогеохимические аномалии.
Как правило, техногенные аномалии образуются в нескольких компонентах
ландшафта. По длительности действия источника загрязнения они делятся на:
кратковременные (аварийные выбросы и т .д.), средневременные (с прекращением
воздействия
--- разработка
месторождений полезных
ископаемых),
долговременные стационарные (аномалии заводов, городов, агроландшафтов).
Количественные показатели загрязнения. Понятие аномальности тесно
связано с представлениями о геохимическом фоне. При оценке техногенных
аномалий фоновые территории выбираются вдали от локальных техногенных
источников загрязняющих веществ, как правило, более чем в 30 --- 50 км. Одним
из критериев аномальности служит коэффициент техногенной концентрации или
аномальности Кс, представляющий собой отношение содержания элемента в
рассматриваемом аномальном объекте к его фоновому содержанию в компонентах
ландшафта.
Техногенные аномалии обычно имеют полиэлементный состав, в связи с чем
Ю.Е. Саетом предложен суммарный показатель загрязнения (Zc),
характеризующий степень загрязнения ассоциации элементов относительно фона:
Zс=SКс---(n---1),
где Кс --- коэффициенты техногенной концентрации больше 1 (или 1,5), n ---
число элементов с Кс > 1 (или 1,5). Суммарные показатели загрязнения
рассчитываются для различных компонентов ландшафта --- почв, снега, растений,
донных отложений. Другие коэффициенты, используемые при ландшафтно-
геохимических оценках качества среды, рассматриваются в работах И.А.
Авессаломовой, Ю.Е. Саета, Б.А. Ревича и др.
Рис. 20.5. ПДК свинца и кадмия в почвах в зависимости от рН (по Н.Г. Зырину и А.И. Обухову).
Для оценки воздействия количества поллютантов, поступающих в организм,
используются также гигиенические нормативы загрязнения --- предельно-
допустимые концентрации (ПДК). Это максимальное содержание вредного
вещества в природном объекте или продукции (воде, воздухе, почве, пище), за
определенный период еще не влияющее на здоровье человека или другие
организмы. ПДК устанавливают для отдельных химических элементов и
соединений.
Сильная дифференциация природного фона тяжелых металлов затрудняет
разработку жестких критериев предельных уровней их содержания в ландшафтах.
Н.Г. Зыриным и А.И. Обуховым показано, что основными факторами, влияющими
на ПДК тяжелых металлов в почвах, являются их щелочно- кислотные свойства и
содержание гумуса, определяющие устойчивость почв к загрязнению этими
элементами. Для кадмия и свинца зависимость между рН почв и ПДК почти
линейная (рис. 20.5), т . е . в кислых и щелочных почвах их ПДК могут отличаться
почти на порядок. Поэтому ПДК необходимо устанавливать для крупных
почвенно- геохимических регионов, для геохимических ассоциаций почв М.А.
Глазовской,
со
сходными щелочно- кислотными
и
окислительно-
восстановительными условиями, обладающими близким уровнем устойчивости к
загрязняющим веществам. Такая шкала нормирования для лесных почв приведена
в табл. 20.1. Средние уровни содержания элементов соответствуют наиболее
часто встречающимся околокларковым значениям или немного ниже их. Поэтому
при отсутствии детальных исследований фоновой ландшафтно- геохимической
структуры территории в качестве ориентировочного показателя можно
использовать кларки элементов литосферы.
Загрязняющие вещества по опасности делятся на классы: I класс (высоко
опасные) --- As, Cd, Hg, Se, Pb, F, бензпирен, Zn; II класс (умеренно опасные) ---
B, Co, Ni, Mo, Cu, Sb, Cr; III класс (мало опасные) --- Ba, V, W, Mn, Sr и др.
Комплексный и куммулятивный характер действия загрязняющих веществ на
живые организмы, полиэлементность техногенных геохимических аномалий
требуют разработки более синтетических показателей оценки качества среды.
В практике эколого- геохимических исследований для оценки состояния среды
используются ориентировочные оценки опасности загрязнения в аномальных
зонах (табл. 20.2). Для каждого уровня характерны специфические виды
заболеваемости населения, особенно детей: I уровень --- увеличение общей
заболеваемости; II --- увеличение частоты хронических заболеваний органов
дыхания, функциональных отклонений (количества лейкоцитов и др.); III ---
увеличение нарушений репродуктивных функций, имунной системы и других
отдаленных последствий.
20.1.6. Техногенные зоны выщелачивания и геохимические барьеры
Техногенные зоны выщелачивания образуются при выщелачивании металлов из
руд, отвалов, хвостохранилищ. Эти вопросы изучает особая прикладная наука ---
геотехнология, которая во многом основана на данных геохимии. Примерно
шестая часть меди в мире добывается методом выщелачивания. Применяется
подземное выщелачивание руд урана, молибдена, свинца, цинка, марганца и
других элементов. С помощью закачивания в скважины воды извлекают каменную
и калийную соли, другие легкорастворимые компоненты. Доказана эффективность
микробиологического выщелачивания меди, золота, молибдена. Техногенные
зоны выщелачивания образуются также при промывках засоленных почв,
орошении лессовых грунтов (Н.И. Кригер), других техногенных процессах.
Шкала оценки аэрогенных очагов загрязнения
(по Ю.Е. Саету и Б.А. Ревичу)
Известны зоны сернокислого, кислого и прочего тхногенного выщелачивания. Их
систематика основана на принципах, изложенных в главе 4.
Зоны выщелачивания возникают как в результате целеустремленного
технологического воздействия на почвы и горные породы (выщелачивание из руд
и др.), так и за счет косвенного, иногда отдаленного по времени и месту
техногенеза. Такие зоны выщелачивания достигают и региональных масштабов.
Типичным примером является усиленная мобилизация тяжелых металлов из почв,
увеличение интенсивности их миграции и поставки в подчиненные ландшафты
(долины, водоемы) в результате действия кислых дождей, связанных с выбросами
соединений серы и азота в промышленных районах Европы и Северной Америки.
Дожди с рН < 3,5 выпадают во многих индустриальных районах. По данным
ЮНЕП, за последние 20 лет на северо- востоке США и в Скандинавии произошло
снижение рН лесных почв на единицу --- в среднем от 4,5 --- 5,5 до 3,5 --- 4,5.
Нейтральные и щелочные почвы обладают значительной буферностью к кислым
выпадениям, и столь заметного понижения рН в них не наблюдается.
Загрязнение озер тяжелыми металлами (Hg, Cd, Pb, Cu) за счет кислого
выщелачивания из автономных ландшафтов установлено в Адирондакских горах
северо- востока США (Д. Порцелла, Д. Чарльз, Дж. Уайт и др.) и юго- западной
Швеции (Г. Халтберг и др.).
Техногенный геохимический барьер --- это участок, где происходит резкое
уменьшение интенсивности техногенной миграции и , как следствие,
концентрирование элементов. Как и в природных ландшафтах, здесь образуются
аномалии DI, E3, A6 и др. (см. гл. 4). Искусственные барьеры создаются на пути
движения техногенных потоков для локализации загрязнения. Например,
известковые валы (барьер D2---D3) служат для осаждения металлов из кислых
рудничных вод или содержащихся в водах ядохимикатов. Другой формой
щелочного барьера является известкование кислых почв, препятствующее выносу
многих катионогенных металлов и элементов питания, подвижных в кислой среде.
Искусственные сорбционные барьеры в районе Чернобыля сооружались для
предотвращения радиоактивного загрязнения гидросети.
Вещества техногенного происхождения могут осаждаться практически на всех
видах геохимических барьеров, известных в природе. Важная проблема ---
выявление геохимических барьеров, на которых происходит концентрация
искусственных веществ (пестицидов, синтетических органических соединений и
др.).
Техногенные барьеры могут быть полезными, нейтральными и вредными.
Полезные формируются, например, при закачивании промышленных стоков в
водоносные горизонты, при инъекционном закреплении (цементации) грунтов, в
результате которого рыхлая масса превращается в твердый монолит, и во многих
других процессах. Примером вредного барьера служит вторичное засоление почв
в орошаемых районах, когда на испарительных барьерах (F3 --- F4) накапливаются
соли и элементы, поступающие с дренажными водами. На техногенных барьерах
возможно техногенное минералообразование и рудообразование.
Полезное и вредное действие барьеров относительно. То, что полезно для
одного компонента ландшафта, например, создание барьеров на пути миграции
загрязняющих веществ в водоемы (сохранение качества вод и условий жизни
водных организмов), может быть вредно для загрязняющихся почв и почвенной
фауны на участках барьеров.
20.2. Техногенные и природно- техногенные системы
В результате индустриализации, урбанизации и интенсификации сельского
хозяйства возникают особые природно-техногенные процессы и ландшафты, где
природные и техногенные явления тесно переплетаются. Иерархия по уровням
организации образует ряд от техногенных почв, илов, кор выветривания,
водоносных горизонтов до техногенных ландшафтов и еще более крупных систем
--- стран, океанов и всей ноосферы.
В природно- техногенных системах важную роль играет бик, они сочетают в
себе признаки техногенных и природных систем, которые находятся в них в
разных соотношениях. Это агроландшафты, парки и рекреационные зоны городов,
мелиорируемые земли, аквальные ландшафты и т .д.
В техногенных системах бик практически полностью трансформирован. Здесь
сформировались
искусственные
тела
---
отвалы,
хвостохранилища,
асфальтированные поверхности городов и дорог и т .д., геохимические
особенности которых определяются их специфическим химическим составом и
искусственным рельефом. Техногенные свойства полностью или явно
преобладают над природными.
20.2.1. Техногенные почвы, илы, коры выветривания,
водоносные горизонты
Техногенные (культурные) почвы. Примерами техногенных почв, которых не
было в биосфере, служат осушенные торфяники и поливные почвы оазисов. Чаще
природный тип почв сохраняется и происходит только окультирование с помощью
различных агротехнических и агрохимических приемов. Для улучшения свойств
почв в них также добавляются местные горные породы, отходы горнодобывающей
и перерабатывающей промышленности, каменные и другие угли, торф,
металлургические шлаки, фосфоритоносные пески, пемзы, туфы и т .д. В
результате неумелого окультуривания происходит ухудшение почв --- их эрозия,
засоление, заболачивание и т .д.
А.Н. Геннадиев, Н.П . Солнцева и М.И . Герасимова по степени изменения
выделили четыре группы почв: 1) природные почвы; 2) техногенно- природные
почвы; 3) природно- техногенные почвы; 4) техноземы. Примерами полностью
техногенных почв --- техноземов --- служат искусственные почво- грунты, грунто-
смеси на территории промышленных предприятий, карьеров, шахт и т . п ., нередко
содержащие высокие концентрации токсичных элементов. Остальные группы
отражают большую (
природно- техногенные) или меньшую (
техногенно-
природные) степень преобразования исходных почв техногенными процессами.
Систематика и геохимия техногенно- измененных почв находятся в стадии
становления. А.Н. Геннадиев и др. в качестве критериев их систематики
предлагают следующие характеристики: 1) тип техногенного воздействия на
почву
(
механогенно- трансформированные
почвы;
гидрогенно-
трансформированные --- орошаемые,осушаемые; техно- химизированные --- агро-,
индустриально-, коммунально-; экранированные --- асфальтом, камнем и др.); 2)
текущий техногенно- обусловленный процесс (
почвы с изменяющимися
окислительно- восстановительными и щелочно- кислотными свойствами ---
подкисляющиеся,
ощелачивающиеся,
заболачивающиеся
и
т.д.;
дегумифицирующиеся, гудронизирующиеся и т .д.; зафосфачивающиеся,
нуклидирующиеся, рассоляющиеся и т . д.; эродирующиеся, оглинивающиеся и
др.); 3) характер строения новообразованного почвенного профиля и остаточные
признаки исходной почвы (сернокислый солончак на скальпированном подзоле,
засоленная темно- каштановая и т .д.). Техногенно- измененные почвы выделяются
в современной классификации почв России (В.Д. Тонконогов и др.)
Техногенные илы. Парагенные ассоциации элементов в техногенных илах
часто резко отличаются от природных ассоциаций накоплением таких элементов-
антагонистов, как Pb и Ni, Cu и Sn и др. Полностью техногенные илы
формируются в городах, в прудах и отстойниках на территории металлургических
и химических комбинатов, шахт и рудников, куда поступают промышленные
стоки. Твердая часть таких илов в сотни и тысячи раз обогащена относительно
фона Bi, Sb, W, Sn, Mo, Zn, органическими и другими соединениями (Ю.Е. Сает,
Е.П. Янин). Во многих техногенных илах повышено содержание битумов,
появляются синтетические продукты, неизвестные в биосфере.
Техногенные потоки загрязняющих веществ поступают также в донные
отложения озер, рек, водохранилищ, эстуариев и дельт, где их концентрации во
много раз превышают фоновые. Сильное техногенное воздействие испытывают
илы водоемов, на берегах которых расположены промышленные источники
загрязнения --- заводы, рудники, города, а также в низовьях и дельтах рек,
дренирующих индустриальные районы. Так, в илах Рейна среднее содержание
некоторых тяжелых металлов за последние 200 лет увеличилось более чем на
порядок (числа --- коэффициенты концентрации): Hg50, Zn19, Pb, Cu13, Cd10, Cr9,
As4, Ni2 (Мур, Рамамурти).
В районах интенсивного земледелия донные отложения обогащены
пестицидами, соединениями азота, типоморфными элементами фосфорных
удобрений --- Cr, Cd, F, редкими землями (А.И. Ачкасов). В суглинистых и
глинистых илах за счет осаждения на сорбционном барьере (в основном G2 --- G3
и G6 --- G7) содержание тяжелых металлов, как правило, в несколько раз выше,
чем в песчаных, супесчаных и алевритовых илах. Геохимия техногенных донных
осадков изучалась В.В. Батояном, А.Д. Хованским, Е.П. Яниным, Дж. Муром и С.
Рамамурти, У. Форстнером, В. Саломонсом и др.
Техногенные коры выветривания. Наиболее изучены они на рудниках,
вскрывающих сульфидные месторождения, где кислород проникает к сульфидным
рудам и значительно ускоряет их окисление (или вызывает заново). В результате
рН вод местами понижается до 0, формируется искусственная зона окисления ---
техногенная сернокислая кора выветривания, изучение которой имеет большое
практическое значение.
Техногенные водоносные горизонты. Водоносные горизонты подземных и
особенно грунтовых вод в районах промышленного и интенсивного
сельскохозяйственного освоения находятся под мощным техногенным прессом.
Загрязнение почв, донных отложений, сброс сточных вод в водоемы приводят к
изменению химического состава подземных и грунтовых вод, их загрязнению.
Нередко эти процессы имеют региональное распространение, что создает угрозу
питьевому водоснабжению, особенно промышленных регионов.
Характерно изменение состава подземных вод и вмещающих пород
(техногенный эпигенез). Шахтные и рудничные воды имеют часто кислую
реакцию, сернокислый состав, агрессивны, содержат высокие концентрации
тяжелых металлов. Водоносные горизонты, образующиеся в аридных районах за
счет ирригационных вод, имеют повышенную минерализацию, нейтральную и
щелочную реакцию среды, которая не благоприятна для миграции тяжелых
металлов.
20.2.2. Геохимическая устойчивость и геохимическая
совместимость техногенных систем
Устойчивость ландшафта --- это его способность сохранять структуру,
функциональные особенности и возвращаться в прежнее состояние после
прекращения или ослабления антропогенного воздействия. Геохимическая
устойчивость --- способность ландшафта и его компонентов к самоочищению от
продуктов техногенеза (их выносу или переводу в инертное состояние). Н.П.
Солнцева выделила два рода геохимической устойчивости, отражающие разные
стороны этого сложного явления. Устойчивость I рода --- это буферность
природных систем (почв, вод, организмов) к техногенному воздействию, т . е . их
способность противостоять изменению отдельных параметров. Чаще всего это
понятие используется при оценке ответной реакции почв и вод на их загрязнение
кислотами и щелочами. Устойчивость II рода --- это та часть общей устойчивости
системы,
которая
обеспечивает
восстановление
ее
нормального
функционирования.
Кислотные дожди и связанное с ними подкисление вод и почв в
индустриальных районах вызвали большое число работ, посвященных проблеме
буферности и устойчивости. Разработаны принципы классификации почв по их
устойчивости к кислотным воздействиям (
Варалляи, Глазовская). Кислые
малогумусные песчаные почвы имеют более низкую буферность, чем кислые
суглинистые высокогумусные почвы. Особенно высока буферность карбонатных
почв. Для аквальных систем в качестве количественного выражения устойчивости
используется отношение амплитуды воздействия к амплитуде колебаний их
собственных параметров (Батоян и др.).
По Н.П. Солнцевой, одним из критериев устойчивости ландшафтов является
геохимическая совместимость техногенных воздействий с направлениями
природных процессов. Техногенез может быть совместим с основными
природными процессами и усиливать их, уменьшать устойчивость (например,
воздействие кислых атмосферных осадков на кислые лесные почвы) и вызывать
дополнительную мобилизацию тяжелых металлов. Техногенез может быть
несовместим с направлением природных процессов: кислые осадки, выпадая на
карбонатные почвы, нейтрализуются и почвы устойчивы к техногенному
воздействию. Таким образом, природная обстановка в значительной мере
определяет судьбу продуктов техногенеза, поступающих в ландшафт. Ответную
реакцию природных систем на техногенное воздействие можно прогнозировать,
зная их свойства. Ландшафтно- геохимические системы со сходным уровнем
геохимической устойчивости и сходным характером техногенной геохимической
трансформации были названы М.А. Глазовской технобиогеомами. Она выделила
три основные группы факторов геохимической устойчивости.
Факторы, определяющие интенсивность выноса и рассеяния продуктов
техногенеза:
--- Показатели, характеризующие рассеяние и вынос продуктов техногенеза из
атмосферы --- осадки и скорость ветра по сезонам.
--- Показатели, характеризующие скорость миграции и вынос продуктов
техногенеза из почв и проточных водоемов --- сток (по сезонам), соотношение
осадков и испарения, положение территории в каскадной системе, механический
состав почв и грунтов.
Факторы, определяющие интенсивность метаболизма продуктов техногенеза:
--- Показатели энергии разложения веществ --- сумма солнечной радиации
кДж/год, сумма температур выше 0о , количество ультрафиолетовой радиации,
количество гроз в год, скорость разложения органического вещества (опадо-
подстилочный коэффициент), интенсивность фотохимических реакций.
Факторы, определяющие возможность и интенсивность закрепления в
ландшафтах продуктов техногенеза или их метаболитов:
--- Показатели интенсивности закрепления продуктов техногенеза в почвах,
грунтах и их исходная емкость --- щелочно- кислотные и окислительно-
восстановительные условия, сорбционная емкость, количество гумуса, тип
геохимических арен (открытые --- замкнутые, контрастные --- неконтрастные),
геохимические барьеры, минералогический состав почв и грунтов, исходный запас
элементов, участвующих в техногенных потоках, процессы надмерзлотной
ретинизации.
--- Показатели локальных выпадений продуктов техногенеза из атмосферы ---
количество и продолжительность туманов в год, число и продолжительность
штилей в год.
Анализ этих показателей позволяет картографировать технобиогеомы для
прогноза влияния техногенного воздействия на ландшафты. Выделенные типы
территорий рассматриваются как объекты ландшафтно- геохимического
прогнозирования по отношению к многообразным формам техногенеза. Такие
карты М.А. Глазовская составила для территории СССР. Г .Б. Паулюкявичюс по
устойчивости ландшафтов к загрязнению вод районировал территорию Литвы.
Изменение отдельных факторов геохимической устойчивости (подкисление,
подщелачивание, затопление и др.) может нарушить относительно устойчивое
состояние техногенных ландшафтов и привести к сравнительно быстрой
вторичной мобилизации токсичных веществ из загрязненных компонентов
ландшафта ("взрыву"). Учитывая потенциальную опасность таких процессов,
возникла концепция "химических бомб замедленного действия" (Chemical time
bombs), направленная на изучение механизмов подобных изменений и путей
предотвращения вторичного загрязнения среды уже накопленными поллютантами
(В. Стиглиани, Г. Хекстра и др.).
20.3. Ландшафтно- геохимический мониторинг
Во многих странах проводится экологический мониторинг --- слежение за
состоянием природных систем и их изменением под воздействием антропогенных
нагрузок. Важной составной частью этого мониторинга является геохимический
мониторинг, т . е . наблюдение за геохимическими параметрами природных и
техногенных ландшафтов.
Фоновый геохимический мониторинг заключается в наблюдении за
распределением и поведением химических элементов и соединений в ландшафтах
вне сферы влияния локальных источников загрязнения. Он занимает важное место
в международных программах по окружающей среде ЮНЕСКО и ЮНЕП и
проводится главным образом на фоновых станциях и биосферных заповедниках
(И.П. Герасимов, Ю.А. Израэль, Ф.Я. Ровинский, В.Е. Соколов, М. Gwine, R.
Munn и др.). Фоновый мониторинг дает информацию не только о локальных
параметрах конкретных ландшафтов станций и заповедников. Проводимый на
единой методической основе во многих странах, он позволяет оценивать
глобальные изменения природной среды. Поэтому фоновый мониторинг иногда
называют глобальным.
Без определения содержания элементов в окружающей среде, которое было до
глобально-регионального (фонового) загрязнения, невозможно оценить уровень
техногенного загрязнения. Кроме традиционных геохимических методов изучения
ландшафтов и их компонентов при этом используются специфические приемы и
объекты. Так, О.П. Добродеев предложил сравнивать содержание элементов в
глубоких горизонтах верховых торфяников, возраст которых можно датировать
("фон"), с их содержанием в самом верхнем горизонте, т . е . в условиях
техногенного загрязнения. А.М. Никаноров, А.В. Жулидов, А .Д. Покаржевский
предложили определять содержание тяжелых металлов в растениях из гербариев.
Подобный исторический биомониторинг возможен и при изучении животных. С
этой же целью проводят анализ льдов, погребенных почв, волос и костей
человека, старых вин и т .д.
Импактный геохимический мониторинг --- это слежение за региональным и
локальным антропогенным воздействием в местах кризисных экологических
ситуаций --- городах, промышленных центрах, зонах радиоактивного загрязнения
и т.д.
По иерархии ландшафтов или экосистем мониторинг делится на комплексный
(экосистемный, геосистемный) и компонентный (атмосферный, водный,
биологический,
почвенный). Ландшафтно- геохимический мониторинг
характеризует поведение элементов не только в отдельных компонентах, но и в
ландшафте в целом. Поэтому методология геохимии ландшафта, базирующаяся на
сопряженном анализе отдельных блоков ландшафта, особенно адекватна целям
комплексного экологического мониторинга.
Существует несколько методов ландшафтно- геохимического мониторинга.
Метод кларков. Так называются исследования распространенности химических
элементов в различных природных средах --- от глобальных геосфер до
локального уровня (ландшафтов, экосистем). Концепция распространенности
химических элементов и кларки элементов в литосфере, гидросфере и биосфере
рассмотрены в I части. Для целей мониторинга необходимо учитывать глобальные
и региональные кларки элементов, а также локальные уровни их содержания в
воздухе, породах, почвах, водах и растениях в районе станций фонового
мониторинга. Кларки являются геохимической константой, отражающей фоновое
распределение элементов и соединений, без знания которого невозможна оценка
импактного воздействия.
Кларки литосферы, гидросферы, живого вещества и особенно региональные
уровни содержания элементов постоянно уточняются, детализируются для
отдельных районов, типов горных пород и почв, классов вод, систематических
групп растений. Публикуются сводки геохимических данных по этим средам.
Получены новые материалы о распределении в природных компонентах не только
отдельных химических элементов, но и их соединений, в том числе
искусственного
и
техногенного
происхождения
---
пестицидов,
полихлорбифенилов, полициклических ароматических углеводородов и др.
Наряду с достоинствами (массовость, сопоставляемость) метод кларков имеет и
недостатки. Прежде всего это излишняя обобщенность данных, полученных в
результате статистической обработки, малая степень сепарации геохимических
материалов. Самое главное, он не дает целостного представления о
геохимических и биогеохимических процессах в таких сложных системах, как
природные и тем более техногенные ландшафты.
Анализ геохимической структуры ландшафта (R,L-анализ). Фоновый и
импактный мониторинг должен базироваться на изучении миграции химических
элементов в ландшафтах, учитывать роль и место геохимических барьеров и зон
выщелачивания в распределении элементов, на представлениях об элементарных и
каскадных ландшафтно- геохимических системах (см.часть I). Сложная радиальная
и латеральная геохимическая структура ландшафта требует использовать при
мониторинге не только метод кларков, результатом которого является
определение геохимического фона отдельных компонентов ландшафта, но и
характера взаимоотношений элементов между компонентами и подсистемами
ландшафта. В связи с этим для оценки геохимического состояния и ответных
реакций природных ландшафтов на внешнее воздействие используются
представления о фоновой геохимической структуре ландшафта, отражающие
характер связей между различными компонентами (М .А. Глазовская, Н.С .
Касимов). Как показано в части I, выделяются радиальная (R) и латеральная (L)
структуры, описываемые с помощью разнообразных ландшафтно- геохимических
коэффициентов. В природно- техногенных и техногенных ландшафтах фоновая
геохимическая структура трансформирована в техногенную структуру, для
которой характерно нарушение не только фонового содержания элементов, но и
типов их перераспределения, а также компонентных, внутрикомпонентных и
межландшафтных связей между ними.
Фоновые и техногенные геохимические структуры должны устанавливаться для
отдельных регионов с учетом зонально- провинциальной и локальной ландшафтно-
геохимической типичности (
центральные, типичные части регионов) и
уникальности (пограничные районы, экотоны, дельты рек и др. территории), лито-
, палео- и биогеохимической дифференциации ландшафтов, степени их
геохимической автономности, подчиненности и латеральной контрастности,
близости к техногенным источникам и т .д. Описанные методы мониторинга, как
правило, применяются в статике и направлены на геохимическую оценку более
стабильных компонентов --- пород, почв, донных отложений, частично растений.
Характеристика атмо-, гидро- и биогеохимических циклов элементов.
Различные ландшафты имеют не только определенную радиальную и латеральную
геохимическую структуру, но и свойственные только им типы атмо-, гидро- и
биогеохимического круговорота и баланса веществ. Нарушение того или иного
типа круговорота и баланса веществ, появление дисбаланса часто являются
индикатором антропогенного воздействия. Модели круговорота веществ лучше
разработаны для локального уровня (элементарные ландшафты, биогеоценозы,
катены) на основе информации, получаемой при стационарных исследованиях.
Модели глобальных циклов элементов носят ориентировочный характер. И в том,
и в другом случае значительно более полная информация имеется о циклах
кислорода, азота, углерода, фосфора, серы и других макроэлементов. Циклы
микроэлементов, пестицидов, ПАУ, полихлорбифенилов и других органических
веществ изучены еще слабо. Часто данных недостаточно для описания полного
миграционного цикла элементов и соединений в природной системе. Тогда важное
значение приобретают многолетние или сезонные наблюдения за параметрами,
особенно имеющими высокую динамичность и вариабельность (воздух, вода).
Изучение динамики фоновых ландшафтов является первым необходимым шагом
решения одной из самых актуальных проблем наук об окружающей среде ---
разработки теории и прикладных аспектов устойчивости и ответных реакций
природных систем на антропогенное воздействие.
Существуют два направления исследования состояний ландшафтов для целей
мониторинга. Первое из них пользуется как бы методом кларков, но с учетом
временных изменений параметров. Это направление в целом преобладает сейчас в
программе фонового геохимического мониторинга в биосферных заповедниках и
на фоновых станциях. Выполнен большой объем измерений различных
показателей, в ряде случаев показаны их колебания в зависимости от природных и
техногенных факторов. Одним из наиболее детальных таких исследований
является фоновый мониторинг полициклических ароматических углеводородов
(ПАУ) --- группы приоритетных загрязнителей, осуществленный Лабораторией
природной среды и климата (в настоящее время Институт глобальной экологии и
климата) совместно с кафедрой геохимии ландшафтов и географии почв
географического факультета МГУ в некоторых биосферных заповедниках и
фоновых станциях Центральной и Восточной Европы, Средней Азии и Сибири
(Ф.Я. Ровинский, Т.А. Теплицкая, Т.А. Алексеева). Этот мониторинг выявил
пространственно- временную изменчивость содержания ПАУ, связанную с
удаленностью фоновых станций от источников загрязнения, сезонными циклами
поставки ПАУ в окружающую среду и интенсивностью их разложения.
Установлен ясно выраженный тренд концентраций ПАУ в воздухе и почвах от
Центральной Европы (Восточная Германия, Венгрия) к наименее загрязненным в
Евразии районам Северо-Востока Сибири. Временная изменчивость содержания
Рис. 20.6. Сезонный ход концентраций 3,4-- бензпирена (БП) в воздухе на станциях
фонового мониторинга (среднеарифметические значения).
Заповедники: I --- Боровое; II --- Березинский; III --- Репетекский (по Ф.Я. Ровинскому, Т.А.
Теплицкой, Т.А. Алексеевой).
ПАУ связана с увеличением их поступления в атмосферу в зимний период, когда
возрастает поставка ПАУ тепловыми станциями, а также с более интенсивным
разложением ПАУ летом (рис. 20.6). В этих исследованиях пока слабо
учитывается локальная пространственная дифференциация параметров,
механизмы миграционных и транслокационных процессов и потоки веществ
между блоками и компонентами ландшафта.
Второе направление исследований --- анализ фонового функционирования
ландшафта на основе изучения потоков и балансов вещества и энергии,
биогеохимических круговоротов элементов. Данное направление не является
специфическим для геохимии ландшафта и наибольшее развитие получило в
экологии, биогеоценологии и почвоведении, где установлены фундаментальные
закономерности энергетических и биогеохимических циклов на локальном и
глобальном уровнях. В России таковы исследования основателей биогеоценологии
--- В.Н. Сукачева и радиоэкологии --- Н.В. Тимофеева- Ресовского, а также Н.И .
Базилевич, А.А. Титляновой, Т .Г. Гильманова и др., в которых большое значение
уделяется ландшафтно- экологическому подходу. Среди зарубежных исследований
отметим классические работы Р. Уиттекера (Whitteker), Ю . и Г. Одумов (E. Odum,
H. Odum).
Методика изучения биогеохимических циклов элементов должна учитывать
ландшафтно- геохимическую структуру территории. В.П.Учватовым показано, что
в Приокско-Терассном заповеднике фоновая поставка свинца с атмосферной
пылью существенно (в 3 --- 5 раз) отличается на полянах, под отдельными видами
деревьев и в агроландшафтах. В промышленных районах коэффициенты
аэрозольной концентрации большинства микроэлементов
в 1,5 --- 2 раза выше, чем в фоновых районах (М.А. Глазовская, В.П. Учватов).
20.4. Оптимизация техногенеза
Для реализации экономики, исключающей загрязнение окружающей среды,
расхищение и разрушение производительных сил, необходима разработка теории
оптимизации ноосферы, т . е . создания оптимальных техногенных ландшафтов для
различных природных районов.
Для техногенных ландшафтов исключительно характерны положительные
обратные связи, действие которых определяет быструю эволюцию ландшафтов.
Однако в отдельных случаях, к сожалению нередких, именно положительные
связи приводят к загрязнению среды, эрозии почв, образованию оврагов и другим
нежелательным последствиям. Преобладание положительных обратных связей над
отрицательными часто делает техногенные ландшафты неустойчивыми, ослабляет
самоорганизацию и саморегуляцию. Отрицательные обратные связи, напротив,
стабилизируют ландшафт, делают его саморегулируемым. И отрицательные
обратные связи могут быть нежелательными, например, когда они препятствуют
развитию, достижению поставленных целей. Таким образом, оптимизация требует
такого сочетания положительных и отрицательных обратных связей, которое
обеспечивает и развитие, и устойчивость (стационарность) ландшафта.
По своей сущности техногенные ландшафты еще более чем биогенные
относятся к управляемым системам. Для их функционирования необходим единый
центр, из которого осуществляется управление. Однако нередко они не имеют
такого центра и заводы, поля, транспортные артерии и другие части управляются
из самостоятельных центров. Это и приводит к ослаблению отрицательных
обратных связей, самоорганизации, саморегулирования, загрязнению среды.
Поэтому с системных позиций централизация техногенных ландшафтов --- одна
из самых важных практических задач организации территории: в каждом
ландшафте должен быть центр управления, регулирующий взаимоотношения
между его частями, решающий задачу оптимизации. Такие задачи давно уже
разрабатываются в экономической географии, начиная с классических работ Н.Н.
Баранского и Н.Н. Колосовского. Их методологию и опыт важно учитывать и в
геохимии ландшафта.
20.4.1. Оптимизация биологического круговорота (бика)
Ее цель --- высокая продуктивность и разнообразие продукции. Для бика
должно быть характерно и быстрое разложение остатков организмов с
включением продуктов минерализации в новый цикл. Необходим также
минимальный "
выход" химических элементов из бика; N, P, K и другие
химические элементы должны все время "
вращаться" в круговороте и не
включаться в водную миграцию, не выноситься реками. Избыточные элементы,
напротив, должны удаляться, а дефицитные --- привноситься. Наконец, важна
мобилизация внутренних ресурсов ландшафта, например использование сапропеля
в качестве удобрения.
Исключительное внимание к загрязнению среды и другим негативным явлениям
техногенеза нередко оставляет в тени огромные его позитивные возможности,
которые только частично реализованы человечеством. Примером служит
разрешение противоречия лесных ландшафтов. Последние появились около 350
млн. лет назад в позднем девоне, когда накопление большой органической массы,
т . е . усиление бика знаменовало новый качественный этап развития биосферы.
Однако это привело к разложению большого количества остатков растений и
животных, их энергичной минерализации. В почву стало поступать больше CO2,
органических кислот, почвенные воды стали более кислыми. В результате
усилилось кислое выщелачивание почв, минеральное голодание растений. Чем
лучше растения обеспечивались водой, светом и теплом, тем сильнее развивалось
кислое выщелачивание, ухудшалось их минеральное питание. Так, бик привел к
противоречию между световым и минеральным питанием: растения сами
ухудшили условия своего существования. Это противоречие стало, вероятно,
одной из движущих сил эволюции растительного мира, и естественный отбор
действовал в направлении его разрешения. Понадобилось почти 250 млн. лет,
чтобы у растений выработалась способность поглощадь из почвы больше Ca, Mg,
Na, K и других катионов. В результате в середине мелового периода голосеменная
флора сменилась покрытосеменной, которая содержала больше зольных
катионогенных элементов, и , следовательно, лучше противостояла кислому
выщелачиванию. Однако разрешить полностью данное противоречие
растительный мир не смог, т . к . и в современную эпоху имеет место кислое
выщелачивание почв, ухудшение минерального питания растений. Противоречие,
которое природа не смогла разрешить за сотни миллионов лет, исчезло в
ноосфере, где удобрение полей и подкормка домашних животных обеспечивают
необходимое минеральное питание растений и животных в условиях влажного
климата. Появилась возможность повышения продуктивности агроландшафтов,
ускорения биологического круговорота. Огромное разнообразие сортов
культурных растений и пород домашних животных мы связываем не только с
искусственным отбором, но и с благоприятной геохимической обстановкой,
которую сначала бессознательно, а позднее и сознательно создавал человек.
20.4.2. Оптимизация круговорота воды
Она достигается орошением пустынь, осушением болот, опреснением морских
вод, использованием вод артезианских бассейнов, внедрением оборотного
водоснабжения и т .д. Во многих регионах приобрел исключительное значение
дефицит пресных вод. Инженерная сторона водоснабжения разработана хорошо, и
возможности человечества в этом направлении велики (плотины, каналы, дамбы,
бурение скважин и т .д.). Сильно отстает естественно- историческое, в том числе и
геохимическое обоснование ряда проектов, что и привело ко многим ошибкам
типа "поворота рек", перекрытия Кара-Богаз-Гола, обмеления Аральского моря.
В комплексной проблеме оптимизации круговорота воды очень важен
геохимический аспект, в частности защита вод от загрязнения. Это относится не
только к Байкалу, но и к другим озерам и рекам, к подземным водам.
В борьбе с загрязнением вод имеют значение техногенные геохимические
барьеры, которые необходимо создавать вокруг промышленных предприятий с
вредными выбросами и таким путем локализовать загрязнение, не дать ему
распространиться на значительную площадь. Если, например, на пути миграции
сернокислых шахтных вод поместить дробленые известняки и другие карбонатные
материалы, то на этом щелочном геохимическом барьере D7 будут задерживаться
тяжелые металлы, подвижные в кислой среде. В Молдавии для борьбы с
загрязнением
ландшафтов
медью,
используемой для опрыскивания
виноградников, Н .Ф. Мырлян предложил создавать на пути миграции медного
купороса техногенные щелочные барьеры.
20.4.3. Комплексное использование сырья
Еще в 20-х годах А.Е. Ферсман и Н.М. Федоровский подчеркивали важность
этого вопроса. В настоящее время только 10% извлекаемого из недр становится
готовой продукцией, а 90% составляют отходы, загрязняющие среду. При добыче
некоторых полезных ископаемых используется лишь 1% массы руды, а 99% идет в
отвалы. Велики терриконы вокруг угольных шахт и карьеров. Идеалом
производства является безотходная технология, при которой утилизируются все
компоненты сырья. И здесь важна роль геохимии. Ярким примером служит
открытие в Забайкалье новой горной породы --- сыннерита --- калиевого аналога
нефелинового сиенита. Все его компоненты могут использоваться: К --- для
производства особо ценных бесхлорных удобрений, Al --- для получения металла,
SiO2 --- для производства цемента и других стройматериалов. Однако всеобщее
внедрение безотходной технологии дело неблизкого будущего и пока задача
состоит в наиболее полном использовании сырья. Нередко из руд извлекается
только один-два полезных компонента, а остальные, в том числе многие
микроэлементы, не используются. Вместе с тем они представляют часто не
меньшую ценность, чем главные компоненты.
Большое практическое значение имеют элементы примеси в углях. В
промышленных масштабах из углей извлекают Ge, U, Ga, разработана технология
извлечения Pb, Zn, Mo, ставится вопрос об извлечении Au, Ag и Hg. Из зол
энергетических углей можно получить около половины потребляемых в стране
редких металлов. По Л.В. Таусону, в теплоэнергетике ежегодно образуется около
70 млн. т золы, которая пока используется на 10 --- 15%. Золы каменных и бурых
углей содержат мелкие сфероидальные выделения, которые содержат до 70% Fe и
легко сепарируются. Эти выделения содержат примеси Ni, Mn, V и других
элементов ("легированные руды"). Зола многих углей содержит 32 --- 35% Al2O3
(руда на Al). Велики перспективы применения золы в строительстве, где пока ее
используется не более 10%. Зола некоторых углей и горючих сланцев применяется
для известкования кислых почв.
Отвалы рудников и эфеля обогатительных фабрик, в связи с понижением
кондиций руд, рассматриваются в качестве техногенных рудных месторождений.
Актуально и использование техногенных геохимических барьеров для создания
искусственных месторождений. Так, уже в древности с помощью дамб
отгораживали небольшие участки моря, в которых при испарении морской воды
осаждалась поваренная соль (F3). Не исключается возможность создания таким
путем и рудных месторождений.
Если повсеместное внедрение безотходной технологии --- дело будущего, то
малоотходная технология возможна и необходима уже сейчас (Б.Н. Ласкорин).
Это один из важных путей ускорения научно- технического прогресса, в котором
значительна роль геохимии и , в частности, геохимии ландшафта.
20.5. Геохимия ландшафта, история цивилизации и археология
Неоднократно высказывались представления об отрицательном влиянии
техногенеза на развитие целых цивилизаций (гибель государств Двуречья ---
Месопотамии в результате засоления почв и др.). Геохимический анализ
" культурных слоев" различного возраста, изучаемых археологами, может дать
ценную информацию о исчезнувших цивилизациях: об особенностях
производства, болезнях людей и домашних животных (анализ костей), о
хозяйственных связях с другими народами и т .д. Например, английские
биохимики установили, что кости первобытных людей из погребений возрастом
5000 лет содержат в среднем (на массу сухой кости) 1,43.10-3% Pb, а кости
современных людей --- уже 3,45.10-3%. Актуально геохимическое изучение
культурных слоев Москвы, Новгорода, Пскова, Бухары, Самарканда, Ташкента,
Еревана и других древних городов, а также мест былых сельских поселений.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятий "
техногенез", "ноосфера", "техногенный
ландшафт".
2. Каковы энергетика и информационные особенности ноосферы?
3. Охарактеризуйте две группы процессов техногенеза.
4. Что такое "технофильность", как она изменяется?
5. Расскажите о техногенных геохимических аномалиях, зонах выщелачивания,
барьерах.
6. Рассмотрите геохимические аспекты проблемы загрязнения окружающей
среды.
7. Дайте определение "геохимического мониторинга".
8. В чем состоит проблема оптимизации ноосферы?
9. Геохимический аспект проблемы комплексного использования полезных
ископаемых.
Глава 21
ГОРОДА И ГОРОДСКИЕ ЛАНДШАФТЫ
Наиболее сильно техногенное воздействие на природную среду и население
проявляется в крупных промышленных городах, которые по интенсивности и
площади аномалий загрязняющих веществ представляют собой техногенные
геохимические и биогеохимические провинции. На природном и агротехногенном
фоне города выделяются как центры накопления веществ, поступающих с
транспортными потоками и затем перерабатываемыми промышленностью и
коммунальной деятельностью. Города --- это мощные источники техногенных
веществ, включающихся в региональные миграционные циклы. Во многих городах
России и других стран экологическая ситуация близка к критической. При
экологическом мониторинге получают геохимическую информацию примерно о
200 городах России, в которых проводятся комплексные эколого- геохимические
оценки и картографирование, использующие методы геохимии ландшафта и
геохимии окружающей среды. Основы экогеохимии ландшафтов городов как
особого научного направления разрабатываются в ИМГРЭ (
Институте
минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов --- Ю.Е. Сает, Р.С .
Смирнова, Е.П. Сорокина и др.), на географическом и почвенном факультетах
МГУ (Н.С. Касимов, А.И. Обухов, Е.М. Никифорова, Т.М. Белякова, С.И.
Решетников и др.), в Институте геологии рудных месторождений, петрографии,
минералогии и геохимии РАН (А.И. Перельман), в Институте экспериментальной
метеорологии (Э.П. Махонько и др.), в Институте мерзлотоведения в Якутске
(А.Н. Макаров) и других учреждениях России.
21.1. Систематика городов и городских ландшафтов
21.1.1. Геохимические принципы эколого-географической
систематики городов
Геохимические принципы имеют ведущее значение при эколого-
географической классификации городов. Однако пока базовая классификация не
разработана, рационально рассмотреть систематику городов с чисто
геохимических позиций на основе показателей, характеризующих их природную и
техногенную ситуацию --- количество выбросов, стоков, уровни загрязнения,
природные особенности. Подобная геохимическая информация хотя и в неполном
объеме имеется для многих городов.
Можно выделить два уровня геохимической систематики урбанизированных
территорий. Первый --- это систематика городов как целостных систем, второй ---
систематика ландшафтов внутри города. Оба подхода опираются на близкие, но не
полностью совпадающие принципы.
Отряды городов. Селитебные, в том числе и городские ландшафты, мы
относим к отряду антропогенных ландшафтов, в основе выделения которого
лежит ведущая роль техногенной миграции, наличие искусственного рельефа
(строения), концентрация населения. В качестве первого приближения этот таксон
целесообразно разделить на таксономические единицы, выделяемые по
техногенным и природным особенностям миграции и концентрации химических
элементов (табл. 21.1.).
Таблица 21.1.
Основные таксономические единицы геохимической систематики городов
Разряды городов. Между содержанием вредных веществ в атмосфере и
размером города существует довольно четкая зависимость, что позволяет
использовать число жителей в качестве одного из оснований геохимической
классификации городов. Но так как существуют крупные города с относительно
небольшим количеством выбросов и , наоборот, малые и средние города с
большими объемами выбросов, более информативным показателем степени
загрязнения является коэффициент эмиссионной нагрузки, показывающий
количество выбросов на одного жителя в год (, где Р --- количество выбросов,
тыс. т год, а N --- число жителей, тыс. чел.).
В крупных городах с населением более 500 тыс. жителей Е меняется от 0,1 до
0,7 со значениями более >0,3 в городах с преобладанием химической и
нефтехимической промышленностью (Баку, Омск, Ярославль, Уфа, Тольятти) и
тяжелым машиностроением (Челябинск, Тула). Для Москвы Е составляет 0,12
т/чел. год.* В малых и средних промышленных городах Е изменяется от 0,2 --- 0,3
до более 10. Среди наиболее загрязненных явно преобладают города с черной и
цветной металлургией. По значениям коэффициента Е можно установить градации
городов, обозначаемые буквенными индексами:
L---до0,3
т/чел. год --- многие крупные и средние города с
машиностроительной специализацией;
M --- 0,3 --- 1 т/чел. год --- крупные города с нефтехимической и химической
промышленностью и другие промышленные центры;
N---1---2
т/чел. год --- города с черной и цветной металлургией, тяжелым
машиностроением, химической промышленностью (Липецк, Нижний
Тагил, Краснотурьинск, Ангарск, Фергана, Днепродзержинск,
Лисичанск);
Р --- 2 --- 3 т/чел. год --- это четыре города: Ново-Троицк, Красноперекопск,
Череповец и Магнитогорск;
R---3---5
т/чел. год --- к нему относится только Темиртау (Е=4,4);
S --- > 5 т/чел. год --- уникальная нагрузка характерна для Норильска, где на
одного человека в год приходится 12 --- 13 т . выбросов вредных
веществ.
Сочетание эмиссионной суммарной нагрузки выбросов на одного жителя в год
или на площадь с известными показателями уровней загрязнения (Zс и др.)
депонирующих сред --- почв и снега можно использовать в качестве оснований
для выделения геохимических разрядов городов, которые обозначаются буквенно-
числовыми индексами (табл. 2.2.) и оцениваются в баллах.
Между выбросами на одного жителя и уровнями загрязнения почв нет прямой
зависимости. Так, города с черной металлургией и особенно большим
количеством выбросов, например, Темиртау (население 228 тыс. чел., выбросы
1000тыс. т в год,Е=4,4;Zс почв =17---21), относятся кразрядуR2(10
баллов), а города с цветной металлургией --- Чимкент (389 тыс. чел., 180 тыс. т в
год, Е = 0,46; Zс = 220 --- 1300) с меньшими, но более токсичными выбросами
тяжелых металлов могут относиться к разрядам с более высокими баллами
загрязнения --- М3 --- М4, N3 --- N4 и т.д. На этих же принципах может быть
основана систематика городов с радионуклидным загрязнением (Чернобыль и
др.).
Важной эколого- геохимической характеристикой городов является структура
загрязнения. Она может учитываться отдельно для макрополлютантов (оксиды и
диоксиды азота, серы, углерода, пыль), на долю которых приходится более 90 ---
95% от общего объема выбросов, и микрополлютантов, объемы выбросов которых
малы, но велики уровни концентрации в выбросах и токсичность (тяжелые
металлы, хлорорганические соединения, углеводороды и др.). Так, среди крупных
городов мира по средним концентрациям в воздухе выделяются "серные" города
--- Тбилиси, Тегеран, Милан, Сеул и др., "азотные" --- Донецк, Ташкент, Тель-
Авив, Одесса, Москва и др., "углеродные" --- Париж, Сантьяго, Ереван, Мадрид и
др. (Э.Ю. Безуглая и др.).
Таблица 21.2
Геохимические разряды городов (по Н.С. Касимову)
Примечание: Zc --- суммарный показатель загрязнения (гл. 1), условные
единицы; р- величины пылевой нагрузки, кг/ км2 сут.; числа --- баллы,
характеризующие опасность загрязнения.
Подобная геохимическая специализация существует и для микропримесей,
особенно в депонирующих средах --- почвах, растениях, донных отложениях.
Наиболее высокие кларки концентрации в почвах (относительно литосферы) 30
наиболее загрязненных микроэлементами городов бывшего СССР имеют Cd, Pb,
Zn, Cu, а наиболее контрастные локальные техногенные аномалии в этих городах
образуют Ni, Cd, Zn, Cu и Hg (рис. 21.1). Их максимальные содержания
достигают десятков и даже сотен кларков концентрации (Cd, Pb). Каждый
промышленный город имеет свою геохимическую специализацию, которую
следует учитывать при выделении подразрядов городов:
Норильск --- Cu, Ni, Pb;
Тольятти --- Cr, Mo, Ni, Pb, Cu;
Братск --- 3,4 бензпирен, Al, F, Zn, Be, Pb;
Чернобыль --- Pu, 137Cs, 90Sr.
Так, наряду с "
серными" и "
азотными" выделяются "
медные", "фторные",
" плутониевые" и другие города.
Геохимическая специализация и загрязнение городов изображаются на
экологических ландшафтно- геохимических картах в виде формул из символов
приоритетных загрязняющих поллютантов. Например, в числителе ---
коэффициенты аномальности в атмосферных выпадениях, снеге, в знаменателе ---
в почвах. Если необходимо, рядом с дробью --- в растениях, а также суммарные
показатели загрязнения (перед дробью).
Группы и типы городов выделяются по группам и типам природных
ландшафтов, в которых сформировался городской ландшафт. Так, существенно
различаются группы городов в тундре, тайге, пустыне. С этих же позиций в
лесной группе выделяются типы городов влажных тропиков и тайги, в пустынной
группе --- города тропических и бореальных пустынь и т .д. С зональных позиций
геохимия ландшафтов городов еще не анализировалась. Это, несомненно, связано
как с определенной ландшафтно- геохимической уникальностью каждого города,
так и отсутствием исследований типа: "азотные", "свинцовые" города в разных
природных зонах или, наоборот, разной геохимической специализации в одной
зоне.
Семейства городов определяются особенностями воздушной миграции
продуктов техногенеза, положением города в бассейнах атмосферного переноса и
региональными особенностями загрязнения и самоочищения атмосферы. Важное
значение имеет соотношение сильных и штилевых ветров, наличие инверсий,
определяющих появление смога, рельеф и т .д. Критерии выделения семейств
требуют уточнения. Многие из этих факторов отражены в геоморфологии города.
Поэтому выделяются равнинное семейство (Москва), горно- котловинное и горно-
долинное (Улан- Батор, Тбилиси), предгорное (Алма-Ата), приморское (Санкт-
Петербург) и другие. Приморские города характеризуются высокой
очищаемостью атмосферного воздуха от загрязнителей, и поэтому среди крупных
промышленных городов мира только они (Копенгаген, Осака, Токио, Нью-Йорк,
Ванкувер, Мельбурн, Торонто) отличаются наименьшими средними
концентрациями взвешенных в воздухе частиц (Э.Ю. Безуглая). Наоборот, горно-
котловинные и предгорные города при прочих равных факторах имеют самые
высокие показатели загрязнения.
Классы городов выделяются по условиям водной миграции продуктов
Рис. 21.1. Микроэлементы в почвах тридцати наиболее загрязненных каждым элементом
городов России (по Н.С. Касимову).1 --- среднее содержание; 2 --- аномальные содержания
(цифры --- контрастность аномалий над средним).
техногенеза, положению в каскадных ландшафтно- геохимических системах. Как и
в природных ландшафтах имеются кислые, кислые глеевые, кальциевые и прочие
классы, различающиеся интенсивностью миграции и по характеру разложения
техногенных веществ. Для города в целом целесообразно указывать
пространственную структуру преобладающих по площади классов в автономных и
подчиненных позициях. Это определяет особенности концентрации загрязняющих
веществ в типичных почвенно- геохимических катенах. Число классов может быть
достаточно велико, но в почвах и донных отложениях городов наиболее типичны,
по- видимому, 8 --- 10 основных сочетаний окислительно- восстановительных и
щелочно- кислотных условий, лежащих в основе выделения классов. Так, в
Тольятти кислые и нейтральные классы ландшафтов существенно различаются не
только условиями водной миграции поллютантов, но и уровнями загрязнения в
зависимости от миграционных особенностей ассоциаций химических элементов
(Н.С. Касимов, О.В. Моисеенков).
Роды городов определяются геохимической специализацией литогенного
субстрата. По уровням содержания токсичных элементов и соединений в
коренных, почвообразующих породах и почвах можно выделить три рода: I ---
фоновые города с околокларковыми содержаниями большинства элементов
(многие города на четвертичных рыхлых отложениях); II --- субаномальные
ландшафты с повышенными содержаниями отдельных элементов в литогенной
основе; III --- города с природно- аномальными литогеохимическими условиями,
построенные на территории рудных, угольных, нефтяных и газовых
месторождений, где высокие природно- обусловленные концентрации токсичных
элементов создают достаточно высокий уровень загрязнения городского
ландшафта. Примерами служат город Моа на хром- никелевом месторождении
Кубы, Баку --- в нефтеносном районе и др. Добыча и переработка полезных
ископаемых в этих случаях вносит дополнительную техногенную нагрузку, что
увеличивает опасность экологической ситуации.
Возможны и другие подходы к геохимической систематике городов, например,
в большей степени учитывающие устойчивость городских ландшафтов к
загрязнению, медико- гигиенические и медико- геохимические показатели и т . п . Но
это проблема дальнейших исследований или создания классификаций городов,
основанных на других, негеохимических признаках. Предложенные принципы
геохимической систематики городов учитывают главные факторы ---
интенсивность и характер техногенной нагрузки и природно- техногенную
геохимическую обстановку, в которой мигрируют и трансформируются
загрязняющие вещества.
21.1.2. Геохимическая систематика городских ландшафтов
Существует несколько подходов к классификации городских ландшафтов: 1)
комплексный подход, основанный на выделении внутри города территорий с
близкими результатами взаимодействия природных и техногенных факторов
ландшафтообразования, близкой степенью нарушенности природных процессов и
т . п .; 2) геоструктурный подход, на основе учета сочетания природных и
антропогенных компонентов; 3) экологический или нуклеарный подход,
представляющий собой по сути зонирование антропогенного воздействия в
системах типа "техногенный источник --- окружающая среда".
Геохимические принципы эколого- географической систематики городских
ландшафтов в известной мере сочетают эти подходы и учитывают одну из
важнейших сторон техногенного воздействия --- загрязнение окружающей среды.
Особо следует подчеркнуть необходимость общей систематики природных и
техногенных ландшафтов, в которой весь спектр существующих на Земле
комплексов рассматривается как единый ряд от практически не измененных
природных (
фоновых) до полностью техногенно трансформированных
ландшафтов. На сходных принципах должна быть основана и систематика
техногенно- измененных почв (А.Н. Геннадиев и др.). Естественно, что такой
подход, как и при геохимиеской классификации городов, в целом требует
использования на разных уровнях классификации разных оснований и критериев
выделения таксонов. Поэтому на верхних уровнях классификации городских
ландшафтов в качестве оснований используются антропогенные (социально-
производственные) критерии, а на нижних --- природно- обусловленные, частично
измененные техногенезом (табл. 21.3).
Крупные и даже средние города занимают значительную площадь, в пределах
которой существуют территориальные комплексы различного ранга.
Пространственная иерархия городских ландшафтов еще не разработана. Поэтому
ниже рассматриваются основные геохимические принципы систематики городских
элементарных ландшафтов. Для природной составляющей городского
элементарного ландшафта учитываются с некоторыми изменениями принципы
Б.Б. Полынова (т. I).
Таблица 21.3
Основные таксономические единицы геохимической систематики
городских элементарных ландшафтов
В качестве техногенного основания классификации используется сочетание
типов техногенных воздействий и преобладающие виды техногенной
геохимической трансформации исходного природного ландшафта. Принципы
геохимической классификации природных ландшафтов, в которой таксоны
являются как бы "
слоеным пирогом" из характеристик разных компонентов
ландшафта, рассматриваемых с позиций их сопряженного геохимического
анализа, особенно пригодны для систематики городских элементарных
ландшафтов.
Порядки городских элементарных ландшафтов. Главная геохимическая
особенность промышленного, транспортного и муниципального воздействия на
среду города --- это формирование техногенных геохимических аномалий в
различных его компонентах. Контрастность и пространственное положение
аномалий зависит от сочетания функциональной структуры города, определяющей
характер и уровень техногенного воздействия на среду, и ландшафтно-
геохимических условий, дифференцирующих это воздействие. В ряде работ
функциональное
зонирование
используется
для
геохимического
картографирования городских территорий, а в качестве ландшафтной карты
городов принимается карта- схема функциональных зон, отражающая структуру
ландшафта. Однако более обосновано картографирование на основе учета как
природных, так и антропогенных факторов дифференциации городской среды.
Так, по И.А. Авессаломовой, основным объектом картографирования служат
ландшафтно-функциональные комплексы, представляющие собой сочетание
функциональной и ландшафтной структур, т . е . особые техногенные модификации
природных элементарных ландшафтов. Поэтому геохимическая классификация
городских элементарных ландшафтов должна быть основана на двух
взаимосвязанных факторах --- техногенном и природном.
Ведущее значение имеет техногенная миграция, во многом определяемая
приуроченностью к той или иной функциональной зоне, по особенностям которой
выделяются порядки ландшафтов. С ними связаны многие количественные
параметры техногенного загрязнения, характер трансформации и деградации
биологического круговорота. Выделяются пять основных порядков: 1) парково-
рекреационный; 2) агротехногенный; 3) селитебный; 4) селитебно- транспортный;
5) промышленный.
Коэффициент контрастности поступления загрязняющих веществ из атмосферы
по сравнению с фоном у порядков колеблется от менее 10 в парково-
рекреационной зоне до более 30 в промышленной. Это, соответственно,
ландшафты со слабой, умеренной, сильной и практически полной деградацией
биологического круговорота, однако количественные критерии оценки деградации
разработаны слабо.
Отделы. Они выделяются в пределах порядков по особенностям воздушного
привноса- выноса поллютантов и геохимической специализации выбросов, отходов
и стоков. Критерии выделения отделов и их обозначение требуют еще уточнения
на основе разработки понятийного аппарата и учета геохимических параметров.
Первые три порядка представляют собой арены преимущественно привноса
(имиссии) загрязняющих веществ. В их пределах геохимическая дифференциация
ландшафтов во многом определяется местной миграцией поллютантов. Меньшую
атмотехногенную нагрузку обычно испытывают парково-рекреационные
ландшафты, в которых еще велика роль биогенной миграции. Особо следует
выделять ландшафты садов и огородов, находящиеся под двойным ---
атмотехногенным и агрогенным (удобрения, ядохимикаты) прессом загрязняющих
веществ.
Жилые здания и промышленные сооружения служат механическим барьером на
пути воздушных потоков и способствуют формированию техногенных аномалий,
контрастность которых зависит от высоты и расположения зданий. Кроме особой
циркуляции воздушных потоков с этажностью связаны также плотность
населения, количество и способы утилизации отходов, водоснабжение,
комфортность проживания и даже психические расстройства и др. специфические
заболевания. Поэтому порядок селитебных ландшафтов можно разделить на 3 --- 4
отдела: с низким антропогенным рельефом и одно-двухэтажной застройкой
(слабая выраженность механических барьеров, преобладание латеральной
воздушной миграции), 3 --- 4, 5 --- 10 и более 10 этажей (контрастные
механические барьеры, появление и даже преобладание восходящих воздушных
потоков).
Другие порядки городских ландшафтов --- это источники техногенной эмиссии
и места частичной аккумуляции поллютантов. Порядок селитебно- транспортных
ландшафтов делится на отделы по категориям магистралей, интенсивности
движения и , следовательно, загрязнения (переулки, улицы, автострады, вокзалы и
т . п .). Порядок промышленных ландшафтов в зависимости от типа производства,
добываемого сырья, источника энергии и характера отходов делится на
ландшафты заводов, фабрик и рудников определенной специализации,
электростанций (тепловых, атомных), отвалов, свалок и т .д.
Разделы. Интегральным критерием для их выделения служат уровни
загрязнения отдельных компонентов и степень их опасности для населения. Для
этого можно использовать предложенные Ю.Е. Саетом и Б.А. Ревичем четыре
градации поступления пыли и суммарные показатели загрязнения химическими
элементами снега, почв и , возможно, растений. В результате выделяется 16
разделов городских ландшафтов, учитывающих основные комбинации
функциональных зон и степени загрязнения (табл.21.4).
Классы. Как и для природных ландшафтов, водная миграция химических
элементов учитывается на уровне классов, которые выделяются по сочетанию
окислительно- восстановительных, щелочно- кислотных условий и видов
геохимических барьеров в профиле почв и между сопряженными ландшафтами с
сохранением традиционных в геохимии ландшафта названий (кислый, кислый
глеевый, содовый и прочие классы). Особое значение при этом приобретает
оценка трансформации геохимических условий миграции и ее прогноз под
влиянием техногенеза, что может быть отражено в фиксации той или иной
тенденции изменения геохимических условий (
кислый нейтрализующийся,
щелочной подкисляющийся и т . п .). Целесообразно также учитывать
окислительно- восстановительные и щелочно- кислотные условия грунтовых вод.
Роды. В городах интенсивное атмотехногенное поступление веществ
нивелирует влияние рельефа на перераспределение поллютантов. Поэтому
представления об автономности и подчиненности ландшафтов требуют
существенной модификации по сравнению с природными аналогами. В частности,
поставка вещества из атмосферы в элювиальные ландшафты может значительно
превосходить величины, характерные для фоновых условий. Рельеф города влияет
не только на водную, но и воздушную миграцию поллютантов и наряду с
традиционным выделением зон мобилизации, транзита и аккумуляции вещества
(элювиальные, трансэлювиальные, элювиально- аккумулятивные, супераквальные
элементарные ландшафты) требуется учет их положения относительно основных
источников загрязнения и преобладающих атмотехногенных потоков. Как
правило, атмотехногенные аномалии приурочены к наветренным склонам и (или)
водораздельным поверхностям, а подветренные склоны менее загрязнены. На этой
основе выделяются 10---15 родов городских элементарных ландшафтов ---
трансэлювиальные наветренные, трансэлювиальные подветренные и др. Пока не
ясно, как лучше учитывать в классификации соотношение естественного и
антропогенного рельефа города. В предлагаемой систематике влияние
антропогенного рельефа учитывается на более высоком таксономическом уровне
(отдел). Для равнинных городов это, по- видимому, обоснованно, но для горных
районов такой подход требует уточнения. Важное значение имеет принадлежность
элементарных ландшафтов к природным (водно- эрозионным) или природно-
техногенным (бассейнам концентрации ливневого стока), каскадным системам
определенного порядка, а также открытость или замкнутость этих систем,
определяющие особенности миграции и аккумуляции продуктов техногенеза.
Такой подход при изучении прибрежных городов как систем типа "суша --- море
(водохранилище)" был использован при эколого- геохимических оценках городов
Тольятти и Геленджик.
Виды. Многие особенности водной миграции, а также уровни загрязнения
тесно связаны с гранулометрическим составом почв и грунтов. Так, изначальные
содержания тяжелых металлов и сорбционная емкость песков значительно
меньше, чем у суглинков, пески лучше промываются атмосферными осадками и
т . п. Гранулометрические особенности почв и грунтов учитываются при выделении
видов городских ландшафтов. При этом важно различать естественные почвы и
грунты от техногенных почв, наносов, асфальтированных поверхностей.
Выше изложены лишь основные принципы геохимической классификации
городских элементарных ландшафтов. Ее реализация при крупномасштабном
ландшафтно- геохимическом картографировании сталкивается с существенными
методическими трудностями, связанными главным образом с неполнотой
геохимической информации, изменчивостью некоторых показателей, лежащих в
основе таксономического уровня (наветренность, подветренность), сочетанием
дискретно (промышленные и жилые здания) и континуально (поля загрязнения)
распределенных признаков. При всей условности предложенной систематики ее
разработка оказалась полезной для организации геохимической информации и при
эколого- геохимическом картографировании ряда городов (Тольятти, Улан-Батор,
Моа на Кубе и др.). Пример легенды ландшафтно- геохимической карты г .
Тольятти (М 1:50 000) приведен в табл. 21.5. На карте порядки ландшафтов
(функциональные зоны) изображаются цветом, отделы --- интенсивностью
окраски, разделы --- отсутствием изображения (низкий уровень загрязнения),
штриховкой и значками, классы и роды --- индексами, виды --- цифрами. Пустые
клетки позволяют прогнозировать возможную эколого- геохимическую ситуацию в
местах нового строительства жилых массивов и промышленных объектов.
21.2. Эколого-геохимические оценки состояния городовТаблица 21.4
Разделы городских ландшафтов
При эколого- геохимических оценках состояния урбанизированных территорий
используются разнообразные методические подходы. Для решения конкретных
задач применяются частные или специальные методы мониторинга и оценки
качества среды, в основном базирующиеся на индикационных свойствах
отдельных компонентов городского ландшафта.
Комплексная геохимическая оценка экологического состояния города или его
отдельного района состоит из нескольких взаимосвязанных блоков информации,
выделение которых основано на определенных методических принципах и
технологических подходах.
21.2.1. Оценка природного геохимического фона
окружающей территории
Эти исследования необходимы для расчета контрастности техногенных
геохимических аномалий в городской среде. Особенно они важны для тех сред и
химических элементов, для которых не разработаны предельно-допустимые
концентрации --- ПДК и др. санитарно-гигиенические нормы. Оценка
геохимического фона включает получение детальной информации о региональной
литогеохимической и биогеохимической специализации эталонных фоновых
участков, расположенных
вне
зоны
влияния
промышленного
и
сельскохозяйственного загрязнения, их радиальной и латеральной структуре,
выраженной в виде системы ландшафтно- геохимических коэффициентов и
моделей (см. выше). При выборе эталонных участков нужно учитывать радиус
загрязнения вокруг промышленных центров, нередко достигающий нескольких
десятков километров. Закономерности дифференциации геохимического фона
природных ландшафтов и используемые при их изучении методические принципы
описаны в первой книге.
Таблица 21.5
Легенда к ландшафтно- геохимической карте г . Тольятти (фрагмент)
Уровни загрязнения (разделы) Естественные почвы и грунты
I низкий
00 --- пески и супеси
II средний
01 --- суглинки и глины
III высокий
Техногенные наносы
IV очень высокий
10 --- пески и супеси
11 --- суглинки и глины
21.2.2. Ландшафтно- геохимический анализ состояния городов
Он включает изучение распределения загрязняющих веществ в атмосферном
воздухе, снеге, почвах, растениях, животных, водах, т . е . в компонентах
городского ландшафта, а также в людях, изучение связей между ними, анализ
техногенных потоков тяжелых металлов, радионуклидов и органических
загрязнителей, оценку техногенной геохимической трансформации среды под
воздействием промышленной и муниципальной деятельности, эколого-
геохимическое картографирование и зонирование городов.
Экологические блоки промышленного города, между которыми формируются
потоки загрязняющих веществ, условно делятся на три группы: а) источники
выбросов, к которым относится промышленный комплекс города, городское
жилищно- коммунальное хозяйство и транспорт; б) транзитные среды,
непосредственно принимающие выбросы, где происходит транспортировка и
частичная трансформация загрязняющих веществ --- атмосфера города,
атмосферные выпадения (дождь, снег, пыль), временные и постоянные водотоки,
поверхностные водоемы (пруды, озера, водохранилища), грунтовые воды;
загрязняющие вещества в эти системы поступают через открытые и закрытые
коллекторы путем рассеивания через атмосферу или от складирования твердых
отходов; в) депонирующие среды, в которых накапливаются и преобразуются
продукты техногенеза --- донные отложения, почвы (
особенно участки
геохимических барьеров), растения, микроорганизмы, городские сооружения,
население города.
Используемые при экологической оценке городов ландшафтно- геохимические
методы в большей степени связаны с изучением не эмиссии загрязняющих
веществ от техногенных источников, на которое ориентированы системы
ведомственного мониторинга, а имиссии поллютантов, т . е . их реального
распределения в депонирующих природных средах. Общая характеристика
техногенных источников загрязнения рассмотрена в главе 1.
Атмосферные выпадения
Выбросы вредных веществ в атмосферу в городах составляют сотни и
миллионы тысяч тонн в год. Среди городов по интенсивности выбросов (более
800 тыс. т/ год) выделяются города с черной и цветной металлургией --- Норильск,
Кривой Рог, Темиртау, Новокузнецк, Магнитогорск, Мариуполь. Для оценки
экологической опасности и степени загрязнения кроме объема выбросов важно
знать их качественный состав и содержание наиболее токсичных веществ. В
крупных столичных городах, расположенных в межгорных и предгорных
впадинах, велико загрязнения от автотранспорта, достигающее в Тбилиси,
Ереване, Алма-Ате, Ташкенте 75 --- 90% от общих выбросов.
Рис. 21.2. Формы связи микроэлементов с твердыми частицами аэрозолей в
городах. Фракции: 1 -- обменная; 2 -- адсорбированных на поверхности
гидроксидов и карбонатов; 3 -- связанная с оксидами железа и марганца; 4 --
связанная с органическим веществом; 5 -- остаточная (по W. Salomons, U.
Förstner).
Основная масса микроэлементов в атмосфере входит в состав аэрозолей. При
этом элементы с относительно высокими кларками --- железо, марганец, цинк,
хром, медь связаны главным образом с мелко- и крупнодисперсным аэрозолем
(0,05 --- 2 мкм и более), а наиболее токсичные элементы с низкими кларками ---
кадмий, свинец, сурьма, мышьяк, ртуть находятся преимущественно в
субмикронной фракции (менее 0,05 мкм) или паро- газовой фазе аэрозоля. В
атмосферных аэрозолях кадмий, свинец, цинк находятся в основном в обменных
формах (рис. 21.2).
Атмосфера городов загрязнена обычно оксидами серы и азота, пылью, но
особенно опасны специфические для каждого производства загрязнители.
Наиболее высоки уровни загрязнения в городах с черной, цветной металлургией и
нефтехимической промышленностью, где предельно допустимые концентрации
(ПДК) вредных веществ превышены в несколько раз. Среди специфических
поллютантов приоритетные позиции занимают полициклические ароматические
углеводороды (ПАУ), формальдегид, тяжелые металлы. Особенно контрастны
техногенные аномалии одного из ПАУ --- 3,4-бензпирена, обладающего
канцерогенными свойствами и образующегося при пиролитических процессах,
главным образом при сжигании ископаемого топлива.
Рис 21.3. Зависимость контрастности техногенных аномалий металлов от
соотношения растворенной и взвешенной форм нахождения (по Ю.Е. Саету, с
изменениями). Ландшафты: I -- фоновые; II -- сельскохозяйственные; III --
городские селитебные; IV -- промышленные.
Высока запыленность воздуха в городах. Так, в фоновых ландшафтах центра
Русской равнины поставка твердого вещества из атмосферы составляет 10 --- 15
кг/км2 в сутки (Ю.Е. Сает, Н.Ф. Глазовский). В промышленных городах она
увеличивается в 5 --- 10 и более раз, что ведет к возрастанию роли взвешенных
частиц как носителей химических элементов и контрастности образующихся при
атмосферных выпадениях техногенных аномалий (рис. 21.3). Выделяется два типа
атмотехногенной нагрузки: 1) выпадение больших количеств пыли с относительно
низкими концентрациями поллютантов и 2) высокие нагрузки, образуемые
выпадением меньшего количества пыли с повышенными содержаниями элементов.
Из- за глобального распространения многих поллютантов, особенно тяжелых
металлов, возникают большие трудности при определении регионального фона
атмосферных выпадений. Почвы --- основной поставщик тяжелых металлов
естественного происхождения в атмосферу. Однако пыль выпадений по
сравнению с почвами обогащена в 5 --- 20 раз ртутью, цинком, оловом, кадмием и
медью. Считается, что для этих металлов, а также мышьяка и сурьмы
антропогенный вклад в их общее количество в атмосфере составляет более 50%.
Поэтому понятие "фон" для атмосферных выпадений относительно. Выпадения в
промышленных городах в среднем в 3 --- 15 раз обогащены тяжелыми металлами
по сравнению с региональным фоном. В свою очередь территория крупных
городов, как правило, загрязнена неравномерно и на повышенном городском фоне
четко выделяются техногенные аномалии выпадений промышленных зон, в
которых концентрации цинка, свинца, никеля, ртути, хрома и других металлов
возрастают обычно еще в 5 --- 6 раз.
Интенсивность загрязнения воздуха в городах зависит и от целого ряда
ландшафтных факторов, в первую очередь от метеорологической ситуации и
рельефа. Особенно сильно загрязнены промышленные города, расположенные в
горных котловинах (горно- котловинное семейство) с частыми инверсиями
температур, приводящими к смогам (Новокузнецк, Братск, Магнитогорск, Иркутск
и др.).
Состояние атмосферного воздуха очень динамично, поэтому наблюдение за ним
ведется непрерывно на стационарных пунктах контроля (в крупных городах, как
правило, в нескольких пунктах). Достоинством такой организации контроля
воздушной среды служит непрерывность, а недостатком --- редкая сеть
наблюдений, не обеспечивающая достоверную пространственную картину
распределения загрязнителей по всей территории города. Существование
коррелятивных зависимостей между содержанием многих поллютантов в
атмосферном воздухе и их содержанием в снеге и почвах, доступных для
площадного опробования, позволяет использовать эти компоненты ландшафта для
экспрессной геохимической индикации загрязнения городов.
Атмотехногенное загрязнение снежного покрова
Снег обладает высокой сорбционной способностью и поглощает из атмосферы
значительную часть продуктов техногенеза. Изучение химического состава
снежного покрова позволяет выявить пространственные ареалы загрязнения и
количественно рассчитать реальную поставку загрязняющих веществ в
ландшафты в течение периода с устойчивым снежным покровом. Этот метод
экспрессной оценки состояния среды успешно применяется во многих городах
тундровой, таежной, лесостепной, отчасти степной зон.
Вокруг промышленных центров техногенные ореолы запыленности снежного
покрова, выявленные со спутников, в 2 --- 3 раза выше фонового уровня.
Особенно велики площади загрязнения в Московском, Донецко-Криворожском,
Кузбасском, Уральском
территориально- производственных
комплексах.
Техногенные ореолы пыли в снежном покрове в десятки раз превышают площадь
городской застройки и в 2 --- 3 раза контрастнее ореолов в атмосферном воздухе.
Опробование снега проводится обычно перед началом таяния на всю его
мощность специальными полихлорвиниловыми пробоотборниками. Сплошной
снежный покров позволяет проводить массовое площадное опробование
территории города и его окрестностей по регулярной, полурегулярной сети или
векторным способом. Достоверные пространственные структуры загрязнения
получают при взятии одной пробы на 1 км2 на открытых площадках, удаленных
на 150 --- 200 м от воздействия автотранспорта или других локальных источников.
Пробы снега растапливают при комнатной температуре и воду фильтруют под
давлением или пропускают через газ. При мониторинге снежного покрова обычно
исследуется две фазы --- растворенная, прошедшая через ядерные фильтры
диаметром не менее 0,45 мкм, и минеральная фаза (пыль), оставшаяся на
фильтрах. Такой фазовый анализ позволяет получить информацию о
пространственном распределении наиболее подвижных водорастворимых форм
химических элементов и сорбированных, карбонатных, гидроксидных и др. форм,
связанных с минеральными и органоминеральными носителями. Техногенные
ореолы этих форм имеют разную площадь, контрастность и элементный состав.
Наибольшее индикационное значение имеет количество и химический состав
пыли, на долю которой приходится обычно 70 --- 80% от общего баланса
элементов в снеге.
После аналитического определения макрокомпонентов, соединений азота,
фтора, тяжелых металлов, полициклических ароматических углеводородов и др.
рассчитываются коэффициенты техногенной концентрации или аномальности
элементов и соединений (Кс) по сравнению с фоном, а также показатели общей
пылевой нагрузки (Ю.Е. Сает и др.):
Робщ. = С . Рn (г/см2, т/км2 или мг/км2 . сут.), где
С --- концентрация химических элементов в снежной пыли, мг/кг;
Рn --- пылевая нагрузка, кг/км2 . сут. Тогда коэффициент относительной
техногенной нагрузки:Кр = Робщ. , при Рф = Сф . Рпф, где
Рф
рф --- фоновая нагрузка элемента; Сф --- фоновое содержание исследуемого
элемента; Рпф --- фоновая пылевая нагрузка (например, для нечерноземной зоны
равная 10 кг/км2 . сут.
Для выражения полиэлементных техногенных аномалий часто используются
суммарные показатели загрязнения (Zс) или нагрузки (Zр), характеризующие
степень загрязнения ассоциации элементов относительно фона (см. разд. 20.1). По
Ю.Е. Саету и др., аномальные зоны с Zс более 100 --- 120 характеризуют высокий
и опасный уровень загрязнения.
Техногенная геохимическая трансформация городской среды зависит от видов
преобладающих производств и конкретной ландшафтной ситуации. Выделяются
пять основных групп поллютантов: 1) макрокомпоненты снеговых вод --- пыль,
сульфатные и гидрокарбонатные ионы, кальций, хлор, фтор, минеральные формы
азота и фосфора и др.; 2) тяжелые металлы и другие микроэлементы;
органические соединения: 3) фенолы, формальдегид и др.; 4) полициклические
ароматические углеводороды; 5) радионуклиды. Другие токсичные вещества ---
полихлорбифенилы, пестициды, диоксины, очевидно, также загрязняют
городскую среду, но их распределение в снежном покрове городов практически не
изучено.
Трансформация общего химического состава снега. Выбросы пыли, оксидов
серы, азота, углерода приводят к техногенной трансформации химического
состава снеговых вод. Во многих городах выбросы оказывают противоположное
влияние на химический состав снега. При поступлении больших количеств пыли в
окружающую среду (цементная, строительная промышленность, теплоэнергетика,
черная металлургия, производство аммиака) наблюдается подщелачивание
снеговых вод до 8,5 --- 9,5 и увеличение содержания кальция, магния,
гидрокарбонатионов за счет растворения техногенных карбонатов, содержащихся
в пыли. Поставка оксидов серы (тепловые станции на угле, цветная металлургия,
коксо- и нефтехимия) ведет, наоборот, к подкислению снеговых вод. Иногда
наблюдается зональность щелочно- кислотных условий: во внутренней зоне
загрязнения воды имеют щелочную реакцию, во внешней зоне --- более кислую. В
среднем нагрузка сульфатов (2 --- 3 т/км2 в год), нитратов (0,5 --- 1,0), аммония
(около 1 т/км2 . год) на города почти на порядок выше, чем на малонаселенные
районы.
При подщелачивании и подкислении происходит увеличение минерализации и
техногенная трансформация состава вод. Для оценки степени трансформации
используется коэффициент К, показывающий возрастание отношения SO42-/Cl- в
снеговой воде к этому же эталонному отношению в морской воде. К > 10 обычно
характеризует достаточно сильную трансформацию состава вод и степень их
сульфатизации.
Тяжелые металлы в снежном покрове. Пространственная связь и
качественный состав микроэлементов позволяет четко индицировать техногенные
источники этого загрязнения. Растворимые и минеральные формы металлов
имеют разное индикационное значение. Так, в г . Тольятти производство азотных
удобрений сопровождается
контрастными
техногенными
аномалиями
растворенного никеля при низких его концентрациях в минеральной
сост
й
О
б
растны ореолы тяжелых металлов вокруг
заво
и, где суммарные показатели загрязнения в
эпиц
тен единиц. Пыль от заводов черной
мета
аномалии минеральных форм металлов.
Выбр
г . Братске наряду с пылью содержат
раст
угих металлов. Аномалии водорастворимых
форм
онтрастнее аномалий их валовых форм.
П
кие углеводороды (
ПАУ). Это
высо
единения бензольного ряда, различающиеся
поч
Рис. 21.4. Аномалия 3, 4-бензпирена в пыли снега г. Братска. 1 -- промышленные зоны: БрАЗ ---
Братский алюминиевый завод, БЛПК --- Братский лесопромышленный комбинат;
2 -- городская застройка; 3 -- изолинии содержаний 3,4--бензпирена нг/г в пыли снега (по
Н.С. Касимову, М.Ю. Лычагину, Д.Л. Голованову).
Они имеют как природное, так и техногенное происхождение. Техногенные
ПАУ образуются при сжигании углеводородного топлива в промышленности и
энергетике, производстве кокса, работе двигателей внутреннего сгорания. Из- за
своей токсичности и канцерогенности ПАУ отнесены к приоритетным
загрязняющим веществам. С прогрессом аналитической техники их определение
все больше используется при эколого- геохимических оценках техногенеза. К ПАУ
относятся сотни соединений, среди которых наиболее токсичны 3,4-бензпирен
(БП) и 1,12-бензперилен (БПЛ), особенно часто определяемые в объектах
окружающей среды. 3,4-бензпирен в 70 --- 80% случаев занимает первое место
среди веществ, определяющих высокий уровень загрязнения в российских городах
и других городах СНГ. Техногенные аномалии ПАУ в снежном покрове вокруг
металлургических комбинатов и ТЭЦ в радиусе до 3---8 км часто имеют более
компактную конфигурацию и высокую контрастность по сравнению с аномалиями
тяжелых металлов. Наиболее интенсивно загрязнение ПАУ в городах с черной и
цветной, главным образом алюминиевой промышленностью (г . г .Красноярск,
Липецк, Братск, Магнитогорск, Череповец), где вокруг промплощадок их
содержание в снеге в десятки и сотни раз больше фоновых значений (рис. 21.4).
Предельно-допустимые концентрации ПАУ, в частности для 3,4-бензпирена,
установлены только для водоемов --- 5 нг/л . Фоновые концентрации БП в
снеговой воде Среднего Поволжья составляют 5 --- 10 нг/л , в г . Тольятти они
выше в 2 --- 10 раз (Ю.И. Пиковский). Так как ПАУ концентрируются в пылевой
составляющей снега, то контрастность техногенных аномалий ПАУ в аэрозолях
снега значительно выше. Так, в Поволжье при фоне БП в аэрозолях снега 20 --- 40
нг/г, в г. Тольятти его содержание достигает 2---3 тыс. нг/г, т.е . больше в 100 ---
300 раз. Многие ПАУ канцерогенны (Л.М . Шабад), поэтому изучение их
распространения в окружающей среде имеет большое медико- гигиеническое
значение.
Геохимия почвенного покрова
Почвенный покров города --- это сложная и неоднородная природно-
антропогенная биогеохимическая система. На фоне асфальтированных улиц,
площадей, автострад и других искусственных техногенных образований
распространены антропогенно- измененные и естественные почвы --- во дворах, в
парках, на бульварах, пустырях. Продукты техногенеза, выпадая на земную
поверхность, накапливаются в верхних горизонтах почв, изменяют их химический
состав и вновь включаются в природные и техногенные циклы миграции. О
степени техногенной трансформации естественных и слабоизмененных городских
почв относительно фоновых почв региона можно судить по характеру их
геохимического изменения.
Для формирования геохимического фона городских почв имеет значение
длительность и характер развития города. По А.К. Евдокимовой, в культурных
слоях Новгорода, Пскова и Самарканда уже в доиндустриальный период
антропогенное геохимическое воздействие привело к заметному загрязнению почв
тяжелыми металлами (в среднем в 6 --- 8 раз выше фона почвообразующих пород).
Поэтому почвенный покров древних городов даже с ограниченной современной
промышленной нагрузкой может быть существенно загрязнен.
Как правило, техногенные ореолы в почвах фиксируют интенсивность
загрязнения в течение последних 20 --- 50 лет. Минимальное время формирования
Рис 21.5. Распределение рН в
поверхностных горизонтах почв
г. Новгорода
(по Е.М.Никифоровой).
контрастных геохимических аномалий зависит от типа воздействия и составляет в
среднем 5 --- 10 лет, хотя для отдельных элементов (As, Zn) это может быть 1 --- 2
года. Ореолы в почвах более стабильны, чем в воздухе, снеге и растениях, так как
они способны аккумулировать поллютанты в течение всего периода техногенного
воздействия. Поэтому педогеохимическая индикация и картографирование
являются одним из основных методов оценки экологического состояния городов.
По загрязнению почвенного покрова такие оценки проведены во многих регионах
(Ю.Е. Сает, Р.С. Смирнова, Е.П. Сорокина, Н.С. Касимов, В.К. Лукашев, Э.П.
Махонько, А.И . Обухов, В. Ленарт и др.).
Техногенная трансформация свойств почв и условий миграции химических
элементов. По влиянию на городские почвы М.А. Глазовская объединила
техногенные вещества в две группы. Педогеохимически активные вещества
преобладают по массе в выбросах, изменяют щелочно- кислотные и окислительно-
восстановительные условия почв. Это в основном нетоксичные и слаботоксичные
элементы с высокими кларками --- Fe, Ca, Mg, щелочные элементы, минеральные
кислоты. При достижении определенного предела подкисление или
подщелачивание сказывается на почвенной флоре и фауне. Педогеохимически
активны и некоторые газы, например, сероводород, метан, изменяющие
окислительно- восстановительную обстановку миграции.
Биохимически
активные
вещества
действуют прежде всего на живые
организмы. Это обычно типоморфные для
каждого вида производства высокотоксичные
поллютанты с низкими кларками (Hg, Cd, Pb,
Sb, Se и др.), образующие более контрастные
относительно фона
ореолы
и
представляющие опасность для флоры,
фауны и человека.
В городах запыление почв на порядок и
более выше, чем в естественных фоновых
ландшафтах. В городской пыли преобладают
макроэлементы --- Fe, Ca, Mg. Поэтому
существуют два геохимических следствия
атмотехногенной поставки пыли в город ---
ожелезнение почв, практически не влияющее
на щелочно- кислотные и окислительно-
восстановительные условия
миграции
элементов, и карбонатизация почв, ведущая
к увеличению их щелочности, связыванию
многих металлов в труднорастворимые
карбонаты, насыщению поглощающего
комплекса основаниями.
При
значительном
и длительном
поступлении карбонатной пыли в кислые и
нейтральные почвы изменяется класс водной
миграции ландшафта. В лесной и лесостепной зонах кислые, кислые глеевые (Н+ ,
Н+ --- Fe2+), нейтральные и нейтральные глеевые (Н+ --- Са2+, Н+ --- Са2+, Fe2+)
Рис. 21.6. Распределение Сd в фоновых (1)
и загрязненных (2) дерново-подзолистых
почвах Подмосковья (по Т.Д. Белицыной).
классы трансформируются в кальциевые и кальциевые глеевые (Са2+, Са2+ ---
Fе2+) классы. Такой щелочной тип техногенной трансформации почв изучен В.Г.
Волковой и Н.П. Давыдовой в районе Назаровской ГРЭС в Канско-Ачинском
районе и О.В. Моисеенковым в г . Тольятти, находящимся под влиянием выбросов
цементного завода, а также во многих других городах. Увеличение рН верхних
горизонтов кислых лесных почв с фоном 5,5 достигает 2,5 --- 3 единиц (рис.
21.5). Формируются особые природно- техногенные почвы, сочетающие в
морфологии и физико- химических свойствах реликтовые признаки естественных
лесных почв (
элювиально- иллювиальная дифференциация профиля, кислая
реакция средних и нижних горизонтов) и техногенные эпигенетические изменения
--- нейтральную, слабощелочную и даже щелочную реакции дерновых и
гумусовых горизонтов, насыщенность поглощающего комплекса и др. Щелочная
техногенная трансформация городских почв ведет к изменению их буферности,
увеличению поглотительной способности, то есть к уменьшению выщелачивания
и миграционной способности многих поллютантов, прежде всего тяжелых
металлов. В степях и пустынях эффекты карбонатизации почв менее заметны.
Загрязнение городских почв макро- и микроэлементами сопровождается
трансформацией почвенно- геохимической структуры территории. В первую
очередь резко возрастает радиальная геохимическая дифференциация почвенного
профиля за счет накопления поллютантов в верхних горизонтах. В дерново-
подзолистых и серых лесных почвах техногенная аккумуляция затушевывает
фоновую
элювиально- иллювиальную
дифференциацию профиля (рис. 21.6).
Наоборот, в черноземах относительно
равномерное распределение металлов сменяется
поверхностно- аккумулятивным (
рис. 21.7).
Атмотехногенное загрязнение автономных
почв, усиление ливневого поверхностного
стока, подтопление загрязненными грунтовыми
водами определяют аккумуляцию токсичных
веществ в почвах подчиненных ландшафтов. В
связи с этим преобладающие в фоновых
условиях
неконтрастные
почвенно-
геохимические катены сменяются в городах резко дифференцированными
аккумулятивными видами. Неравномерность
загрязнения почвенного покрова городов
ведет к появлению нетипичных для природы
соотношений химических элементов между
почвами автономных и подчиненных ландшафтов. Г. Настас показал, что в
Кишиневе жилые и промышленные здания служат механическими барьерами для
воздушной миграции техногенных веществ и рядом с ними в почвах образуются
более контрастные аномалии поллютантов.
Тяжелые металлы в почвах. Промышленность, теплоэнергетика,
автотранспорт и муниципальные отходы --- это источники техногенных аномалий
тяжелых металлов и других микроэлементов в городских почвах. В аномальных
зонах наиболее интенсивно импактное воздействие почв на городскую среду, они
служат индикаторами техногенного загрязнения и представляют опасность для
растений, животных и человека, особенно детей.
Эколого- геохимическое и гигиеническое нормирование. Для оценки
контрастности и экологической опасности техногенных ореолов тяжелых
металлов в почвах используется несколько подходов. Индикация загрязнения, как
и для воздуха и снега, основывается в первую очередь на сопоставлении
загрязненных городских почв с их фоновыми аналогами. Это достигается
расчетом коэффициента техногенной концентрации или аномальности (Кс),
показывающего, во сколько раз содержание элемента в городских почвах выше
его содержания в фоновых почвах. Коэффициент Кс отражает интенсивность
загрязнения, но не указывает непосредственно на его опасность. Для
экологической и санитарно- гигиенической оценки загрязнения почв используются
предельно-допустимые концентрации (
ПДК) элементов, установленные
экспериментально. По М.А. Глазовской, предельно допустимое состояние почв
это тот уровень, при котором начинает изменяться оптимальное количество и
качество создаваемого живого вещества, т . е . биологическая продукция.
Содержание химических элементов в городских почвах нормируется обычно через
значения почвенно- геохимического фона, кларки литосферы и предельно-
допустимые концентрации для почв одной геохимической ассоциации.
В полиэлементных очагах загрязнения токсичность элементов может
суммироваться и оказывать синэргетическое воздействие на живые организмы.
Одним из простых способов оценки контрастности комплексных техногенных
ореолов является расчет суммарных показателей загрязнения (Zс) почв
относительно фонового уровня по той же формуле, что и для воздуха и снега. По
этому показателю можно сравнивать степень загрязнения почвенного покрова
городов.
Особенно контрастные аномалии образуют подвижные формы металлов,
извлекаемые различными растворителями. Эти формы доступнее для организмов и
экологически более опасны. Однако из- за варьирования содержания и
разнообразия методов экстракции металлов из различных почв, надежные
предельно-допустимые концентрации подвижных форм тяжелых металлов не
установлены.
Рис. 21.7. Техногенная аккумуляция тяжелых металлов в почвах г. Магнитогорска. R ---
коэффициенты радиальной дифференциации: заштрихованно --- в фоновых черноземах, точки
--- в городских черноземах (по Т.М. Беляковой).
Загрязнение почв тяжелыми металлами. Почвенно- геохимический анализ
состояния городской среды начинается со сплошного сетевого опробования
поверхностных
горизонтов
(0 --- 5 см) почв с учетом ландшафтной ситуации и функциональных зон. Густота
сети зависит от масштаба исследований и обычно колеблется от 1 до 10 точек на 1
км2. Реальная картина загрязнения почв среднего промышленного города
получается при сети 500 х 500 м, т.е. 9 проб на 1 км2, что позволяет
дифференцировать территорию города на районы с различными уровнями
загрязнения.
Почвенный покров большинства городов аномален по тяжелым металлам.
Геохимическое опробование почв г . Тольятти (около 1000 проб) показало, что от
30 до 80% территории города занято техногенными аномалиями отдельных
тяжелых металлов небольшой контрастности. Вокруг промышленных предприятий
и других техногенных источников формируются зоны более сильного загрязнения.
Поэтому на следующем этапе работ проводят оценку аномальных полей с
идентификацией источников загрязнения. Затем обычно исследуются механизмы
миграции и концентрации поллютантов, степень их техногенной геохимической
трансформации, что завершается почвенно- геохимическим зонированием
территории города с учетом природных факторов, влияющих на загрязнение.
Основным методом интерпретации и анализа полученных данных является
почвенно- геохимическое картографирование. Составляются как моноэлементные
карты, на которых изолиниями или сплошным фоном показаны зоны загрязнения
отдельными элементами, так и карты суммарного загрязнения почв города
несколькими элементами по значениям показателя Zс .
Наиболее высокие средние уровни суммарного загрязнения почв тяжелыми
металлами (Zс больше 120, до 500 --- 1000) в городах с цветной и черной
металлургией (Чимкент, Усть-Каменогорск, Мончегорск, Белово, Магнитогорск и
др.), где в эпицентрах аномалий содержание металлов в десятки раз выше ПДК.
Сильное загрязнение характерно также для центров тяжелого машиностроения,
приборостроения, нефтехимии, где средние уровни составляют десятки, а
максимальные --- первые сотни условных единиц. Для городов с предприятиями
химической промышленности характерно сильное загрязнение сероводородом,
ацетоном, фтором, аммиаком и др. специфическими газами и более низкие уровни
загрязнения тяжелыми металлами. Обычно их аномальные поля примыкают
непосредственно к промышленным зонам.
ические заводы и крупные ТЭЦ влияют на
о 5 --- 10 км, заводы машиностроения --- 1,5 --- 2
--- 1 км, автотранспорт --- до 0,1 --- 0,2 км. Для
арный показатель загрязнения не превышает 8 ---
огенные ореолы в почвах вокруг источников
зональное строение. Для эпицентра типична
грязнителей, ближе к периферии из ее состава
и наиболее обширные ореолы чаще всего образуют
Рис. 21.8. Коэффициенты аномальности цинка в почвах г. Улан-Батора по профилю север---юг
через центр города: 1 --- валовые содержания, 2 --- формы, извлекаемые соляно-кислой
вытяжкой, 3 --- формы, извлекаемые ацетатно-аммонийной вытяжкой (по Н.С. Касимову и др.)
Наряду с выбросами предприятий в промышленных городах имеются участки,
где складируются открытым способом бытовые и промышленные отходы (шлако-
и золоотвалы, хвостохранилища, свалки). По концентрации (сотни и тысячи
кларков) и комплексу тяжелых металлов аномалии здесь не уступают выбросам,
являясь источниками повторной эмиссии в окружающую среду. В результате
воздушной и водной миграции техногенные ореолы вокруг отвалов и свалок по
площади в несколько раз больше территории, отведенной под отходы.
Особенно контрастны ореолы подвижных форм металлов. Их коэффициенты
техногенной концентрации Кс в 5 --- 10 раз выше, чем у валовых форм (рис.
21.8).Исследование почв Братска, Калининграда, Улан-Батора показало
увеличение контрастности техногенных аномалий в ряду: валовые формы ---
непрочносорбированные формы (
экстрагируемые однонормальной соляной
кислотой) --- органо- минеральные (ЭДТА-растворимые) формы --- карбонатные и
обменные (ацетатнорастворимые) формы (Н.С. Касимов, М.Ю. Лычагин). Лучшая
индикация почв --- по непрочносорбированным формам.
Распределение подвижных форм элементов во многом определяется и
ландшафтно- геохимическими условиями. Особенно интенсивны аномалии в
почвах автономных ландшафтов и наветренных к техногенным источникам
склонов, а также в городских супераквальных ландшафтах --- на побережьях рек,
озер и водохранилищ, куда загрязители поступают с поверхностным,
внутрипочвенным и грунтовым стоком.
Особые виды загрязнения формируются в городах рудных провинций, районов
с горнодобывающей и металлургической специализацией. В них на высокие
природно-аномальные концентрации рудных элементов накладывается
техногенное загрязнение этими же элементами от обогатительных фабрик и
металлургических заводов. Такая кризисная экологическая ситуация сложилась,
например, в г . Моа на северо- востоке Кубы --- крупном центре добычи никелевых
руд и производства никеля. Руды Ni сформировались в ультраосновных породах,
изначально богатых Ni, Cr и Co. Город Моа расположен на флангах одного из
месторождений. Выбросы двух никелевых комбинатов содержат высокие
концентрации Ni, Cr, Cd, Co. Характерна низкая контрастность техногенных
аномалий рудных элементов в городских почвах (всего лишь в 3 --- 8 раз выше
природно-аномального "фона") при очень высоких концентрациях валовых и
подвижных форм Ni и других поллютантов. Для таких городов при оценке
суммарного загрязнения металлами вместо коэффициента аномальности (Кс)
лучше использовать нормирование через кларки литосферы, указывающие на
степень отклонения местных рудогенно- техногенных аномалий от нормального
(околокларкового) экологического уровня содержания тяжелых металлов в почвах
и породах.
ПАУ в почвах. Концентрации и состав ПАУ в почвах являются важным
геохимическим индикатором загрязнения. Исследования в Среднем и Нижнем
Поволжье, Приангарье показали, что фоновые значения суммы ПАУ в различных
типах почв колеблются от 5 до 20 нг/г (Е.М. Никифорова, Ю.И. Пиковский).
Особенно токсичны 5 --- 7 ядерные структуры --- 3,4-бензпирен, 1,12-бензперилен
и др., составляющие обычно не более 10 --- 20% от суммы ПАУ. В городах
автотранспорт и промышленность повсеместно загрязняют почвы ПАУ. В
промышленных городах концентрация ПАУ в почвах вокруг техногенных
источников в десятки и сотни раз превышает геохимический фон (рис. 21.9).
Аномалии приурочены преимущественно к самым верхним дерновым и гумусовым
горизонтам, ниже по профилю содержания ПАУ резко падают. Наиболее
контрастны техногенные аномалии 5 --- 7 кольчатых голоядерных ПАУ
(3,4-бензпирена, 1,12-бензпена, тетрафена, трифенилена), что позволяет четко
индицировать источники загрязнения.
Состав ПАУ в загрязненных почвах рационально использовать для оценки их
экологического состояния. Так, по А.Н. Геннадиеву, И.С. Козину и др. за 2 года
деятельности Астраханский газоконденсатный комбинат в несколько десятков раз
увеличил содержание техногенных голоядерных структур ПАУ (
пирена,
фенантрена, в некоторых случаях 3,4-бензпирена и др.) в верхних горизонтах
пустынных почв. Уменьшение соотношения природных и техногенных ПАУ,
например, сложных алкилированных фенантренов к незамещенному фенантрену,
служит чувствительным геохимическим индикатором самых первых стадий
техногенного загрязнения. В почвах городов техногенные аномалии ПАУ
сопоставимы по контрастности с аномалиями тяжелых металлов или они даже
более контрастны (для формирования аномалий металлов требуется большее
время).
Рис. 21.9. Геохимические поля 3,4-бензпирена в почвах г. Магнитогорска. Кс: 1) 0--1,
2)
1--5, 3) 5--10, 4) 10--20, 5) 20--40, 6) 70--80, 7) 80--190, 8) источник загрязнения; штрих-пунктир
--- граница города (по Т.М. Беляковой).
Биогеохимия городской среды
Растительный покров городов находится под мощным техногенным прессом
поллютантов, поступающих из воздуха и загрязненных почв. Растения --- один из
наиболее чутких индикаторов техногенного изменения городской среды.
Таблица 21.7
Биогеохимическая специализация городов (по Н.С. Касимову)
Поэтому биологические методы, основанные на ответных реакциях организмов
на техногенез, широко используют при оценке загрязнения окружающей среды.
Существует две основные модификации биологического метода. Биоиндикация
анализирует
морфологические, физиологические,
продукционные
и
популяционно-динамические изменения растений. Биогеохимический анализ также
основан на ответной реакции организмов на техногенез, но эта реакция
фиксируется на молекулярном и атомарном уровнях и заключается в выявлении
биогеохимических аномалий. При этом применяются два подхода. Активный
биомониторинг использует так называемые планшетные методы индикации
загрязнения, основанные на свойствах низших, особенно эпифитных мхов,
лишайников и некоторых видов высших растений (отдельные сорта табака, клевер
и др.) активно поглощать поллютанты из атмосферного воздуха (Ф. Ле Бланк, М.
Трэшоу, П. Литтл, У. Мэннинг и У. Федер, Ю.Л. Мартин и др.). Планшеты и
капсулы с индикаторными растениями размещают на территории города и после
экспонирования их химический состав сравнивается с пробами из эталонных
незагрязненных районов. Это позволяет оценить характер и интенсивность
загрязнения. Пассивный мониторинг состоит в анализе свободно живущих
организмов. Используются главным образом органы древесных растений,
выступающие в качестве депонирующей поверхности (листья деревьев) или
способные аккумулировать загрязняющие вещества в течение длительного
времени (кора деревьев).
На городские растения негативно влияют многие поллютанты: оксиды серы,
азота и углерода, тяжелые металлы, соединения фтора, фотохимическое
загрязнение, углеводороды и др. Наиболее опасны выбросы в атмосферу диоксида
серы, содержащегося в продуктах сгорания угля, нефти и мазута, а также
фтористого водорода, образующегося при производстве алюминия и фосфатов.
Высокие концентрации SO2 и HF в атмосферном воздухе ведут к некрозу и
хлорозу листьев и хвои, преждевременному их сбрасыванию, замедлению роста и
снижению продуктивности флоры. Негативны последствия и от высоких доз
микроэлементов.
В атмотехногенных потоках основная доля микроэлементов содержится в
аэрозолях, которые выводятся из атмосферы вместе с осадками. Растительный
покров является первым экраном на пути осаждения атмосферных выпадений.
Свинец аэрозолей абсорбируется поверхностью листьев, цинк и кадмий
механическим путем или в растворенном виде проникают в устьицы.
Рис. 21.10. Биогеохимическая аномалия кадмия в листьях клена американского в г. Тольятти
(цифры и изолинии --- Cd в n•10-5%), кружки --- точки опробования (по Н.С. Касимову и О.В.
Моисеенкову).
Рис 21.11. Коэффициенты техногенной концентрации (Кс) в полыни горькой (1) и листьях клена
американского (2) в г. Тольятти (по В.В. Батояну, Н.С. Касимову и др.).
Часть металлов поступает в растения из загрязненных почв. Таким образом,
аккумуляция металлов зависит от особенностей поверхности растения
(опушенность листьев, наличие воскового слоя, характера шероховатости,
смачиваемости и клейкости), от количества атмосферных осадков, их рН,
скорости ветра, влажности воздуха, определяющих вынос элементов из растений,
от свойств загрязняющих частиц и соединений металлов (размеры частиц, их
форма, растворимость и др.). Считается, что мхами металлы поглощаются в
процессе ионного обмена с образованием хелатов, а лишайниками в результате
пассивной диффузии аэрозольных частиц в клеточные структуры.
Кислые осадки, образующиеся при выпадении оксидов серы из атмосферы,
способствуют подкислению коры деревьев (до 2,5---3,0), растворению аэрозолей,
содержащихся на поверхности органов и более активному поглощению катионов
металлов --- Pb, Zn, Cd. Подщелачивание осадков в зонах ТЭЦ, цементных заводов
приводит к повышению рН коры и листьев. При значениях рН больше 8 оно
токсично (Ю.Л. Мартин) и может вести к растворению содержащихся в аэрозолях
анионогенных элементов --- Mo, Cr, V.
Биогеохимическая индикация и оценка состояния городской среды
основаны на способности растений аккумулировать загрязняющие вещества
вблизи техногенных источников. Они включают определение содержания тяжелых
металлов и других поллютантов в растениях, выбор индикаторных видов и
органов для опробования, выявление биогеохимических ореолов.
В отличие от анализа снега биогеохимическая индикация дает информацию о
загрязнении преимущественно в период вегетации и достаточно активной водной
миграции поллютантов, поступающих в растения из загрязненных почв. Зимой
растения выступают только как депонирующие поверхности.
На региональном фоне растительный покров города в целом обычно выглядит
как средне- и слабоконтрастная аномалия. Промышленные города имеют
различную биогеохимическую специализацию, зависящую от состава
приоритетных загрязнителей (табл. 21.7).
На фоне этой относительно низкой биогеохимической аномальности на
территории города, особенно вокруг промышленных зон, развеваемых золо- и
шлакоотвалов, свалок и других мест открытого складирования отходов,
практически не фиксируемых по снежному покрову и почвам, образуются
контрастные аномальные зоны, прилегающие к техногенным источникам (рис.
21.10). Контрастность этих сравнительно локальных аномалий составляет десятки
и даже сотни единиц фонов (рис. 21.11).
Атмотехногенная поставка пыли на поверхность растений подавляет, но не
полностью нивелирует видовую биогеохимическую специализацию растений.
Среди определяющих ее ведущих факторов в этих условиях на первый план
выходят не особенности поглощения элементов из питающей среды (почв), а
величина и свойства депонирующей поверхности. В связи с этим индикационное
значение лиственных деревьев выше, чем трав. На рис. 21.11 показаны средние
коэффициенты концентрации (Кс) элементов в полыни горькой и клене
американском в г . Тольятти. Состав техногенной ассоциации элементов в этих
видах типичен для растительности города в целом, но контрастность аномалий
основных загрязнителей --- хрома и никеля у клена американского выше, чем у
полыни горькой примерно в 50 раз, в то время как в фоновых ландшафтах
содержания хрома и никеля в древесных и травянистых растениях различаются
всего лишь в 1,5 --- 2 раза.
В Тольятти, Таллинне, Братске, Улан-Баторе (Н.С. Касимов, О.В. Моисеенков,
М. Цирд, М.Ю. Лычагин) одним из эффективных индикаторов загрязнения
воздуха является кора деревьев, особенно сосны, не имеющая физиологических
пределов поглощения загрязнителей и способная к аккумуляции поллютантов.
Биогеохимические ореолы в коре сосны гораздо протяженнее и на порядок
контрастнее, чем в снеге и почвах (рис. 21.12). Кора деревьев --- универсальный
биоиндикатор загрязнения городов.
Биогеохимия огородов. В небольших и средних городах широко
распространены садово- огородные участки, нередко примыкающие к
индустриальным зонам. Почвы и сельскохозяйственная продукция, в основном
овощные культуры, здесь испытывают интенсивное техногенное воздействие,
ведущее к загрязнению и ухудшению качества продуктов. Содержание
поллютантов в овощах может превышать предельно-допустимые концентрации
(ПДК) и вызывать у населения токсикозы. Овощи и фрукты используются и как
тестовые биообъекты для оценки состояния городской среды, для которых
разработаны наиболее достоверные предельно-допустимые уровни содержания
химических элементов. Биогеохимические аномалии в дикорастущих и
несъедобных культурных растениях имеют в основном индикационное значение и
в меньшей мере указывают на экологическую опасность загрязнения.
Массовое опробование моркови, помидоров, картофеля в г . Тольятти показало,
что содержание тяжелых металлов в них существенно превышает фоновые
значения в 20 --- 40 км от города. Средние коэффициенты техногенной
концентрации (Кс) в августе 1988 года составляли:
помидоры Cr4,7 Cd2,0 Zn1,9 Pb1,7 Co1,5 Cu1,4;
картофель Cd2,6 Cr1,6 Cu1,4;
морковь Cd9,2 Ni2,6 Cu2,5 Cr2,0 Zn1,3.
Рис. 21.12. Аномалии меди (а) и хрома (б) в почвах и растениях промзоны г. Тольятти. 1 ---
шлакоотвал; 2--3 --- золоотвалы; 4 --- свалка; 5 --- поселок; 6 --- озера; 7 --- аномалии в почвах;
8 --- изолинии значений Кс в растениях; 9 --- точки опробования; 10 --- дороги (по
Н.С.Касимову и др.).
Это указывает на преимущественно хром- никель- кадмиевое загрязнение
овощей, соответствующее приоритетным загрязнителям атмосферного воздуха в
городе.
Загрязнение овощей металлами зависит от фазы вегетации, времени
экспонирования и вида растения. По мере созревания к началу осени содержание
токсичных элементов увеличивается примерно в 2 --- 5 и более раз, что особенно
опасно для населения, потребляющего овощи в стадии "товарной" зрелости. В
зрелых овощах содержание кадмия, никеля, хрома достигает и даже превышает
санитарно- гигиенические нормы (ПДК) (рис. 21.13). Для большинства тяжелых
металлов --- никеля, хрома, свинца, цинка, меди хорошим индикатором
техногенеза является морковь, загрязнение кадмием лучше фиксируется
картофелем и помидорами. Предельно допустимые концентрации в овощах, как
правило, достигаются при превышении фоновых значений в 15 --- 20 раз.
Загрязнение овощей обусловлено главным образом атмотехногенными
потоками металлов вблизи промышленных зон и хорошо коррелирует с поставкой
пыли на поверхность почвы. Особенно опасны встречающиеся около
промышленных предприятий аномалии металлов, превышающие ПДК во много
раз (рис. 21.14). В парниковых овощах содержание металлов низкое. Влияние
промышленного города на состав овощей зависит от розы ветров и при отсутствии
местных источников загрязнения сказывается на расстоянии 15 --- 20 км (рис.
21.15).
Почвы огородов меньше загрязнены металлами, чем почвы застроенной и тем
более промышленной части города, и не могут служить основным источником
загрязнения овощей. Поступающие из атмосферы металлы не образуют
приповерхностных аномалий и более равномерно распределены по профилю
почвы за счет рыхления и выщелачивания при поливе. Почвы огородов
загрязняются также при удобрении илами очистных сооружений, при поливе
Рис. 21.13. Предельно допустимые концентрации (ПДК) металлов в овощах г. Тольятти. 1 ---
картофель; 2 --- помидоры; 3 --- морковь (по Н.С. Касимову, Ю.В. Проскурякову и др.).
сточными водами. В этих случаях содержание металлов в почвах и овощах
хорошо коррелируется и достигает в овощах токсичных уровней.
Техногенные потоки в водах и донных отложениях
Промышленная и муниципальная деятельность ведут к значительной
техногенной трансформации водного баланса. Наряду с изменениями
гидрогеологических условий (подтопление, осушение, просадка и пр.) одной из
основных форм техногенной деформации городской среды является загрязнение
поверхностных и подземных вод промышленными и коммунально-бытовыми
стоками. Поэтому гидрогеохимические исследования необходимы в комплексном
анализе городской среды.
Можно выделить несколько основных направлений в оценке загрязнения
водных потоков города. Первое --- это определение состава канализационных
промышленных и муниципальных стоков как интегральных индикаторов жидких
отходов, имеющих различную степень очистки. Нередко даже так называемые
условно чистые стоки содержат высокие концентрации загрязнителей, в десятки и
сотни раз превышающие предельно допустимые. Они в свою очередь являются
дополнительным источником загрязнения, особенно если сбрасываются в
открытые водоемы --- озера, реки, водохранилища. Второе направление ---
изучение стоков с территории города, поступающих в канализационную сеть,
коллекторные каналы, в отстойники и т .д . Химический состав таких стоков
отражает общую картину загрязнения городской территории. При
неблагоприятном состоянии канализации они также могут служить вторичным
источником загрязнения, главным образом подземных вод.
Гидрогеохимия поверхностного стока в городах существенно отличается от
фоновых условий. Меняется основной химический состав вод, степень их
минерализации, содержание и соотношение макрокомпонентов. Исследования
Е.П. Янина в Москве, Подольске и других городах, Н.А. Барымовой в Курске,
наши в Тольятти показали, что слабоминерализованные (200---400 мг/л)
Рис. 21.14. Связь загрязнения овощей с их приуроченностью к функциональным зонам и
поставкой пыли: 1 --- средние ПДК микроэлементов в овощах, где К=0,2• CCr/ ПДКCr, СNi/ ПДКNi,
СPb/ ПДКPb, СZn/ ПДКZn, СCu/ ПДКCu; 2 --- поступление пыли на поверхность почвы. Функциональные
зоны: I --- промышленная; II --- коммунально-складская, транспортная; III --- селитебная (по Н.С.
Касимову, Ю.В. Проскурякову и др.).
гидрокарбонатные фоновые воды в городах становятся солоноватыми (1 г/л и
выше), гидрокарбонатно- сульфатными, а в период снеготаяния, когда
растворяются противогололедные смеси,
--- хлоридными натриевыми. В
городских поверхностных стоках содержание хлора, сульфат-, нитрит- и фосфат-
ионов, натрия и калия в среднем в десятки и сотни раз больше, чем в фоновых
условиях. При этом на твердой асфальтированной поверхности резко
увеличивается ионный сток, который здесь выше на порядок, чем в природных и
агроландшафтах.
Особенно характерны для поверхностных вод городов синтетические
загрязнители --- фенолы, нефтепродукты, поверхностно- активные вещества
(ПАВ), полихлорбифенилы (ПХБ). В ряде случаев они усиливают миграцию
тяжелых металлов за счет образования растворимых комплексных соединений.
Поэтому в отличие от фоновых вод в загрязненных поверхностных водах города
происходит увеличение растворимых, главным образом органических форм Cd и
Ni, образующих с ПАВ устойчивые хелатные соединения (Д. Мур, С. Рамамурти).
Наоборот, для Hg, Cu, Zn и Pb увеличивается доля техногенной взвеси, в которой
они находятся преимущественно в геохимически подвижных сорбционно-
карбонатных, органических и гидрооксидных формах (Е.П. Янин). В связи с этим
важное значение приобретает третье направление гидрогеохимических оценок
городской среды --- изучение конечных звеньев водооборота сточных и
поверхностных ливневых вод --- речных и подземных вод, качество которых в
результате техногенеза все больше ухудшается, а также донных отложений ---
техногенных илов, служащих интегральным индикатором техногенной нагрузки
на водосборы. Так, в г . Тольятти условно чистые стоки и воды (после очистных
сооружений) сбрасываются в Куйбышевское и Саратовское водохранилища.
Содержание нефтепродуктов, ПАУ и тяжелых металлов в местах сбросов,
несмотря на сильное разбавление, в десятки раз выше ПДК, что создает
экологическую опасность для водных организмов и питьевого водоснабжения.
Подробнее эти вопросы рассмотрены в главе 25.
Заключение
Рис. 21.15. Среднее содержание никеля (1) и хрома (2) в овощах пригородных хозяйств. Поселки:
I --- Зеленовка, II --- Федоровка; III --- Водозабор; IV --- Узюково; V --- Бинарадка. Расстояние в
км. от г. Тольятти (по Н.С. Касимову, Ю.В. Проскурякову и др.).
Эколого-геохимические исследования во многих городах страны и за рубежом
показали, что экологическая ситуация в городах определяется соотношением
природных и техногенных факторов. Поэтому оценки экологического состояния
городов и городских ландшафтов должны основываться на анализе природно
обусловленной ландшафтно-геохимической обстановки в городе --- условий
миграции загрязняющих веществ, положения городских ландшафтов в каскадных
миграционных системах, особенностей загрязнения и самоочищения природных
сред и др. техногенных факторов --- геохимической специализации источников
загрязнения, физико- химических свойств поллютантов и т .д. На этих же
принципах должна быть основана геохимическая систематика городов и
городских ландшафтов.
Кроме загрязнения под влиянием техногенных выбросов происходит
геохимическая трансформация условий миграции поллютантов. Наиболее сильное
трансформирующее воздействие оказывают объекты
теплоэнергетики,
поставляющие в окружающие ландшафты большое количество карбонатной пыли,
нейтрализуемой кислотными выбросами. В результате в городах страны
установлено широко развитое явление --- подщелачивание городских почв и
формирование в их верхних горизонтах щелочного (
карбонатного)
геохимического барьера, ослабляющего миграционную способность многих
тяжелых металлов, лучше мигрирующих в кислой среде. Этот процесс лучше
выражен на фоне кислых почв таежных ландшафтов (Москва, Иновроцлав,
Новгород и др.). В городах степной и пустынной зон техногенное
подщелачивание почв неразличимо на естественном нейтральном и щелочном
фоне зональных почв.
Влияние природных ландшафтно-геохимических факторов на геохимию
городского ландшафта изучено еще недостаточно. Но уже сейчас можно выделить
два основных его вида: аккумулирующее, связанное, например, с положением
города в конечных бассейнах местного стока (Новгород, Ногинск), тяжелым
гранулометрическим составом почв и почвообразующих пород и высоким
природным фоном тяжелых металлов, развитием поверхностного переувлажнения
и оглеения (Дрогобыч, Борислав), щелочным фоном почв (Магнитогорск, Улан-
Батор) и мобилизующее, вызванное кислым выщелачиванием металлов из почв,
особенно хорошо выраженное на почвообразующих породах легкого
гранулометрического состава (Череповец).
В промышленных городах существует два основных вида поведения
загрязняющих веществ в окружающей среде. Первый --- сопряженный, когда
сохраняется известное соотношение между атмотехногенной поставкой вещества
и загрязнением почв, растений и донных осадков, лежащее в основе применения
концепции депонирующих сред при эколого- геохимических оценках городов.
Второй --- диссонансный, когда это сопряженное соотношение нарушается в ту
или иную сторону. Такое явление названо нами техногенным геохимическим
диссонансом. Выделяются две разновидности
такого диссонанса.
Аккумулятивный геохимический диссонанс возникает в том случае, когда
природные и природно- техногенные факторы миграции усиливают относительно
небольшое по контрастности и объему выбросов атмотехногенное загрязнение.
Примером такого диссонанса является г . Новгород, где вещества, поступающие из
атмосферы, концентрируются на территории города, расположенного на
Ильменской озерной низине --- конечном звене местного поверхностного и
подземного стока. Ослабляющий диссонанс характерен для городов, где
воздействие мощных атмосферных выбросов минимизируется кислым
выщелачиванием металлов из таежных почв легкого гранулометрического
состава, имеющих к тому же очень низкий природный фон (Череповец). Это
приводит к тому, что формирующиеся техногенные аномалии металлов в почвах,
даже имеющие высокую контрастность, отличаются сравнительно низкими
абсолютными содержаниями тяжелых металлов, далеко не достигающими ПДК. В
этом случае высокие значения широко применяемого в России суммарного
показателя загрязнения (Zc) не указывают на опасный уровень загрязненности
почв и методика использования этого критерия требует уточнения. Сходный
биогеохимический диссонанс наблюдается в центрах черной металлургии, где
преобладание труднодоступных форм металлов в атмосферных выбросах не
способствует формированию техногенных биохимических аномалий, адекватных
по контрастности мощности выбросов.
Все сказанное позволяет высказать два методических положения.
1. Как и в природной незагрязненной или слабозагрязненной среде, территории
городов дифференцированы на участки со сходными свойствами и структурой
слагающих компонентов --- грунтов, почв, природного и техногенного рельефа,
условий стока и т .д. Сочетание природно обусловленных и вновь приобретенных
техногенных свойств, в первую очередь характера и состава загрязнителей,
сходных ответных реакций организмов на техногенное воздействие определяет
формирование на территории города особых природно- техногенных комплексов
--- городских экосистем или городских ландшафтов, по-разному реагирующих на
однотипные техногенные воздействия.
Городские ландшафты должны служить подсистемами для зонирования и
районирования территории города для различных прикладных задач
архитектурно- планировочных, для организации мониторинга, рекреации и т .д.
Требуется разработка их систематики на различных уровнях организации
городского пространства.
2. Организация мониторинга состояния городской среды пока еще не основана
на учете концепции ландшафтно- экологической дифференцированности городской
среды. В первую очередь это относится не к фиксации выбросов и стоков, что в
той или иной мере осуществляется имеющейся системой мониторинга. Главное ---
это понять, какова дальнейшая судьба загрязняющих веществ в городской среде,
где они могут мигрировать, а где аккумулироваться. Какова опасность этих
вторичных концентраций, насколько большие массы загрязнителей уже успели
накопиться, и не сможет ли какое- либо изменение внешних факторов ---
климатических, гидрологических, геохимических привести как бы к взрыву этих
химических бомб замедленного действия.
Из этого следует, что на территории такого города, как Москва,
расположенного в пределах трех природных районов --- северного, западного и
юго- западного и восточного, имеющих к тому же различную техногенную
специализацию, необходима организация по крайней мере трех природно-
техногенных стационаров. На этих стационарах должны проводиться глубокие
системные исследования динамики поведения широкого набора поллютантов в
различных средах --- их биогеохимических циклах в атмосфере, растениях,
почвах, поверхностных, грунтовых и подземных водах. Идеальной территорией
для одного из таких стационаров мог бы быть Национальный парк "Лосиный
остров".
Такие исследования только на первый взгляд можно назвать чисто научными.
На самом деле они имеют важнейшее прикладное значение. Без них нельзя
интерпретировать данные экологического мониторинга, а сами стационары по
сути будут являться станциями экологического мониторинга наиболее полного
профиля. Без таких стационаров невозможно оценить степень устойчивости
природных и природно- техногенных экосистем к существующим и дальнейшим
антропогенным воздействиям.
Контрольные вопросы
1. В чем состоят геохимические принципы эколого- географической
систематики городов? Назовите основные таксоны.
2. Приведите примеры городов, относящихся к разным группам и разным
типам в пределах одной группы.
3. Почему кроме геохимической систематики городов необходима
самостоятельная геохимическая систематика городских ландшафтов?
4. На чем основаны эколого- геохимические оценки состояния городов.
Приведите пример такой оценки.
5. Какова роль атмосферных выпадений в загрязнении среды городов,
приведите пример сильно загрязненного города.
6. Сколько тяжелых металлов накапливается в снежном покрове города?
7. В чем опасность накопления ПАУ в ландшафтах города?
8. В чем своеобразие геохимии почв городов? Сколько в них накапливается
тяжелых металлов, какие наиболее опасны? Сколько ПАУ?
9. Охарактеризуйте загрязнение растительности городов, как оно зависит от
промышленной специализации города, приведите пример.
10. Расскажите о геохимии городских техногенных потоков.
11. Как используется геохимическая информация для индикации загрязнения
городских ландшафтов?
12. Что такое геохимический диссонанс?
Глава 22
ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫЕ ЛАНДШАФТЫ*
Добыча полезных ископаемых --- один из наиболее мощных видов техногенеза.
Его воздействие на природную среду возрастает и захватывает все большие
территории. Велики площади почти полного уничтожения природных
ландшафтов, занятые скважинами, шахтами, карьерами, отвалами пород,
отходами первичного обогащения руд, угольными терриконами, транспортными
магистралями и др. Здесь формируются особые техногенные ландшафтно-
геохимические системы --- горнопромышленные ландшафты (ГПЛ). Их основная
геохимическая черта --- слабоконтролируемое рассеяние больших масс веществ с
аномально высоким содержанием элементов, которые, как правило, негативно
воздействуют на ландшафт. Специфическая особенность ГПЛ --- наложение
техногенного загрязнения на природные геохимические аномалии --- вторичные
ореолы и потоки рассеяния месторождений в почвах, растениях, поверхностных и
подземных водах. Известны города и рудничные поселки, располагающиеся
непосредственно на месторождениях (
например, кубинский г . Моа на
ультраосновных породах с рудными концентрациями хрома и никеля).
Геохимическая характеристика ГПЛ приобрела особенно важное значение в
связи с решением экологических задач. Она включает в себя сведения о
распределении в ГПЛ химических элементов --- загрязнителей Pb, Hg, Zn и
других, данные о биогенной, водной, воздушной миграции и концентрации этих
элементов, прогноз эволюции загрязнения. Необходимо оценивать и
интенсивность миграции, для вод --- с помощью коэффициента водной миграции.
Рационально составлять и ряды водной миграции элементов.
Большое значение имеет выделение техногенных геохимических барьеров ---
механических, физико- химических и биогеохимических, на которых повышается
концентрация элементов- загрязнителей. Подобные барьеры могут возникать
стихийно, в ходе техногенной миграции, но могут создаваться и специально, с
целью локализации загрязнения. Так, например, для многих ГПЛ характерны
сильнокислые воды, образующие ручьи и грунтовые потоки. Если на их пути
создать искусственный геохимический барьер из углекислой извести и других
карбонатных материалов, то на таком щелочном барьере D1 будут
концентрироваться Cu, Zn и другие тяжелые металлы- загрязнители.
Искусственные геохимические барьеры могут относиться также к окислительному
(А), сероводородному (B), глеевому (C), сорбционному (G) и другим классам.
Существенно, что материал для создания техногенных барьеров может быть в
самом ГПЛ в виде горных пород, почв, отходов производства и т .д. Задерживая
загрязняющие элементы, геохимические барьеры являются важным фактором
самоорганизации ГПЛ.
Как и в природных условиях, в районах развития горной промышленности
рационально различать геохимические и элементарные ГПЛ. Выделение
последних представляет определенные трудности, т .к . не ясно, можно ли относить
к элементарным ГПЛ отдельные терриконы, здания шахт и т .д. Решение вопроса
мы видим в использовании критерия "
площадь выявления ландшафта",
предложенного для природных ландшафтов (гл. 1). Напомним, что согласно этому
критерию элементарный ландшафт представляет собой такой компонент
геохимического ландшафта, размеры которого хотя бы мысленно можно
распространить на значительную площадь. В природном геохимическом
ландшафте имеются и другие составные части, сама природа которых строго
ограничивает их размеры --- муравейники, болотные кочки, норы землероев,
одиноко стоящие деревья и т .д. Эти компоненты именуются деталями ландшафта.
С указанных позиций терриконы и отдельные строения будут деталями ГПЛ, а к
элементарным ГПЛ относятся группы терриконов, искусственные насаждения
(парки, рощи), "техногенные болота" и т .д.
22.1. Геохимическая систематика ГПЛ
Как и для городских ландшафтов, главные геохимические особенности ГПЛ
определяются техногенными параметрами, второстепенные --- природными
(таблица 22.1.). В пределах отряда горнопромышленных ландшафтов предлагается
установить три таксона: колено, секцию, звено.
Колено. Этот таксон выделяется по отраслевому признаку и характеризуется
основным компонентом добываемого полезного ископаемого. Различаются
следующие главные колена:
--- нефти и газа
--- угольной, сланцевой и торфоразрабатывающей промышленности
--- ГПЛ рудных месторождений --- черной металлургии
--- цветной металлургии и золотодобывающей отрасли
--- атомной промышленности
--- строительного и облицовочного сырья.
Каждое колено имеет особую технологическую схему добычи полезного
ископаемого, различную глубину проникновения в недра, характеризуется
своеобразными геологическими, гидрогеологическими и геохимическими
условиями.
Таксон секция может относиться и к геохимическим, и к элементарным ГПЛ.
Он выделяется по характеру производства. Различаются секции ландшафтов с
добычей, переработкой и хранением горной массы, формирующиеся
соответственно на стадии горнодобычных и перерабатывающих работ на
территории рудника, на стадии обогатительного, гидро- и пирометаллургического
передела на фабриках и заводах, на отвалах, хвостохранилищах и могильниках.
Для секции добычи характерно извлечение из месторождения и перемещение в
пространстве значительных объемов горной массы с ее дифференциацией по
составу. При этом происходит изменение устойчивых условий природного
массива месторождения и физико- механических характеристик руд и пород.
Образуются преимущественно среднедисперсные и жидкие отходы.
Для секции переработки характерно изменение первоначальных физико-
механических и химических характеристик сырья --- образование
мелкодисперсных и жидких отходов.
Для секции хранения характерна концентрация измененных горных пород,
находящихся в активизированном состоянии.
Секции подразделяются на звенья, которые также могут относиться к
элементарным и геохимическим ГПЛ. Звенья выделяются по способу отработки
месторождений: звенья открытой и подземной разработки, подземного
выщелачивания и др. С этих позиций следует, например, различать ландшафты
карьеров и разрезов, рудников и шахт, участков подземного выщелачивания,
складов некондиционных руд, отвалов металлосодержащих пород, терриконов
угольных шахт, хвосто- и шламохранилищ, а также ландшафты отходов
обогатительных фабрик, гидрометаллургических и химико- металлургических
заводов.
ГПЛ с разработкой месторождений открытым способом характеризуются не
только извлечением из недр (до глубины 650 м) значительного объема рудной и
нерудной горной массы, но и образованием депрессионных воронок, загрязненных
подземных вод, региональным распределением миграционных потоков,
ухудшением водно- солевого баланса ландшафта, а также запылением и
загазованностью атмосферы.
ГПЛ с подземной добычей характеризуются меньшими объемами пустых пород,
извлекаемых попутно с рудой на поверхность, но затрагивают гораздо большие
глубины (до 1500 --- 2000 м) и сопровождаются значительным нарушением
состава и режима подземных вод, загазованностью атмосферы.
Особенностью ГПЛ с подземным выщелачиванием является поступление в
ландшафт значительных объемов технологических (выщелачивающих) растворов
--- кислотных, щелочных и др.
Группы ГПЛ выделяются по исходным группам природных ландшафтов, т . е . в
основном по зональным признакам. Типы и семейства --- по типам и семействам
окружающих природных ландшафтов, в которых они сформированы. Так, следует
различать ГПЛ влажных тропиков и тайги в лесной группе, тропических и
суббореальных пустынь --- в пустынной. В пределах таежного типа различаются
семейства ГПЛ северной, средней и южной тайги. Классы ГПЛ выделяются по
классам водной миграции. Различаются сернокислые, кислые, кислые глеевые,
кальциевые и прочие классы ГПЛ. Например, ГПЛ сернокислого класса возникают
во многих районах угледобычи, добычи и переработки сульфидных руд, где
развит "кислый водоотлив шахт" и другие нежелательные явления. Соленосный
класс характерен для районов разработки месторождений химического сырья и
т.д.
Роды ГПЛ выделяются по интенсивности водообмена, определяемой рельефом,
а виды --- по особенностям геологического строения.
22.2. Геохимия отдельных ГПЛ
22.2.1. ГПЛ нефтяных, угольных и газоносных месторождений
Добыча и использование горючих полезных ископаемых --- наиболее
интенсивный источник загрязнения окружающей среды. В районах добычи угля,
нефти и газа на 1 км2 поверхности суши приходится сотни и тысячи тонн
органических и минеральных загрязняющих веществ (Н.Ф . Глазовский). При
добыче угля и нефти по сравнению с рудами металлов в биосферу поступает
больше углерода, азота, серы, калия, мышьяка, алюминия, кадмия, титана,
марганца, молибдена, кобальта, лития, свинца, фтора, брома и других элементов.
Нефтегазоносные бассейны. Загрязнение нефтью и нефтепродуктами стало
одной из наиболее острых экологических проблем, приобрело региональный и
даже глобальный масштабы. Загрязнение окружающей среды нефтью происходит
при ее добыче и транспортировке. Западно-Сибирский, Волго-Уральский,
Прикаспийский нефтегазоносные бассейны занимают огромные площади, а
транспортировка нефти носит уже трансконтинентальный характер. На суше
основные очаги загрязнения связаны с нефтепромыслами, занимающими десятки и
сотни квадратных километров.
Таблица 22.1
Основные таксоны геохимической систематики отряда горнопромышленных
ландшафтов (ГПЛ) (по А .И. Перельману и А .Е. Воробьеву)
Внутри промыслов центрами формирования техногенных потоков являются
эксплуатационные скважины. Особенно сильное загрязнение происходит при
авариях на скважинах и нефтепроводах. Кроме районов нефтедобычи техногенное
загрязнение происходит в местах переработки и потребления нефти и
нефтепродуктов, которые приурочены к промышленным районам. Н.Ф .
Глазовский составил карту техногенного давления нефти на территорию СССР и
показал, что модули техногенного давления изменяются от менее 5 т/км2 в
Средней и Восточной Сибири, на Дальнем Востоке до 100---200 т/км2 и более на
Урале, в Поволжье, Донбассе и Подмосковье. Значительное загрязнение нефтью
морей и океанов происходит в результате аварий буровых платформ и танкеров.
В районе нефтепромыслов основными загрязнителями являются сырая нефть,
высокоминерализованные нефтяные и сточные воды, продукты сжигания
попутных газов (Ю .И. Пиковский, Н.П . Солнцева). Техногенное воздействие
самой нефти на ландшафты определяется токсичностью ее основных компонентов.
Среди них особо опасны для микроорганизмов, водорослей, почвенных животных,
растений легкая, наиболее подвижная фракция, состоящая из метановых,
циклических (нафтеновых и ароматических) углеводородов. Ароматические
углеводороды (арены) --- наиболее токсичные компоненты нефти. Моноядерные
арены типа бензола оказывают быстрое токсичное действие. Влияние
голоядерных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) ведет к более
отдаленным экологическим последствиям, включая канцерогенные. Наиболее
распространенному представителю канцерогенных ПАУ 3,4-бензпирену уделяется
большое внимание при оценках и мониторинге окружающей среды (Л.М. Шабад,
Ф.Я. Ровинский, А.Н. Геннадиев, Ю.И. Пиковский, Т.А. Теплицкая и др.).
Среди тяжелых неуглеводородных компонентов нефти преобладают смолы и
асфальтены, воздействие которых заключается главным образом в изменении
водно-физических свойств нефтезагрязненных почв и пород (цементация порового
пространства и т . п .), а также сернистые соединения (сероводород, меркаптаны,
сульфиды, свободная сера и др.). Особенно токсичы сероводород и меркаптаны.
Во многих нефтях повышено содержание микроэлементов --- ванадия, никеля,
кобальта, свинца, меди, урана, мышьяка, ртути, молибдена. Наиболее
распространены ванадий и никель, входящие в состав смол и асфальтенов.
Вместе с нефтью в ландшафты поступают соленые воды, которые, как правило,
имеют хлоридный кальциевый и натриевый состав часто с минерализацей выше
100 г/л . Нефтяные воды также обогащены иодом, бромом, бором, стронцием,
барием. В составе попутных газов помимо углеводородов --- метана, этана,
пропана, бутана в некоторых районах, например в Северном Прикаспии, высоко
содержание сероводорода (до 20 --- 30%) и паров ртути.
Техногенная трансформация природных ландшафтов в районах добычи нефти
происходит в результате механических нарушений поверхности (уничтожение
растительного покрова, раскорчевка, планировка буровой площади, уменьшение
мощности верхней части почвенного профиля, ее уплотнение, погребение
фоновых почв и др.), гидродинамических нарушений геологической среды
(изменение уровня грунтовых и подземных вод) и геохимического воздействия на
отдельные компоненты ландшафтов. Особенности этой трансформации находятся
в сложной зависимости от характера и состава загрязнителей, длительности их
воздействия, ландшафтно- геохимической обстановки.
Для тайги Пермского Прикамья, Западной Сибири, как показали Н .П. Солнцева
и Ю.Г. Пиковский, ведущим процессом преобразования ландшафтов является
техногенный галогенез. При добыче нефти высокоминерализованные воды
поступают на поверхность и на фоне дерново- подзолистых почв формируются
несвойственные этой природной зоне техногенные битуминозные солончаки,
угнетается или уничтожается наземная растительность и почвенная мезофауна.
Засоление почв сопровождается изменением емкости поглощения, состава
поглощающего комплекса (появление натрия), подщелачиванием почвенных
растворов, увеличением содержания органического углерода, изменением
группового состава гумуса, оглеением, концентрацией отдельных химических
элементов. Так, в автоморфных таежных почвах нефть активно мигрирует,
аккумулируясь на сорбционных (G2) геохимических барьерах в гумусовом и
иллювиальном горизонтах. За счет микробиологического метаболизма в течение
года разрушается 10 --- 15% первоначально внесенной нефти. В гидроморфных
почвах нефть хорошо сохраняется и аккумулируется в глеевых горизонтах. Через
несколько лет после нефтяного загрязнения начинается осолонцевание
битуминозных солончаков. По Н.П. Солнцевой, таежные почвы, загрязненные
нефтью и минерализованными водами, проходят следующие стадии развития:
фоновая дерново- подзолистая Х битуминозный солончак (через 1 год) Х
битуминозный солончаковатый солонец (4 года) Х битуминозный солонец (15 лет)
Х битуминозный осолодевающий солонец (20 лет) Х дерновая повышенно-
гумусная осолоделая остаточно- солонцеватая почва.
В тундровых ландшафтах республики Коми М.П . Тентюков установил
негативное влияние нефтяного загрязнения на морфоанатомические и химические
свойства растений --- развиваются хлорозы и некрозы листьев, дефолиация и
иссушение побегов, карликовость растений, снижается фотосинтетическая
активность, утяжеляется изотопный состав углерода, в поврежденных листьях и
побегах накапливаются тяжелые металлы. Как и в тайге, нефть накапливается в
болотных почвах (рис. 22.1).
В степях и пустынях трансформация загрязненных почв протекает значительно
быстрее за счет испарения нефти и минерализации, повышенной
микробиологической и ферментативной активности почв. Эксперименты Ю.Г.
Пиковского и Н.М. Исмаилова показали, что в субтропических серо- коричневых
почвах Азербайджана остаточная нефть через год после загрязнения составляет
только 30% первоначального количества, т . е . скорость самоочищения почв от
нефти здесь в 4 --- 5 раз выше, чем в таежной зоне. Различия в скорости и
характере самоочищения ландшафтов от загрязнения нефтью нужно учитывать
при разработке природоохранных мероприятий (
локализация загрязнения,
рекультивация и др.).
При разработке газовых и нефтяных месторождений и при сгорании факелов в
атмосферу выбрасывается большое количество метана и др. углеводородов.
Особенно опасная экологическая ситуация складывается в районах добычи и
переработки серосодержащих газов, среди которых наиболее токсичен
сероводород. Такая обстановка характерна для газовых и нефтяных
месторождений Северного и Северо-Восточного Прикаспия (Аксоранское, Тенгиз
и др.).
Угленосные бассейны. К районам добычи угля обычно тяготеют черная и
цветная металлургия, тяжелое машиностроение, мощная тепловая энергетика, что
затрудняет выделение доли собственно угледобычи в техногенном загрязнении.
По Н.Ф. Глазовскому, модули техногенного давления угля в начале 80-х годов
были наиболее высоки в европейских странах- производителях (т/км2 в год) --- в
Восточной Германии (2593), Чехословакии (1016), Западной Германии (863),
Бельгии (623). В целом для территории бывшего СССР, учитывая большую
площадь, этот модуль составляет около 29, с очень неравномерным
распределением по экологическим районам --- от 5 на Дальнем Востоке до 130 в
Уральском и Южном районах.
Техногенное загрязнение при добыче угля и особенно его сжигании связано с
высокой концентрацией многих химических элементов в углях и большой массой
сырья, извлекаемого из недр, достигающей ежегодно для всей планеты
нескольких миллиардов тонн. В углях концентрируются свыше 30 химических
элементов, содержание которых в сотни и тысячи раз выше, чем в осадочных
породах. Состав типоморфной ассоциации зависит от геологических,
петрографических и геохимических факторов. В углях накапливаются золото,
германий, уран, кадмий, висмут, вольфрам, мышьяк, сурьма, бериллий, цинк,
свинец, ртуть, редкоземельные элементы, сера, железо (Я .Э. Юдович).
В районах угледобычи техногенное загрязнение связано с отвалами вскрышных
пород, шахтными и подотвальными водами, дымами, пылью, аэрозолями,
поступающими от предприятий. Так как сам уголь транспортируется за пределы
его добычи, то главным источником загрязнения являются отвалы вскрышных
пород.
По Е.М. Никифоровой и Н.П. Солнцевой, техногенная геохимическая
трансформация ландшафтов в Кизеловском, Подмосковном, Воркутинском
бассейнах, выражается в комплексном лито-, гидро-, био- и атмогеохимическом
влиянии на природную среду угленосных пород, шахтных вод и атмосферной
пыли. Особенно важную роль играют процессы окисления сульфидов железа и
других металлов, содержащихся в углях. В результате резко увеличивается
содержание сульфатов в водах и почвах, рН почв снижается до 2 --- 3, меняются
условия миграции химических элементов, многие переходят из слаборастворимых
сульфидов в оксидные и водорастворимые сульфатные формы, формируются
сернокислые ландшафты.
В техногенных угленосных наносах и почвах содержание сульфатной серы
достигает 60 --- 70%, а свободной серы 10 --- 20% от валового количества.
Поэтому в ГПЛ происходит не только концентрация многих типоморфных
элементов углей, но и их сернокислое выщелачивание, приводящее к
формированию оторванных гидрогеохимических аномалий на щелочных и
сорбционных геохимических барьерах, иногда на значительном удалении от
шахтного комплекса.
В автоморфных таежных почвах со временем происходит уменьшение
кислотности, содержания сернистых соединений и тяжелых металлов, но
полностью фоновые параметры не восстанавливаются даже через десятилетия.
Поступая в гидроморфные почвы, сульфаты и поливалентные тяжелые металлы
восстанавливаются, образуются аномалии на латеральных сульфидных барьерах
B1 --- B2. В этих условиях аномалии существуют длительное время и являются
потенциальными вторичными источниками загрязнения.
С угледобычей связано и существенное загрязнение полициклическими
ароматическими углеводородами, особенно при возгорании отвалов и других
видов сжигания угля.
22.2.2. ГПЛ рудных месторождений
С рудами черных, цветных, благородных и радиоактивных металлов в
окружающую среду поступает меньше химических элементов, чем с углем и
нефтью, за исключением Сr, Cu, Zn, Fe, и Ni, но степень концентрации металлов в
Рис. 22.1. Распределение нефтепродуктов в почвах южных тундр (через 3 года после
загрязнения мазутом). Битуминозные вещества (г/кг почвы): 1 --- > 200; 2 --- 200--150;
3---150--100;4---100--50;5---50--10; 6---10--5;7---5--1;8---1--0,5;9---<0,5;10---граница
мерзлоты; 11 --- место поступления загрязнителей; 12 --- номера разрезов (по Н.П.Солнцевой).
рудах, как правило, значительно выше. Техногенная трансформация ландшафтов
рудных месторождений определяется не только способом добычи,
транспортировки, технологией переработки руд, но и многими геолого-
геохимическими и ландшафтно- геохимическими факторами --- химическим и
минеральным составом руд и ореолов, их обогащением рудными элементами
относительно местного фона, достигающего сотен и тысяч раз,
гидрогеологической обстановкой, природными условиями водной и воздушной
миграции и концентрирования загрязнителей.
Загрязнение ландшафтов в районах разрабатываемых рудных месторождений
связано с пылением карьеров, дефляцией и размывом отвалов, с рудничными
водами, рассеянием рудного материала при транспортировке, с выбросами и
стоками обогатительных фабрик и горно- металлургических комбинатов, эрозией
первичных и вторичных литохимических ореолов месторождений, с водными
ореолами и потоками в грунтовых, подземных и поверхностных водах. Hg, Pb, Cd
и др. металлы в высоких концентрациях токсичны и опасны для здоровья.
ГПЛ железорудных районов. При разработке железорудных месторождений
КМА, Урала, Криворожского бассейна и Казахстана преобладает механическая
техногенная трансформация природной среды, связанная с извлечением и
перемещением огромных объемов горных пород. Контрастные геохимические
аномалии элементов- примесей --- Mn, As, Zn, Co, Mo, Cr, как правило, не
образуются, но в техногенную миграцию вовлекаются значительная их масса.
Состав ассоциации загрязнителей зависит от генетического типа руд. Так, на
железорудных месторождениях с высоким содержанием сульфидов в любом
климате образуются сернокислые ожелезненные ландшафты, в которых
развивается выщелачивание металлов из пород и почв, их миграция в кислых
водах на значительное расстояние. Велика зона атмотехногенного влияния
месторождений, например, по Т.В. Звонковой, на карьерах КМА железорудная
пыль распространяется на 10 --- 15 км.
Главный и экологически наиболее опасный техногенез связан с предприятиями
черной металлургии, располагающимися в непосредственной близости от
источников сырья. К ним приурочены контрастные и протяженные техногенные
аномалии многих поллютантов. Так, вокруг Магнитогорского металлургического
комбината Т.М. Беляковой и М.В. Понариной установлена зона интенсивного
загрязнения почв свинцом, цинком, медью и др. тяжелыми металлами, с кларками
концентрации соответственно 60, 40 и 30 и суммарными показателями
загрязнения Zc = 50 --- 100 в радиусе 2 --- 5 км от комбината. Кроме тяжелых
металлов обнаружено загрязнение полициклическими ароматическими
углеводородами --- продуктами сгорания ископаемого топлива, пиролиза и
коксохимического производства. В частности, концентрации 3,4 -бензпирена в
почвах в эпицентре аномалии на два порядка выше фоновых. Зона
углеводородного загрязнения вокруг Магнитогорска фиксируется на расстоянии
до 30 км. Растения значительно хуже индицируют загрязнение от предприятий
черной металлургии, т . к . существенная часть выбросов представлена
нерастворимыми формами металлов, слабо доступными растениям (металлические
микрошарики).
ГПЛ районов месторождений цветных и редких металлов. Здесь существуют
три вида воздействия рудных элементов на ландшафты. Региональное воздействие
проявляется в пределах рудных областей и провинций с металлогенической и
геохимической специализацией пород и содержанием основных рудных элементов
не более 3 --- 5 кларков концентрации (зеленокаменная полоса Урала --- Cu,
Рудный Алтай --- Pb, Zn, Hg и др.). В рудных районах природные аномалии с
контрастностью на порядок выше фона занимают десятки и сотни квадратных
километров. На месторождениях с богатыми рудами концентрации цветных и
редких металлов, особенно имеющих низкие кларки (Hg, Sb, Cd, Mo, Sn),
превышают местный фон в тысячи и десятки тысяч раз, что приводит к
загрязнению почв, растений, грунтовых и поверхностных вод токсичными
соединениями. Минералого- геохимические и генетические типы месторождений
характеризуются определенными ассоциациями типоморфных элементов (табл.
22.2.). Добыча и переработка руд приводит к еще более высоким уровням
содержания тяжелых металлов во всех компонентах техногенных ландшафтов и
трансформации геохимической структуры природно- аномального ландшафта.
Формы нахождения элементов в рудах и вмещающих породах, степень и характер
их выветривания, масштабы оруденения и многие другие факторы определяют
направленность этой геохимической трансформации ландшафтов. Геохимия
ландшафтов месторождений, зон разломов, участков разгрузки глубинных
газовых и водных потоков изучена хорошо (В.А. Алексеенко, Ю.А. Бурмин, В.В .
Добровольский, М .А. Глазовская, Н .Ф. Глазовский, Н.С. Касимов, А.Л.
Ковалевский, Дж. Мейнард, А.И. Перельман, В.М. Питулько, Ю .Е . Сает, Ж .-К.
Самама, Т.Т. Тайсаев и др.).
Таблица 22.2.
Типоморфные элементы руд и первичных ореолов месторождений
(по С.В. Григоряну, Ю.Е. Саету и др.)
В экологическом отношении наиболее опасны сульфидные руды тяжелых
металлов, которые при выходе на земную поверхность в процессе природного
выветривания и отработки быстро окисляются. Сульфиды превращаются в
сульфаты металлов, многие из которых растворимы в воде. Поэтому в районах
добычи и переработки цветных руд также возникают сернокислые ландшафты.
Это сложная система природных и техногенных зон сернокислого выщелачивания
металлов в почвах и водах, сопрягающаяся с щелочными (D1, D5, D9),
сорбционными (G1, G5, G9), кислородными (A1, A5, A9) и глеевыми (C1, C9)
геохимическими барьерами, на которых металлы концентрируются.
Эколого-геохимические оценки влияния добычи и переработки руд на
окружающую среду выполнены для многих типов месторождений и горно-
металлургических комбинатов в различных ландшафтно- геохимических условиях:
медно- никелевых ГПЛ на Кольском полуострове (А.В . Дончева, А.В. Евсеев),
молибденовых ГПЛ на Кавказе (Ю.Е. Сает, Б.А. Судов, И.А. Авессаломова),
медных и хром- никелевых на Южном Урале (Т.М. Белякова, Э.П. Махонько),
полиметаллических в Приморье (В .С. Аржанова, П.В. Елпатьевский, Ю.П.
Баденков, А.Н. Качур) и др.
Во многих горно- промышленных районах выделяются три- четыре ландшафтно-
функциональные зоны техногенной трансформации природных комплексов.
Первая зона --- это шахтно- карьерно- отвальные ГПЛ с практически полной
деградацией почвенно-растительного покрова с высокими концентрациями
металлов в пыли, техногенных наносах, водах и растениях. Вторая зона --- ГПЛ
на месте и в сфере непосредственного влияния горно- промышленных комбинатов
и обогатительных фабрик, претерпевшие полную или значительную перестройку
первоначальной структуры за счет отчуждения площадей под предприятия и
загрязнения токсичными выбросами, отходами и стоками. При обогащении и
(или) плавлении руд расширяется ассоциация и увеличиваются концентрации
многих элементов- загрязнителей. Содержание пыли и тяжелых металлов в воздухе
этих экологически опасных зон в радиусе до 2 --- 3 км превышает их ПДК на 1 ---
2 порядка и более. Контрастность аномалий металлов убывает в ряду выбросы ---
атмосферные выпадения (
снег) --- почвы (
Е.П. Сорокина). Площадь и
конфигурация аномалий зависят от характера и способа поступления поллютантов
в атмосферу (
мощность взрывов в карьерах, высота фабричных труб),
метеорологической ситуации (направление и скорость ветра, частота инверсий и
др.), геоморфологических условий (равнины, горы). В общем случае содержание
загрязняющих веществ уменьшается от "точечных" отдельно стоящих источников,
какими в основном являются горнопромышленные предприятия, по экспоненте,
т . е . когда интенсивность загрязнения воздуха обратно пропорциональна квадрату
расстояния от техногенного источника. Загрязнение почв и растений подчиняется
обычно той же зависимости, но местами имеет и более сложный характер.
Третья зона достаточно сильного загрязнения воздуха, почв, снега и растений в
равнинных районах захватывает расположенные вблизи месторождений и
комбинатов селитебные и пригородные ландшафты в радиусе 3---5 км.
Ассоциация загрязнителей сокращается, их концентрации, как правило, на
порядок меньше, чем в первых двух зонах. В горных ландшафтах зоны
загрязнения интерферируют поперек долины и не выходят на водоразделы.
Велико значение экспозиции склонов. В продольном профиле долин загрязнение
прослеживается вниз по течению в водах (взвесь) и донных отложениях на
расстоянии 10 --- 15 км.
Четвертая зона умеренного площадного загрязнения имеет нестабильные
очертания и располагается в радиусе от 3 --- 5 до 10 --- 20 км. Фоновые
ландшафты обычно расположены не ближе 15 --- 20 км от источников рудных
выбросов и стоков.
Сведения о формах нахождения тяжелых металлов в ГПЛ противоречивы. Хотя
основная часть металлов поступает в составе малорастворимых соединений
(оксиды, сульфиды, металлические частицы), во многих случаях отмечается
увеличение доли подвижных форм металлов по сравнению с фоновыми
ландшафтами (рис. 22.2). Это способствует более интенсивному загрязнению
растений, в том числе и продуктов питания и создает угрозу здоровью населения.
ГПЛ урановых рудников. С экологических позиций главной и отличительной
чертой этих ГПЛ является загрязнение окружающей среды твердыми, жидкими и
газообразными радиоактивными отходами (рис. 22.3 и 22.4).
Рис. 22.2. Формы миграции металлов
в лизиметрических водах буромезов
Приморья (в % от суммарного
содержания элементов). Природные
ландшафты, тк--- 66; природно-
техногенные сернокислые ландшафты,
тк---67 (по В.С. Аржановой и П.В.
Елпатьевскому).
Как и для большинства горнодобывающих
отраслей, для урановой характерна высокая
территориальная концентрация производства.
Так, в районе Эллиот-Лейк в Канаде, на площади
48 км2 существовало 11 крупных рудников и
гидрометаллургических
заводов (
ГМЗ) с
суммарным производством до 13,2 тыс. т урана в
год. В бассейне Витватерсранд (
ЮАР)
расположено 26 рудников и 17 ГМЗ, на плато
Колорадо (США) действовало до 1000 рудников и
27 ГМЗ, в штате Вайоминг (США) --- до 45
рудников и 18 ГМЗ.
Объекты ГПЛ атомной промышленности
разнообразны --- рудники, карьеры и разрезы,
обогатительные фабрики, гидро- и химико-
металлургические заводы и т .д. Это делает
особенно актуальным
их
геохимическую
классификацию и решение проблемы локализации
образующихся потоков тяжелых и радиоактивных металлов. При добыче и
переработке руд в окружающую среду поступают уран и радий, обладающие
длительными периодами полураспада. Опасны и
другие радионуклиды --- радон-222, торий-230,
полоний-210, свинец-210, а также тяжелые
металлы, накапливаемые в результате сброса
неочищенных шахтных и др. вод. Определенной,
хотя и
низкой активностью обладают
аэрозольные частицы, выносимые струей
подземного проветривания рудников, а на
карьерах --- при пылении поверхности уступов и отвалов. На большинстве
урановых рудников радиоактивная загрязненность атмосферы распространяется
на расстоянии 500 --- 600 м , почв --- на 700 --- 800 м , растительности --- на 500 ---
800 м (от основного источника загрязнения).
Хотя при разработке урановых месторождений в окружающую среду поступают
радиоизотопы всех трех радиоактивных семейств --- урана-238, урана-235 и тория-
232, радиоактивность в основном обусловлена семейством урана-238, в котором
наиболее радиоактивны торий-230, радий-226, радон-222. Радиоактивное
загрязнение окружающего ландшафта от разных рудников различно и в основном
зависит от содержания урана в руде, ее минерального состава, объемов добычи
руд и активности процессов выщелачивания, обуславливающих различное
соотношение урана с продуктами его распада.
В соответствии с технологической цепочкой ГПЛ предприятий атомной
промышленности включает в себя ландшафты добычи, переработки, путей
перевозок, использования последующего хранения временных радиоактивных
отходов, а также территории аварийного загрязнения радионуклидами.
Ландшафты добычи подразделяются на звенья открытой и подземной
разработки радиоактивных руд, подземного и кучного выщелачивания, отвалов.
Геохимия этих звеньев обусловлена технологией отработки руд. Так, в период
эксплуатации карьера происходит активное извлечение из недр радиоактивных
руд и вмещающих пород, интенсивный водоотлив. Последний сопровождается
декомпрессией и разгрузкой вод. С переработкой связаны ландшафты
гидрометаллургических и химико- металлургических заводов, хвосто-, пульпо- и
шламохранилищ, ландшафты использования урана --- АЭС, могильники и
саркофаги.
Ландшафты добычи и переработки руд характеризуются различными
нарушениями природной среды. Для открытой разработки --- это карьерные
выемки, массивы внутренних и внешних отвалов, выведение из пользования земли
горного отвода, оползневые смещения грунтов (в том числе и отвальных
массивов), оседание или уплотнение грунтов в результате осушения окружающего
породного массива, суффозия массива месторождения или отвалов (суффозионные
воронки ослабляют борта карьеров и устойчивость отвалов), эрозия почв на
осушенных территориях в радиусе депрессионной воронки и рекультивированных
земель (поверхностей отвалов и склонов карьерных выемок).
Таблица 22.3.
Состав вод урановых рудников
На карьерах источниками загрязнения окружающей среды служит все карьерное
пространство и прилегающие участки земли, на которые отсыпаются пустые
породы и складируются руды. Важна роль аэрозолей и пыли, карьерных вод,
содержащих соединения урана, радия, других радиоактивных и тяжелых металлов.
Источниками загрязнения служат площадки складирования, хранения товарных и
забалансовых руд.
Для подземной разработки характерны просадки (оседания) горных пород,
промышленный карст (провалы), оползневые смещения грунтов, затопление
грунтовыми водами земель, уплотнение грунтов и эрозия почв (в радиусе
десрессионной воронки). При геотехнологической разработке (
подземном
выщелачивании) происходит проседание земной поверхности, разрушение почв,
занятие земель отстойными прудами (бассейнами). На участках подземного
выщелачивания загрязнение подземных вод ураном и другими радионуклидами
происходит в результате потери контроля за потоками выщелачивающих
растворов. При разрузке продуктивного раствора в прудах- накопителях
выделяется радон. В этих прудах опасна также концентрация отвальных песков,
содержащих радионуклиды и тяжелые металлы.
При радиометрической рудосортировке процессы грохочения, дробления и
самой сортировки приводят к образованию радиоактивной пыли и выделению
радона.
На стадиях гидрометаллургического передела при выщелачивании сорбции,
химическом осаждении в окружающую среду выделяется радон, а на конечных
стадиях передела и выпуске готовой продукции образуются радиоактивные
аэрозоли. Выделение радона из песков хвостохранилищ в 5 --- 10 раз превышает
его выделение т среднемасштабного подземного рудника.
Характерной особенностью урановой отрасли является радиоактивность
практически всех ее отходов. Количество радона, радиоактивных аэрозолей и
пыли, выбрасываемых в атмосферу вентиляционной струей рудника, зависит
прежде всего от его мощности и общешахтного дебита радионуклидов. Рудник
средних размеров, разрабатывающий руды с десятыми долями процента урана,
выбрасывает в атмосферу до 8.1010 Бк* сут. радона.
Рис. 22.3. Схема
горнопромышленного ландшафта на рудном поле уранового
месторождения в степях (по А . И . Перельману и А . Е . Воробьеву).
Геологические условия. 1 --- гранодиориты, 2 --- кварцевые порфиры, 3 --- спилиты, 4 --- туфы
дацитов, 5 --- глины и алевролиты, 6 --- известняки, 7 --- руда, 8 --- геохимические барьеры.
Характеристики ландшафта: а --- мелкосопочник, б --- хвостохранилище, в --- отвал, г --- карьер, д
--- рудник, е --- солончак, ж --- дорога, з --- участок подземного выщелачивания, и ---
гидрометаллургический завод.
Твердые отходы рудников и карьеров состоят из забалансовых урановых руд,
пустых пород с фоновой или близкой к ней радиоактивностью, попутно
добываемых и неиспользуемых полезных ископаемых. При разработке
месторождений подземным способом на каждую тонну руды приходится 0,2 --- 0,3
т пустых пород и забалансовых руд. На предприятиях открытой добычи на
каждую тонну руды приходится до 8 --- 10 т пустых пород от вскрыши карьера.
Кроме того, в каждой тонне добытой руды может быть от 5 до 25 --- 30% пустых
пород и забалансовых руд, которые частично могут быть удалены при
радиометрической сортировке (с выделением хвостов обогащения РОФ). При
гидрометаллургическом переделе практически вся перерабатываемая горная масса
переходит в отходы в виде хвостов.
Жидкие отходы рудников --- это в основном дренируемые подземные воды (до
2000 м3/сут. и более), а также слабоактивные сточные воды спецпрачечных и
душевых (от 100 до 300 м3/сут.). Состав вод колеблется в широких пределах
Рис. 22.4. Схема
горнопромышленного
ландшафта редкометалльного
месторождения в лесной зоне (по А . И . Перельману и А . Е . Воробьеву).
Элементарные ГПЛ: 1 --- карьер, 2 --- отвал металлосодержащих пород, 3 --- технологические
дороги, 4 --- гидрометаллургический завод, 5 --- пульпопровод, 6 --- пруд хвостохранилища, 7
--- пляж хвостохранилища, 8 --- поселок горняков, 9 --- сад, 10 --- граница ореола
загрязнения, 11 --- техногенное болото, 12 --- техногенные геохимические барьеры и их
индексы, 13 --- техногенные почвы и отложения. Природные ландшафты: 14 --- лесные с
тяньшаньской елью, 15 --- альпийские луга. Геологическое строение: 16 --- граниты, 17 ---
порфиры, 18 --- роговики, 19 --- граносиениты, 20 --- аллювиально-делювиальные отложения,
21 --- рудное тело, 22 --- тектонические нарушения.
(табл. 22.3).
При сбросе неочищенных шахтных вод опасны изотопы урана, радий-226,
торий-230, полоний-210, свинец-210. Их общая активность часто достигает 10 ---
50 Бк/л при ПДК для водоемов лишь 0,111 Бк/л .
Хвосты ГМЗ содержат одинаковое количество воды и твердой массы. Кроме
того, переработка каждой тонны руды сопровождается получением около 3 т
рафината. Таким образом, переработка 1 т руды дает (с учетом промывочной
воды, верхнего слива сгустителей, фильтрата) более 4 т жидких отходов.
Химический состав жидкой части рудной пульпы ГМЗ, направляемой в
хвостохранилище, зависит от технологии переработки.
При добыче и переработке урановых руд только под складирование твердых
отходов от рудников, карьеров, хвостохранилищ ГМЗ занимается в среднем (на
100 тыс. м3 горной массы) 0,7 --- 0,8 площади.
Инвентаризация нарушенных земель горнодобывающего и перерабатывающего
комплекса атомной промышленности показала, что 32,3% нарушенных земель
занято отвалами, 27,2% --- карьерами, 20,3% --- промплощадками, 13,3% ---
хвостохранилищами, 0,2% --- провалами и 8,7% --- прочими видами нарушений.
Дальнейшая систематика ГПЛ урановых месторождений основана на различиях
ландшафтно- геохимических условий: выделяются группы, типы, семейства,
классы, роды и виды ГПЛ. Приведем характеристику двух резкоконтрастных
типов ГПЛ, расположенных в сухих степях и мерзлотной тайге.
Геохимия ландшафтов урановых рудников сухих степей и пустынь изучена
особенно хорошо (рис. 22.3) Сухой климат определяет слабое выщелачивание
урана и его спутников из элювиальных почв. Это благоприятствовало открытию
урановых месторождений самым быстрым и эффективным методом ---
аэрогаммасъемкой. В миграции урана и других радионуклидов велика роль ветра,
приводящего к развеванию отвалов рудовмещающих пород, как правило,
содержащих примесь урановых минералов. В ряде случаев это приводит к
загрязнению рудничных поселков и других населенных пунктов. В депрессиях
рельефа происходит испарительная концентрация урана и других радионуклидов,
их накопление в засоленных почвах. Данные процессы могут быть связаны с
испарением рудничных вод, с испарением образующихся при откачке
техногенных ручьев. Так образуются техногенные ландшафты ураноносных
солончаков, болот, лугов. Содержание урана в их почвах и водах может
превышать фон на несколько порядков. Растения здесь также поглощают уран и
его спутники, что может явиться причиной заболевания домашних животных. При
добыче урана методом подземного выщелачивания техногенные водоносные
горизонты могут обогащаться селеном и другими элементами --- спутниками
урана, что исключает использование вод для питьевого водоснабжения. Важную
роль в концентрации урана играют не только природные, но и техногенные
геохимические барьеры, которые позволяют локализовать радионуклидное
загрязнение. Материал для создания барьеров часто имеется в самом ГПЛ. Это
безрудные горные породы --- отвалы рудников и карьеров, отходы местной
пищевой промышленности, цементных заводов и т . д.
Принципиально иная геохимия ландшафтов урановых рудников в таежно-
мерзлотных условиях. Роль ветра в развевании отвалов существенно меньше,
однако возможно развевание снежного покрова, загрязненного радионуклидами.
Многолетняя мерзлота оказывает большое влияние на миграцию урана и других
радионуклидов. Большое значение имеет характер распространения мерзлоты:
если в более северных регионах она сплошная, то на юге, например, в горах
Забайкалья --- островная (слабо проявлена на южных склонах, в нижнем поясе
гор). В верхних горизонтах таежно- мерзлотных почв возможно выщелачивание
урана и его спутников, однако этому препятствует криотурбация ---
перемешивание горизонтов почв, образование пятен- медальонов, выпучивание и
т . д. Почвенный мелкозем, обогащенный радионуклидами, даже на очень пологих
склонах местами в результате солифлюкции мигрирует на километры. Это сильно
затрудняло поиски урановых месторождений, ореолы которых часто становились
погребенными, несмотря на близкое залегание руд от поверхности. В почвах,
реках, озерах характерна миграция урана и его спутников в форме органических
комплексов. В отдельных случаях происходит разделение урана и радия: уран
концентрируется на восстановительных барьерах в торфяниках, а радий
сорбируется глинистыми продуктами выветривания. Влажный климат определяет
как очень низкое фоновое содержание урана в водах (n.10-7 г/л), так и
относительно низкое в техногенных потоках (за счет разбавления последних).
Для концентрации урана большое значение имеют геохимические барьеры
краевых зон болот. Торф и другие материалы, имеющиеся в ландшафте, пригодны
для создания техногенных барьеров. Накопление урана характерно и для таежной
растительности (
биогеохимический барьер). Поверхностные воды, богатые
растворенным органическим веществом, перспективны для дезактивации
объектов, загрязненных ураном и другими радионуклидами.
В зависимости от особенностей рельефа и геологического строения геохимия
ГПЛ урановых рудников как в сухих степях, так и в тайге значительно
дифференцируется. В этом отношении сильно различаются ландшафты гор и
равнин, сложенные силикатными и карбонатными породами. На этой основе
выделяются классы, роды и виды геохимических ГПЛ.
22.2.3. ГПЛ в районах добычи агрономических руд
Различаются техногенные ландшафты в районах добычи магматогенных
апатитов и осадочных фосфоритовых руд. Кроме основного рудного компонента
--- фосфора ландшафты в этих районах обогащены своеобразной ассоциацией
загрязнителей, содержащейся в рудах и слабоизученной в экологическом
отношении. При добыче апатитов на Кольском полуострове это F, As, Y и
редкоземельные элементы, Sr, Pb, Cd, Sn. По С.Р . Крайнову, подземные воды
щелочных массивов обогащены F, Li, Nb, редкими землями, имеют высокую
щелочность,
способствующую
миграции
многих
элементов-
комплексообразователей, содержащихся в рудах. Осадочные фосфориты
обогащены Sr, редкоземельными элементами, F, Y, местами U и V. Влияние
добычи на ландшафты изучено слабо. Более существенно влияние продуктов
переработки апатитовых и фосфоритовых руд --- фосфорных удобрений на
загрязнение агроландшафтов.
Контрольные вопросы
1. Каково значение геохимии ГПЛ в решении экологических задач?
2. Охарактеризуйте таксоны геохимической систематики ГПЛ.
3. Каковы основные геохимические особенности ГПЛ на нефтяных, угольных и
газовых месторождениях?
4. В чем состоит геохимическая специфика ГПЛ рудных месторождений?
5. Охарактеризуйте ГПЛ урановых рудников.
6. В чем состоят эколого- геохимические проблемы районов добычи
агрономических руд?
Глава 23
АГРОЛАНДШАФТЫ (АГРОТЕХНОГЕНЕЗ)
Земледельческие площади (включая села и фермы) занимают около 12% суши,
еще около 25% используется под пастбища. По А.М. Рябчикову, наиболее освоены
умеренный (26%), субэкваториальный и субтропический (17 --- 18%) пояса.
Относительная площадь агроландшафтов и степень изменения природной среды
максимальны в Европе (32%) и Азии (21%).
Главное
назначение
агроландшафта
---
производить
максимум
сельскохозяйственной продукции --- вступает в противоречие с использованием
средств химизации, приводящих к загрязнению среды, нередко превышающему
допустимые экологические нормы. С ростом распаханности растет и загрязнение
земель минеральными удобрениями, пестицидами и другими средствами
химизации, особенно в развивающихся странах. Именно поэтому актуальна
геохимическая или точнее биогеохимическая оптимизация агроландшафтов.
Агротехногенез влияет на природную среду в глобально-региональном
масштабе, особенно в таких регионах длительного интенсивного земледелия, как
Египет, Ближний Восток, Европа, Средняя Азия, Индия, Китай и др. Выбросы
вредных веществ в атмосферу имеют здесь меньшее значение, чем в
промышленных районах, загрязнение почв и водоемов вполне сопоставимо.
По интенсивности и характеру воздействия выделяются два геохимических
типа агротехногенеза и несколько подтипов. Первый тип --- прямое геохимическое
влияние агротехногенеза на природные ландшафты, к которому относится
химизация сельского хозяйства и агротехногенная обработка земли. Второй тип ---
косвенные
геохимические
последствия,
возникающие
в результате
гидромелиорации, эрозии почв, обезлесения, опустынивания и других процессов
деградации ландшафтов. Эти типы определяют преимущественно площадное
(химизация) или линейно- площадное (орошение) распространение загрязнения.
23.1. Химизация сельского хозяйства
Для возмещения выноса химических элементов с урожаем, повышения
продуктивности агроландшафтов, борьбы с сорняками, вредными насекомыми и
микроорганизмами применяются минеральные и органические удобрения,
пестициды и др. агрохимические средства. Как показали В.А. Ковда, В.Г. Минеев
и др., химизация наряду с полезными результатами сопровождается
нежелательной трансформацией круговорота и баланса химических элементов.
Негативное следствие химизации --- загрязнение почв, растений, вод, животных и
человека азотом, фосфором, тяжелыми металлами, пестицидами. Уровень
загрязнения и состав элементов- загрязнителей не одинаков в различных регионах.
В целом минеральные удобрения и другие средства химизации являются мощным
фактором загрязнения агроландшафтов. Это требует изучения трансформации
биологического круговорота и геохимической структуры агроландшафтов,
особенностей радиальной и латеральной миграций загрязнителей (R-L анализ).
Необходимо также знать устойчивость и ответную реакцию ландшафта на
химизацию, разрабатывать геохимическую систематику агроландшафтов.
Комплексный и региональный характер действия вносимых химических
элементов на все компоненты ландшафта определяют необходимость оценки
процессов миграции и концентрации загрязнителей не только на локальном
уровне (в масштабе поля), чем частично занимается агрохимия, но и в более
крупных территориальных системах --- катенах, ландшафтах, речных бассейнах.
Важно также знать заболеваемость растений, животных и человека,
обусловленную агротехногенезом. Поэтому для познания агротехногенеза не
достаточно агрохимии с ее углубленным акцентом на изучение системы почва ---
растение и
влияние удобрений на
продуктивность
и
качество
сельскохозяйственной продукции. Необходим также формирующийся раздел
геохимии ландшафта --- агрогеохимия, основанный на синтезе ландшафтно-
геохимических, биогеохимических и почвенно- агрохимических методов и
подходов к изучению агроландшафтов (В.А. Ковда, В.Н. Башкин, А.И. Ачкасов,
Л.А. Гришина, Н.Ф. Мырлян, Е.М. Никифорова, С.Л. Романов, Н.К. Чертко и др.).
Минеральные удобрения. Они делятся на две группы: стандартизованные,
или традиционные --- азотные, фосфорные, калийные, комплексные,
микроудобрения, в которых содержание элементов питания растений
регламентируется ГОСТами, и нестандартизованные удобрения --- осадки
сточных вод (
ОСВ), коммунальные твердые бытовые отходы (
КТБО),
загрязненные речные воды (ЗРВ) и т .д. без стандартизации элементов питания.
Существенно, что во всех видах удобрений не нормировано содержание
большинства микроэлементов, в том числе приоритетных загрязнителей.
С азотными удобрениями вносится примерно 15 --- 20% общего поступления
азота в наземные агроландшафты. В СССР в 70 --- 80-х годах эта доля достигла 25
--- 35%. В агроландшафтах, удаленных от индустриальных источников, эти
удобрения становятся основной причиной загрязнения окружающей среды
соединениями азота. По В.Н. Башкину, в каскадных ландшафтно- геохимических
системах бассейнов малых рек центра Русской равнины с азотными удобрениями
поставляется до 50 --- 70% от общего баланса азота. В районах интенсивного
земледелия, например в Западной и Центральной Европе, эта доля увеличивается
до70---80%.
Вынос азота с сельскохозяйственной продукцией существенно колеблется. В
Западной и Центральной Европе с урожаем удаляется 50 --- 60% внесенного азота.
На Русской равнине с продуктами растениеводства и животноводства отчуждается
лишь 15 --- 25% азота. Как и в естественных ландшафтах, с денитрификацией
удаляется 20 --- 25% азота. С боковым стоком из каскадных систем выносится еще
15 --- 30% азота.
В глобальном масштабе цикл азота на пахотных землях имеет отрицательный
баланс в связи с преобладанием районов экстенсивного земледелия с малыми
дозами минеральных удобрений и преимущественным использованием почвенного
азота. По В.Н . Башкину, с минеральными удобрениями, биологической фиксацией
и атмосферными осадками в агроландшафты поступает около 120 млн. т азота в
год, а расходная часть составляет 140 --- 170 млн. тонн.
В районах интенсивного земледелия круговорот азота становится все более
открытым, несбалансированность увеличивается. Равновесие между основными
составляющими цикла сдвигается, уменьшается доля органического азота в
фитомассе. В таких агроландшафтах баланс азота становится положительным, его
приход на 20 --- 30% превышает расход, что ведет к аккумуляции азота в почвах,
сельскохозяйственной продукции, грунтовых и поверхностных водах. Во многих
агроландшафтах содержание азота в этих компонентах превышает предельно
допустимые нормы, что создает критические экологические ситуации. Сильное
загрязнение овощей азотом характерно для супераквальных ландшафтов долин и
дельт крупных рек с интенсивным овощеводством (долина Оки, дельты Волги,
Амударьи, Сырдарьи и др.). Содержание нитратов и нитритов в овощах здесь во
много раз превышает ПДК, которое для нитратов составляет 250 --- 300 мг азота
на кг сырого вещества. Особенно опасно образование в пищевых продуктах
нитрозоаминов (R2NNO, где R --- органические радикалы, например, CH3, C2Н5 и
др.), обладающих канцерогенными и мутагенными свойствами.
Загрязнение агроландшафтов связано и с применением фосфорных удобрений.
Среди стандартизованных удобрений они содержат наиболее широкий спектр
концентрирующихся химических элементов. Так, в суперфосфате кроме P обычно
содержится до 1,5% F и 0,005% Cd (до 100 КК), 0,005 --- 0,03% As (десятки КК),
до 5 --- 10 КК Y, редкоземельных элементов, Sr, Cu, Pb. Хотя с удобрениями
вносится менее 5% природного запаса P в почвах, но он легко усвояем (в отличие
от почв). Это обеспечивает необходимый прирост урожая и одновременно ведет к
загрязнению агроландшафтов. Доля микроэлементов, поступающих с
удобрениями, еще меньше. Обычно ниже и степень их усвояемости растениями.
По расчетам А.И. Ачкасова, в отличие от фосфора, элементов примесей --- Y,
редких земель, As, Cd вносится в 1000 раз, F --- в сотни раз больше, чем
используется растениями. Такое поглощение этих элементов имеет как
положительное (слабое загрязнение растений), так и отрицательное (загрязнение
ландшафта) значение.
Одним из основных неблагоприятных следствий азотизации и фосфатизации
ландшафтов является накопление соединений азота (главным образом нитратов) и
фосфора в грунтовых и поверхностных водах. В результате водоемы чрезмерно
обогащаются питательными веществами --- происходит их эвтрофикация.
Наиболее опасно загрязнение питьевых вод нитратами, нитритами и их
производными, что ведет к различным заболеваниям (
у детей ---
метгемоглобинемии и др. болезням). Всемирной организацией здравоохранения
(ВОЗ) для питьевой воды принята концентрация нитратов не более 45 мг/л (ПДК).
Микроэлементы в агроландшафтах. В Западной Европе, США и других
странах с интенсивным сельским хозяйством среди тяжелых металлов основным
загрязнителем является Cd, поступающий из атмосферы, вод и с фосфорными
удобрениями. Несмотря на уменьшение воздушной и водной эмиссии Cd от
других техногенных источников, рост количества вносимых фосфорных
удобрений увеличивает загрязнение почв кадмием (рис. 23.1). В Европе основные
районы загрязнения Нидерланды, Бельгия и Северо-Западная Германия, Южная
Англия, север Чехии, юг Польши, север Италии, Донбасс, Подмосковье (рис.
23.2). Все же контрастность аномалий, образующихся при внесении в почвы
азотных и фосфорных удобрений, как правило, не велика (рис. 23.3). В
агроландшафтах, где применяются только традиционные виды удобрений, их роль
в перераспределении микроэлементов пока еще несколько ниже роли природных
в
Главным источником поступления тяжелых металлов в агроландшафты
являются нестандартизированные удобрения. Они используются, как правило, на
локальных участках вокруг крупных промышленных центров, но высокие уровни
многих тяжелых металлов в этих удобрениях создают наибольшую экологическую
опасность. Особенно широк спектр элементов в осадках сточных вод (ОСВ). По
Ю.Е. Саету и А.И. Ачкасову, наиболее высоки коэффициенты накопления
относительно фоновых почв у Cd, Ag (Кс до 200 и более), Hg, Bi, Zn, Cr, Cu, W,
Sn (Кс 100 --- 200). В бытовых отходах (КТБО) комплекс уже и концентрация
микроэлементов ниже, среди них преобладают Hg (Кс 10 --- 100), Ag, Sb, Zn, Bi,
Cd, Pb (Кс около 10). При поливе загрязненными речными водами (ЗРВ) в почвы и
растения поступают большие количества Ag (Кс > 100), Pb, Cd и Zn (Кс около 10).
Экологическая опасность в зависимости от суммарного загрязнения
микроэлементами (Zc) убывает в ряду: ОСВ (500 --- 600) --- КТБО, ЗРВ (100 ---
200) --- минеральные удобрения (50 --- 70).
Рис. 23.2. Техногенная нагрузка кадмия (т/га в год) на обрабатываемые земли
в Европейском союзе (D.Fraters, U.Y.C. van Beurden, 1993).
Аккумуляция металлов в открытом грунте слабее, чем в отходах и стоках, Zc,
как правило, не превышает 20---30, что соответствует среднему уровню
загрязнения. Тепличные почвы обычно сильнее загрязнены Hg, Zn, Cu с опасными
для сельскохозяйственных культур уровнями суммарного накопления (Zc = 100 ---
130).
Тяжелые металлы, поступающие в агроландшафты с нестандартизованными
удобрениями, включаются в местные миграционные циклы и частично выносятся
за его пределы. Длительное использование стоков при орошении повышает в
Рис. 23.1. Уменьшение атмосферной эмиссии кадмия (А) и рост его концентрации в
сельскохозяйственных почвах (Б) бассейна Рейна (W.Stigliani and S.Anderberg, 1992).
Рис. 23.2. Техногенная нагрузка кадмия (т/га в год) на обрабатываемые земли в Европейском союзе
(D.Fraters, U.Y.C. van Beurden, 1993).
Рис. 23.3. Распределение химических
элементов
в
сельскохозяйственных
почвах с минеральными удобрениями (на
примере южнотаежных ландшафтов
Русской равнины):
1 --- дерново-подзолистые (а --- сильно, б ---
средне, в --- слабо), 2 --- пойменные
почвообразующие породы, 3 --- безвалунные
суглинки, 4 --- древнеаллювиальные супесчано-
песчаные отложения, 5 --- современные
аллювиальные суглинисто-глинистые
отложения; 6--9 --- кривые распределения
элементов: 6 --- фтора, 7 --- группы железа (Mn,
Co, Ni, Ti, V, Cr), 8 --- редких элементов (Se, La,
Y, Yb, Zr), 9 --- суммы химических элементов (Cr,
Zn, Pb, V, Cu, Mn, Co, Ag, Ni, Se, Sn, Sr, Zr, Y, Yb,
Nb, Ti, B, Ba, La, Mo, F). По А.И. Ачкасову.
почвах содержание Zn, Cu, Ni, Cr, Pb, Cd и Hg.
Для зерновых культур особую опасность
представляют Zn, Cu, Ni и Cd. Почти
повсеместная загрязненность сточных вод и
донных осадков серебром и оловом требует
включения этих элементов
в
число
контролируемых. С другой стороны, большая
часть металлов в сточных водах связана со
взвешенными частицами, поэтому Луин и
Беккет считают, что они слабо доступны
сельскохозяйственным культурам.
Коэффициенты
концентрации
тяжелых
металлов в почвах и растениях, орошаемых
сточными водами, относительно средних мировых кларков незагрязненных почв и
сельскохозяйственных
растений,
рассчитанных по данным А. Кабаты-Пендиас
и Г. Пендиас, образуют различные ряды
загрязненности: почвы --- Cu > Cd > Zn > Hg
>Pb>Ni;растения---Hg>Cd>Pb>Ni>Cu
> Zn. Это указывает на селективную
концентрацию в растениях приоритетных
токсикантов --- Hg, Сd, Pb, малодоступных
растениям на незагрязненных почвах. В то же
время растения, по- видимому, обладают
защитным механизмом против излишне
высоких концентраций элементов-биофилов
(Zn, Cu), аккумулирующихся во многих видах
в фоновых ландшафтах. Поэтому при
экологических оценках агроландшафтов
необходимо
учитывать
видовую
биогеохимическую специализацию сельскохозяйственных культур. Например,
кофе концентрирует Cu (в несколько десятков раз больше, чем другие культуры),
грибы ---As,VиAg, томаты ---CoиBe, капуста ---CoиB,свекла ---Li,фасоль
--- Mo и B, люцерна и клевер --- Sr, Ba и B. Особенно широкий комплекс
элементов у салата- латука --- Co, F, Cd, Hg, Fe, Zn, Cu (по А. Кабата-Пендиас и Г.
Пендиас для агроландшафтов Европы и Северной Америки).
В районах интенсивного животноводства кроме промышленных отходов и
стоков существенное влияние на ландшафты оказывают органические отходы
животноводческих комплексов, содержащие азот, сероводород, метан, тяжелые
металлы, высокие концентрации которых токсичны. В ландшафтах лесной зоны
умеренного пояса контрастность аномалий, связанных с отходами, увеличивается
в ряду: птицефабрики --- комплексы крупного рогатого скота --- свиноводческие
комплексы (Н.Я . Трефилова, А.И. Ачкасов). Суммарное загрязнение почв этими
отходами сопоставимо со слабым и средним загрязнением в промышленных
городах (Zc = 10 --- 30). В агроландшафтах южной тайги среди микроэлементов
наиболее часто в животноводческих отходах, удобряемых ими почвах и
выращиваемых культурах довольно высоки концентрации Zn (биогенное
накопление, Кс до 5 --- 10), W, Hg (лампы дневного света) и Sr (фосфатные
кормовые добавки).
Пестициды. К ним относятся синтетические органические соединения,
используемые для борьбы с вредными насекомыми (инсектициды), сорняками
(гербициды), болезнями растений (фунгициды, бактерициды), для регуляции
роста растений (дефолианты) и др. Известно более ста тысяч пестицидов, что
затрудняет их аналитическую идентификацию в окружающей среде. 70 --- 80%
количества пестицидов применяется в Западной Европе, Японии и США.
Выделяются хлорорганические (ХОП) и фосфорорганические пестициды. Многие
из них, прежде всего ДДТ, не разлагаются несколько десятков лет и
аккумулируются в почвах, водах, донных осадках, пищевых цепях, вредно
действуя на организмы.
Пестициды уменьшают потери урожая и повышают продуктивность
сельскохозяйственных культур, но с их применением связана и существенная
экологическая опасность --- загрязнение почв, вод и растений. Наиболее опасны
для млекопитающих и человека инсектициды, менее токсичны гербициды и
фунгициды. За 30 лет использование гербицидов в мире (1960 --- 1990) возросло в
2 раза (Chemical pollution, 1992).
В отличие от главных элементов питания (N, P, K) и микроэлементов,
повсеместно присутствующих в ландшафтах, пестициды поступают в них только в
результате хозяйственной деятельности. Поэтому даже низкие их концентрации в
воздухе, почвах, водах и растениях указывают на техногенез. Производство и
применение пестицидов привело к глобальному загрязнению биосферы этими
синтетическими соединениями. Кроме органических соединений хлора и фосфора
некоторые пестициды содержат токсичные микроэлементы, в частности мышьяк.
По Ф.Я. Ровинскому, М.И. Афанасьеву и др., в фоновых ландшафтах из
атмосферы поступает в среднем 1 --- 3 кг/см2. год ХОП. В поверхностных водах их
содержание варьирует от 1 до сотен нг/г , в почвах оно колеблется в среднем от 1
до 10 нг/г воздушно- сухой массы и слабо варьирует по регионам. В растениях
фоновые уровни ХОП лежат в пределах 2 --- 10 нг/г . Повышенными содержаниями
пестицидов (до 45 нг/л) отличаются лишайники и мхи.
С поверхностным стоком пестициды мигрируют в подчиненные ландшафты и
аккумулируются в донных отложениях (до 20 нг/г в дельте Волги и 30 --- 800 нг/ г
в дельте Нила). Устойчивость к деградации и разложению способствует
сохранению отдельных пестицидов в донных осадках в течение десятков, а
теоретически и сотен лет.
23.2. Гидромелиорации
К этому типу агротехногенеза относятся оросительные и осушительные
мелиорации, в результате которых формируется новая радиальная и латеральная
геохимическая структура агроландшафтов.
Орошение. Это один из мощных видов антропогенного воздействия, ведущий
не только к дополнительному увлажнению, но и глубокой геохимической
трансформации ландшафтов. При оптимальных природных предпосылках и
нормах орошения улучшаются водный и тепловой режим почв, усиливается их
микробиологическая активность, выщелачивание легкорастворимых солей
уменьшает засоление почв, повышается биологическая продуктивность
агроландшафта.
В результате искусственного орошения значительная часть территории Азии,
Африки, Америки и Австралии превращена в оазисы --- антропогенные
ландшафты с новыми почвами, климатом, биологическим круговоротом
химических элементов. Геохимия оазисов --- одно из важнейших научных и
практических направлений исследований ландшафтов сухих степей и пустынь.
Основное и широко-распространенное негативное геохимическое следствие
орошения в степях и особенно в пустынях Средней Азии, Закавказья, Индии,
Пакистана, США --- поднятие уровня грунтовых вод до критической глубины,
ведущее к вторичному засолению почв. В результате кальциевый и кальциево-
натриевый классы водной миграции естественных ландшафтов трансформируются
в солонцово- солончаковый и солончаковый классы с сульфатным магниево-
кальциевым и сульфатным натриевым составом вод. В засоленных почвах
формируются
испарительные
геохимические барьеры,
на
которых
концентрируются не только легкорастворимые соли натрия, хлора и серы, но и Sr,
Mo, B, F, Se, Br, Y и другие микроэлементы, что также может оказывать
неблагоприятное действие на организмы. Другое негативное следствие орошения
--- засоление грунтовых и поверхностных вод минерализованными (2 --- 8, до 20
г/л) дренажными стоками орошаемых массивов. Это привело к трансформации
химического состава крупнейших рек Средней Азии. По Н.Ф. Глазовскому,
минерализация вод р. Сырдарьи повысилась в низовьях от 0,8 г/л в 1960 г . до 2,8
г/л в 1985 г ., ионный состав из гидрокарбонатно- кальциевого стал сульфатно-
натриевым. Возросло и содержание тяжелых металлов, пестицидов.
Испарительная концентрация загрязненных грунтовых вод усиливает
контрастность аномалий многих микроэлементов на F геохимических барьерах.
В солонцовых агроландшафтах для снижения высокой щелочности почв
применяют особую мелиорацию --- гипсование, ведущее к смене содового класса
водной миграции на менее щелочной --- кальциево- натриевый, гипсовый. Это
способствует уменьшению подвижности многих анионогенных элементов и
комплексообразователей и накоплению стронция, высокие концентрации которого
характерны для гипса.
В черноземных степях и лесостепях распашка и орошение автономных
черноземов приводит к усилению латеральной миграции воды и "мочаризации" ---
появлению на склонах пятен переувлажненных почв и "
висячих болот" ---
мочаров, с тростниками и другой влаголюбивой растительностью. Здесь
формируется комплекс геохимических барьеров (окислительный, сорбционный,
испарительный, биогеохимический), на которых повышается концентрация
многих химических элементов (Ф.И. Козловский).
В ландшафтах с избыточным увлажнением (
Полесье, Мещера и др.)
необходимы осушительные мелиорации. При этом изменяются главным образом
окислительно- восстановительные условия заболоченных почв. Более энергичное
разложение органических веществ ведет к усилению биологического круговорота,
увеличению подвижных форм азота, фосфора и некоторых микроэлементов. В
частности, доля нитратного азота по сравнению с аммонийным возрастает в
пахотном горизонте в 20 раз. Все это сопровождается ростом минерализации
грунтовых вод, снижением содержания в них РОВ, усилением водной миграции
кальция, фосфора, натрия, калия. По И.А. Авессаломовой и К .Н. Дьяконову, в
Мещере под влиянием осушения и , как следствие, улучшения кислородного
режима лесоболотные и луговые супераквальные ландшафты кислого глеевого
класса трансформируются в ландшафты кислого класса. В почвах глеевая
обстановка смещается в глубину --- на границе окислительных и
восстановительных
горизонтов формируются
кислородно- сорбционные
геохимические барьеры А6 --- G6. На них накапливаются гидроксиды железа и
марганца, а также V, Ni Co и Cu. После осушения некоторых болотных почв,
содержащих сульфиды железа, в результате их окисления формируются резко
кислые почвы с рН < 3.
Для осушенных торфяников Белоруссии характерен дефицит меди и болезни
растений, ликвидируемые применением медных микроудобрений.
23.3. Прочие виды агротехногенеза
Распашка почв. Она ведет, с одной стороны, к их рыхлению и необходимому водному режиму, а с
другой --- к уплотнению поверхности почвы механизмами, снижению ее водопроницаемости и усилению
латеральной миграции веществ --- эрозии почв. С пахотой связано также загрязнение почв железом и
другими металлами, органическими соединениями (нефть, мазут, ПАУ) в результате работы средств
механизации.
Обезлесение. Во влажных тропиках Бразилии, Колумбии, Таиланда,
Индонезии, Вьетнама, Филиппин и других стран в результате вырубки площадь
лесов ежегодно уменьшается на 12 млн. га. В индустриальных странах
обезлесение связано также с загрязнением атмосферы, главным образом с
кислотными осадками, вызывающими суховершинность деревьев. Глобальный
геохимический эффект обезлесения --- поступление дополнительного количества
СO2 в атмосферу за счет сгорания древесины и уменьшения возможности его
поглощения растениями при фотосинтезе. Обезлесение гумидных лесных
ландшафтов ведет к увеличению площади пашни и интенсификации эрозионных
процессов, а также к резкому уменьшению биомассы, сосредоточенной в
деревьях.
Эрозия почв. С талыми и дождевыми водами связана водная эрозия, с
деятельностью ветра --- ветровая. В агроландшафтах скорость эрозии в сотни и
тысячи раз больше, чем в естественных условиях, что привело к существенной
потере или ухудшению земельного фонда почти на половине мировой пашни. В
лесной зоне, лесостепях и влажных саваннах преобладает водная эрозия, в сухих
саваннах, степях и пустынях --- ветровая. По данным ФАО/ЮНЕП, на Ближнем
Востоке 17% обрабатываемых земель подвержены водной, 35% --- ветровой
эрозии. В России большие работы по изучению эрозионно- аккумулятивных
процессов ведутся географическим факультетом МГУ (Н.И. Маккавеев, М.Н.
Заславский, С.П. Горшков, Г.А. Ларионов, Р.С. Чалов и др.).
Ландшафтно- геохимическим следствием антропогенной эрозии почв является
интенсификация механической и физико- химической миграции элементов. Из
эродируемых автономных и трансэлювиальных ландшафтов выносятся
минеральные соединения (до десятков тонн с гектара в год), гумус, содержащие
элементы питания растения, микроэлементы. Часть этих веществ накапливается
непосредственно за пределами пашни, часть выносится в подчиненные
ландшафты овражно-балочной сети и местные водоемы и включается в
дальнейшие циклы латеральной бассейновой миграции.
Эрозия почв --- один из мощнейших факторов обмеления и загрязнения
водоемов, куда поступают избыточные количества глинистой фракции, азота,
фосфора, пестицидов, тяжелых металлов. В США с эрозией почв связано
поступление в водоемы 90% глинистой фракции и 53% фосфора. Деградация
подчиненных агроландшафтов в результате эрозии загрязненных удобрениями или
промышленными выпадениями автономных и трансэлювиальных ландшафтов
усугубляется нелинейным и нестабильным характером эрозионных процессов.
При изучении эрозионных процессов большую роль играет комплексное
почвенно- эрозионное и ландшафтно- геохимическое картографирование.
Опустынивание ландшафтов. В степях и саваннах оно выражается в
разряжении растительности, уменьшении ее продуктивности, усилении ветровой
эрозии и др. По П.Д. Гунину, природное опустынивание ведет к ослаблению
водной и усилению воздушной миграции элементов, увеличению фитогенного
засоления и подщелачивания почв, оглинению почв, росту латеральной миграции
веществ, опесчаниванию, возрастанию роли воздушной миграции пыли,
замоховению с подкислением верхних горизонтов почв и снижением их
щелочности.
Антропогенное опустынивание связано с перевыпасом скота и вырубкой лесов.
Это ведет к уменьшению биомассы и видового разнообразия, усилению
воздушной и водной эрозии, т . е . механической миграции, к разрастанию
подвижных песков, сокращению водных ресурсов, ухудшению качества питьевой
воды, антропогенному отакыриванию, усилению латеральной миграции элементов
и др. Ландшафтно-геохимические следствия опустынивания изучены еще слабо.
Деградация агроландшафтов. Совокупное воздействие загрязнения, эрозии
почв, обезлесения, опустынивания и т .д. приводят к ухудшению состояния
агроландшафта, в первую очередь к снижению плодородия почв и качества
сельскохозяйственной продукции. Деградация агроландшафтов ведет и к
ухудшению условий жизни населения, вызывает специфические заболевания,
связанные с неблагоприятным воздействием на организм соединений азота,
фосфора, пестицидов, тяжелых металлов, диоксинов и т .д .
23.4. Геохимическая систематика агроландшафтов
Агроландшафты составляют особый отряд техногенных ландшафтов,
важнейшей геохимической характеристикой которого, как и в большинстве
природных ландшафтов, служит биологический круговорот атомов (бик). Но этот
бик часто иной, чем в исходных биогенных ландшафтах, запасы и структура
фитомассы которых полностью трансформируются. Так, при выращивании
злаковых культур на фоне уменьшения общих запасов растительности резко
возрастает доля надземной зеленой массы и уменьшается подземной. Первичная
ежегодная продукция достигает 80 --- 90% от общих запасов фитомассы, более
половины ее ежегодно отчуждается с урожаем, что ведет к снижению количества
гумуса. Как отмечалось, особенно сильно трансформирован круговорот азота. На
пастбищах и сенокосах общие запасы фитомассы уменьшаются, но доля
подземных органов увеличивается. Особенно сильные изменения структуры
фитомассы происходят при чрезмерной пастбищной нагрузке и удобрении
сенокосов.
Агроландшафты делятся на группы, типы, отделы, классы, роды и виды. Эта
таксономия носит предварительный характер и нуждается в дальнейшем анализе и
уточнении.
Группы агроландшафтов. По природным условиям выделяется 4 основные
группы:
1. Агроландшафты на месте лесных ландшафтов.
2. Агроландшафты на месте степей, саванн и лугов.
3. Агроландшафты тундр.
4. Агроландшафты пустынь.
Типы агроландшафтов. Каждая группа состоит из нескольких типов. В 1-й
группе --- это агроландшафты на месте влажных тропиков, тайги
широколиственных лесов, во 2-й --- агроландшафты черноземных степей, сухих
степей, субтропических степей, саванн и т .д. По Т.И. Евдокимовой, эти группы и
типы достаточно четко отличаются по особенностям биологического круговорота
от групп и типов природных ландшафтов. Так, в таежной зоне растительность
полей по сравнению с лесами в 4 --- 6 раз больше потребляет K и Mg, в 3 раза ---
P, примерно в 2 раза --- N, S и Ca. Однако в лесостепной зоне потребление
элементов растительностью агроценозов примерно такое же, как в
широколиственных лесах и луговых степях (кроме Ca, который энергичнее
накапливается широколиственными деревьями). Замена разнотравно- злаковых
степей полевыми ценозами приводит к уменьшению интенсивности бика
большинства элементов. Потребление Ca и Mg снижается в 6 раз, S, K и N в 2 --- 3
раза. Таким образом, агроландшафты природных зон различаются
направленностью трансформации биологического круговорота: его скорость и
интенсивность увеличиваются при замене лесных ландшафтов и уменьшаются в
степях.
Соотношение между биологическим круговоротом и водной миграцией в
агроландшафтах деформируется. Последняя резко активизируется --- с пахотных
земель поверхностным и внутрипочвенным стоками выносится в растворенной
форме и в виде суспензий значительно больше химических элементов, чем с
целинных водосборов. Поэтому во многих агроландшафтах баланс ряда элементов
отрицателен и не компенсируется удобрениями.
Зонально- провинциальные природные факторы определяют также фоновые
содержания многих элементов. Так, в целом для гумидных агроландшафтов
характерны фоновые концентрации азота, агротехногенные аномалии которого
относительно локальны и приурочены лишь к участкам наиболее интенсивного
использования азотных удобрений, коммунальных и животноводческих отходов.
В аридных агроландшафтах испарительная концентрация определяет изначально
высокий региональный фон нитратов в грунтовых и поверхностных водах.
Поэтому внесение высоких доз азотных удобрений здесь чаще ведет к
превышению ПДК нитратов.
Эти же факторы влияют на распределение и миграцию микроэлементов. Более
высокие уровни содержаний B, Br, Mo, U, V, Se в аридных агроландшафтах
связаны с древней или современной испарительной концентрацией и
подвижностью их анионогенных соединений в щелочной среде, что следует
учитывать при внесении минеральных удобрений, например, фосфорных,
содержащих некоторые из этих элементов в повышенных количествах.
В отличие от природных ландшафтов разделение типов агроландшафтов на
семейства только по особенностям биологического круговорота нецелесообразно
из- за их конвергенции в пределах природных зон и особенно подзон под
влиянием,
например,
антропогенного
опустынивания,
саваннизации,
формирования пирогенных комплексов и т .д. (Л.И. Куракова, Э.П. Романова).
Отделы агроландшафтов. В пределах типов биологический круговорот
агроландшафтов больше зависит от использования земель. Пашни, сады, огороды,
пастбища различаются интенсивностью техногенеза, количеством и составом
вносимых минеральных и органических удобрений, соотношением биомассы,
ежегодной продукции и изъятием химических элементов с урожаем. Под
влиянием различных
сельскохозяйственных
культур происходит
биогеохимическая трансформация форм химических элементов. Минеральные
формы азота, фосфора, калия, тяжелых металлов в ходе бика переходят в
биогенные и органо- минеральные формы. Под влиянием химизации может
изменяться и водная миграция. Поэтому в пределах типов по использованию
земель выделяются отделы агроландшафтов. Наибольшие изменения испытывают
ландшафты с многолетними культурами (сады, виноградники), некоторыми
однолетними техническими культурами (хлопчатник), рисовые плантации с
большим количеством вносимых удобрений и интенсивным применением
пестицидов. Менее интенсивно действие агротехногенеза на полевые и огородные
ландшафты, чайные, ягодные и ореховые плантации. Минимальна трансформация
животноводческих пастбищных ландшафтов с наименьшей геохимической
нагрузкой. К особому отделу, возможно, относятся ландшафты орошаемых и
осушаемых территорий, однако их основные геохимические особенности
определяются водной миграцией и эти ландшафты лучше выделять на уровне
класса.
Биогеохимическая трансформация агроландшафтов в зависимости от
использования земель изучалась Н.Ф. Мырляном в Центральной Молдавии, где
агроландшафты занимают почти 2/3 территории, причем распределение
техногенной нагрузки в ее пределах неравномерное. Данный регион
специализируется на выращивании многолетних культур, что определило высокий
уровень обработки земли, внесение больших количеств удобрений, интенсивное
применение ядохимикатов. Наибольшее влияние агротехногенеза испытывают
многолетние насаждения --- сады и виноградники, в которых глубина вспашки
достигает 1,5 м (плантаж). Большая часть садов орошается. По объему вносимых
удобрений данные ландшафты не уступают землям с полевыми и техническими
культурами. Главное же их отличие от других агроландшафтов состоит в
интенсивном применении пестицидов, а также органических и минеральных
соединений тяжелых металлов. Применение медьсодержащих препаратов
значительно обогащает медью основные компоненты виноградников. В почвах ее
содержание достигает 2,5.10-2%, в отдельных случаях первых долей процента. В
золе листьев винограда до 0,5% меди, в поверхностных водах --- до 500 мкг/л .
Перераспределение техногенной меди приводит к ее накоплению в почвах и
современных отложениях аккумулятивных ландшафтов. В почвах установлен
техногенный малахит, в горизонтах, обогащенных этим минералом, концентрация
меди достигает 1 --- 2%. Высокая плотность многолетних насаждений и
интенсивное применение медьсодержащих препаратов позволило выделить в
Центральной Молдавии техногенную медную биогеохимическую провинцию.
Меньшую техногенную нагрузку испытывают агроландшафты Центральной
Молдавии с полевыми, техническими и овощными культурами. Здесь ниже
уровень механической обработки почвы, меньше спектр применяемых
пестицидов.
Антропогенное воздействие можно оценивать в баллах по соотношению доз
минеральных удобрений, уровней загрязнения почв нестандартизованными
удобрениями и количеству применяемых пестицидов (табл. 23.1).
Число сочетаний этих видов воздействия, достигающее пятидесяти, можно
разделить на пять градаций, соответствующих пяти основным отделам
агроландшафтов:
I --- со слабым --- менее 3 баллов
II---средним---3---4
III---высоким---5---6
IV --- очень высоким --- 7
V --- чрезвычайно высоким уровнем воздействия --- 8 --- 9.
Так, к первому отделу относятся агроландшафты с малыми дозами вносимых
веществ(1+1+1баллов,1+2+0ит.д.),акпятому---свысокимидозами
минеральных, нестандартизованных удобрений и пестицидов (2 + 3 + 3, 3 + 2 + 3
баллов ) и т.д.
Классы агроландшафтов. Как и для естественных ландшафтов, этот таксон
выделяется по типоморфным элементам водной миграции, в основном по
соотношению окислительно- восстановительных и щелочно- кислотных условий. В
ландшафтах со слабой интенсивностью химизации, без осушения или орошения,
классы агроландшафтов те же, что и в исходных естественных ландшафтах. В
районах интенсивного земледелия с большим количеством вносимых
минеральных удобрений, осушительными или оросительными мелиорациями
классы природных ландшафтов трансформируются, появляются техногенные
геохимические барьеры. Степень и направленность этой трансформации зависят
как от характера агротехногенеза (известкование, гипсование, виды минеральных
удобрений и т .д.), так и от природных ландшафтно- геохимических условий.
Например, от геохимических различий лесных и степных ландшафтов.Таблица 23.1
Критерии оценки интенсивности антропогенного воздействия
на агроландшафты (цифры --- баллы)
Длительное известкование кислых почв приводит к замене кислого класса
ландшафта (Н+) на переходный от кислого к кальциевому (Н+ - Са2+) и даже на
кальциевый (Са+). Это ведет к трансформации всей миграционной структуры
ландшафта, замещению в поглощающем комплексе обменного алюминия
кальцием, уменьшению подвижности катионогенных тяжелых металлов (Pb, Zn,
Cd, Cu), формированию местами карбонатного барьера в верхних и средних
почвенных горизонтах, не свойственного большинству лесных почв. В результате
фитотоксичность некоторых тяжелых металлов снижается. Анионогенные
элементы --- Mo, Cr, V, наоборот, становятся более подвижными. Агрогенное
подщелачивание характерно и для старопахотных почв степей, в которых оно
обусловлено появлением соды после замены степной целинной растительности
агроценозами (Ф.И. Козловский).
Подкисление почв при чрезмерном внесении физиологически кислых удобрений
ведет, наоборот, к увеличению подвижности, а следовательно, и токсичности
тяжелых металлов. Избыточное внесение фосфорных удобрений благоприятствует
связыванию некоторых элементов, например Zn и Cr, в виде слаборастворимых
фосфатов (фосфатный барьер), вызывая иногда цинковое голодание растений.
Роды агроландшафтов. Они выделяются по соотношению водной и
механической миграции, зависящей от положения агроландшафта в катене, эрозии
почв --- степени их смытости или намытости (табл. 23.2). В соответствии с этими
критериями можно выделить 10 --- 12 родов элементарных агроландафтов
(автономный со слабосмытыми почвами, трансэлювиальный с сильносмытыми
почвами и др.) с характерными для каждого из них потерями урожая, почвенной
массы, гумуса и микроэлементов (табл. 23.3).
От положения элементарного агроландшафта в катене или геохимического
агроландшафта в каскадной системе зависит дальнейшая миграция загрязняющих
веществ, поступающих с удобрениями и пестицидами, а также экологическое
состояние ландшафта. Так, в Средней Азии хлопчатники традиционно
располагаются на первой и второй надпойменных террасах, а овощные культуры
занимают поймы. Подчиненное положение садово- огородных агроландшафтов
ведет к их загрязнению пестицидами, соединениями азота и тяжелыми металлами,
поступающими с окружающих более автономных позиций с техническими
культурами и высокими дозами минеральных удобрений и пестицидов.
Загрязнению супераквальных ландшафтов способствует ирригационная сеть, по
которой сбрасываются оросительные и дренажные воды, обогащенные многими
поллютантами. В Вахшской долине Таджикистана, дельтах Амударьи и Сырдарьи
пойменные почвы и донные отложения рек и каналов, как правило, загрязнены
мышьяком, селеном, молибденом и хлорорганическими пестицидами.
Латеральную сопряженность катен в агроландшафтах можно использовать для
локализации загрязнения. Так, способность меди осаждаться на щелочном барьере
использована Н.Ф. Мырляном для локализации ее техногенных аномалий путем
создания искусственных геохимических барьеров из карбонатных материалов
(известь, карбонатный щебень). Барьеры размещаются на пути движения
медьсодержащих потоков в траншеях поперек склона на границе с подчиненными
ландшафтами. Такие барьеры практически полностью задерживают соединения
меди и других катионогенных металлов, мигрирующих с поверхностным и
внутрипочвенным стоками.
Таблица 23.2.
Роды элементарных агроландшафтов
*Для супераквальных почв приводится не степень смытости, а намытости.
**(++) --- типичная ситуация, (+) --- малотипичная, ( --- ) --- не типичная.
Виды агроландшафтов. Они выделяются по особенностям почвообразующих
пород (на суглинках, песках, карбонатных, кристаллических силикатных породах
и т.д.).
Таблица 23.3.
Зависимость потерь урожая, почвенной массы и гумуса от смытости почв
(А.Н.Каштанов, М.Н.Заславский, А.Н.Фокин)
При выделении видов важно учитывать содержание в породах не только макро-,
но и микроэлементов. Так, по Н .Ф. Мырляну, в Молдавии культивируемый на
плиоценовых красноцветах виноград содержит повышенное количество рубидия,
который определяет лучшее качество винодельческой продукции. Это может быть
использовано при размещении плантаций винограда с целью получения вин,
обладающих повышенным качеством. По А.И. Ачкасову, на территории большей
части Московской области, где особенно интенсивно применяются минеральные
удобрения, автономные пахотные почвы легкого механического состава по
сравнению с фоновыми дерново- подзолистыми почвами в 1,5 --- 3 раза обогащены
Ag, Zn, Pb, Cu, Sn, Cr. В суглинистых почвах тех же ландшафтных позиций
обогащение еще выше. К названным элементам здесь добавляются Sc, Zr, Y, Nb,
Ti, Ga, сорбируемые илистыми частицами и гумусом. В почвах подчиненных
агроландшафтов на суглинках за счет латеральной миграции коэффициент
суммарного накопления возрастает в 3 --- 4 раза и достигает 15 --- 16.
По содержанию элементов, наиболее влияющих на бик, можно выделить 4
группы почвообразующих пород:
1. Породы преимущественно легкого состава с резко пониженным
геохимическим фоном биологически важных элементов (
аллювиальные и
флювиогляциальные пески и супеси в гумидных зонах, кварциты и др.). Такие
породы характерны для Полесской, Мещерской и других низменностей.
2. Породы с околокларковыми содержаниями большинства элементов ---
лессовидные покровные отложения, силикатные кислые, средние, основные
породы и др.
3. Породы с повышенными содержаниями металлов, например, ультраосновные
обогащенные в десятки раз Ni, Cr, Co, что оказывает негативное влияние на
сельское хозяйство.
4. Породы с резко аномальными содержаниями элементов в районах
месторождений полезных ископаемых. Их биогеохимическая специализация
определяется типом месторождения (накопление органических веществ на
участках угольных, нефтяных и газовых месторождений, рудных элементов на
рудных полях месторождений черных, цветных, радиоактивных и других
металлов).
Контрольные вопросы
1. Чем агрогеохимия отличается от агрохимии?
2. Охарактеризуйте негативные последствия применения минеральных
удобрений.
3. Каков баланс азота в агроландшафтах, каковы последствия накопления
нитратов и нитритов в овощах, питьевых водах?
4. Что такое эвтрофикация водоемов?
5. Назовите источники поступления тяжелых металлов в агроландшафты,
какие металлы наиболее опасны?
6. Охарактеризуйте эколого-геохимические аспекты применения пестицидов.
7. Как гидромелиорации влияют на геохимию агроландшафтов?
8. Каковы масштабы и геохимические последствия вырубки лесов, эрозии почв,
опустынивания?
9. В чем состоят геохимические принципы систематики агроландшафтов?
Охарактеризуйте отдельные таксоны.
Глава 24
ЛАНДШАФТЫ, ЗАГРЯЗНЕННЫЕ РАКЕТНЫМ ТОПЛИВОМ*
При запусках космических ракет с космодромов Байконур, Плесецк и Капустин
Яр десятки тысяч квадратных километров загрязняются высокотоксичным
ракетным топливом, которое попадает на земную поверхность с остатками первых
и вторых ступеней ракет. Ареалы падений остатков обычно представляют собой
эллипсы площадью от сотен до тысяч квадратных километров и являются зонами
повышенного экологического риска. Этот вид техногенеза изучен слабо и почти
неизвестен научной общественности.
Главным токсикантом ракетных топлив является несимметричный
диметилгидразин (НДМГ), производное гидразина --- восстановителя, при
окислении которого выделяется много тепловой энергии и образуются
газообразные вещества с малым молекулярным весом. НДМГ --- гигроскопичная
бесцветная жидкость с аммиачным запахом. По химическим свойствам это
основание, активный, легко окисляющийся восстановитель, реагирующий с
соединениями, содержащими карбонильную группу. НДМГ хорошо растворим в
воде, водных растворах кислот, спиртах, эфирах, легко поглощает влагу из
воздуха. Он реагирует с соляной, серной, азотной кислотами, обладает высокой
летучестью, хорошо адсорбируется различными поверхностями.
Основные пути поступления компонентов ракетного топлива в ландшафты ---
Рис. 24.1. Распределение НДМГ в почвах (I) и
растениях (2). Соответственно 300 и 240 проб (по
Н.С. Касимову, Т.В. Королевой и др.).
аэрогенное рассеяние и разливы при падении на землю остаточных частей ракет.
Большая часть поступающего топлива сгорает и испаряется в атмосферу, меньшая
--- захватывается растительностью, проникает в почву, растворяется в воде. В
результате на полигонах ликвидации ракет и за их пределами формируются
обширные региональные поверхностные аномалии токсикантов. В местах разлива
топлива почвенные, биогеохимические и гидрохимические аномалии локальны и
контрастны. Источниками загрязнения служат также обломки ракет с остатками
топлива на поверхности.
НДМГ относится к первому классу опасности, токсичен при различных путях
поступления в организм, в жидком виде и в виде паров проникает через кожу и
быстро обнаруживается в крови. Он раздражает верхние дыхательные пути и
желудочно- кишечный тракт, поражает печень, вызывает двигательные
возбуждения и судороги.
Региональное загрязнение ландшафтов НДМГ. Ландшафтно- геохимические
исследования в районах падения ракет, запускаемых с космодрома Байконур,
были начаты в 1991 году (Н.С. Касимов, А.П . Ворожейкин, Ю.В. Проскуряков).
Поведение НДМГ на земной поверхности зависит как от его физико- химических
свойств (окисляемости воздухом, сорбируемости, высокой растворимости и др.),
так и от ландшафтно- геохимической обстановки. Среди свойств почв,
определяющих миграцию НДМГ, наибольшее значение имеют щелочно- кислотные
и окислительно- восстановительные условия. НДМГ легко мигрирует в
окислительных щелочных средах, слабее в восстановительных кислых и
слабокислых. При определенных сочетаниях рН --- Еh, сорбционной способности
почв и содержания гумуса НДМГ и продукты его окисления накапливаются на
геохимических барьерах. Учитывая, что НДМГ и продукты его окисления хорошо
смешиваются с водой, фильтрационные свойства почв и грунтов являются одним
из основных факторов, контролирующих перераспределение компонентов
ракетного топлива между автономными и подчиненными ландшафтами, а также в
профиле почв.
В Центральном Казахстане загрязнение
ландшафтов ракетным топливом зависит от
того, охватывает ли оно всю каскадную
систему водосборного бассейна,
или
локализуется в ее конечных звеньях, образуя
менее обширные техногенные аномалии. В
основном это замкнутые системы с конечным
сбросом веществ в бессточные впадины или
пересыхающие русла.
НДМГ в почвах. Почвенный покров представлен светло- каштановыми и бурыми
пустынно- степными
почвами
в
комплексе
с
солонцеватыми и солончаковатыми их разностями и
солонцами. Озерные впадины и долины заняты
луговыми солонцами с редкими вкраплениями
солончаков. В долинах рек распространены луговые, лугово- каштановые, лугово-
бурые, реже лугово-болотные почвы, местами эти почвы солончаковаты. В
районах падения концентрация НДМГ изменяется от 0,07 до 18,01 мг/кг, в почвах
полигонов наиболее часты концентрации от 0,05 до 0,1 мг/кг (при временном
предельно допустимом уровне (ПДУ) в почвах 0,1 мг/кг) (рис. 24.1.).
Распределение НДМГ резко дифференцировано и , по- видимому, зависит от
форм его нахождения и устойчивости в ландшафтно- геохимических условиях, т . е .
от климатических, геологических, водно-физических и других факторов.
Среди физико- химических свойств компонентов ракетного топлива,
определяющих их миграцию в почвах, важны испаряемость, растворимость в воде
и водных растворах кислот, скорость и характер распада на вторичные продукты
окисления, способность сорбцироваться почвой.
Три основные группы факторов контролируют миграцию, трансформацию и
аккумуляцию НДМГ в почвах Центрального Казахстана. Первая --- факторы,
определяющие интенсивность выноса и рассеивания компонентов ракетного
топлива --- водно-физические свойства почв, углы наклона и степень
расчлененности поверхности, характер почвенно-растительного покрова. Вторая
группа факторов определяет формы и интенсивность преобразований компонентов
ракетного топлива --- это сезонные показатели и условия разложения и
преобразования топлива. К третьей группе относятся факторы, контролирующие
исходную емкость, интенсивность и прочность закрепления компонентов топлива
и его метаболитов (сорбционная емкость почв, их щелочно- кислотные и
окислительно- восстановительные условия, количество органического вещества,
катализаторы окисления компонентов ракетного топлива, геохимические
барьеры).
Автономные ландшафты мелкосопочника и пенепленов с почвами на элювии и
элювио-делювии коренных пород благоприятны для окисления и миграции НДМГ
с поверхностным и внутрипочвенным стоком. За первые месяцы после падения
остаточных частей ракет глубина проникновения НДМГ может достигать 1 метра
и более (рис. 24.2).
Рис. 24.2. Распределение НДМГ (I), гумуса (II) и рН (III) в почвах: (а) --- бурой пустынно-степной, 2 км
от места падения; (б) --- полугидроформном солончаке, 100 м от места складирования; (в) ---
гидроморфном солончаке, 150 м от места складирования. Геохимические горизонты солончаков: О ---
окислительные, В --- восстановительные; (г) --- гипсовые новообразования; 1 --- щебнистые суглинки,
2 --- суглинки, 3 --- тяжелые суглинки, глины, 4 --- уровень грунтовых вод (по Н.С. Касимову и др.).
На равнинах, сложенных водоупорными глинами и суглинками с бурыми
сильносолонцеватыми почвами, солонцами и солончаками, проникновение НДМГ
в почву затруднено и составляет в среднем 0 --- 15 см, что создает условия для
накопления НДМГ в верхних горизонтах почв и его миграции с поверхностным
стоком в долины рек, лога, местные депрессии.
В окислительных почвах автономных и трансэлювиальных ландшафтов
присутствие атмотехногенного НДМГ или поступившего во время разлива
топлива, вероятно, связано с поглотительной способностью почв. НДМГ
сорбируется пылеватыми частицами и может мигрировать в иллювиальные
горизонты, закрепляясь на сорбционном геохимическом барьере. При легком
механическом составе сорбция мала, что дает возможность перемещения НДМГ,
сорбированного на почвенных коллоидах как вглубь профиля, так и по
поверхности за счет ветровой эрозии. В почвах тяжелого механического состава с
высокой сорбционной емкостью НДМГ концентрируется на небольшой площади
поверхности почвы.
В почвах с переменным окислительно- восстановительным режимом ---
полугидроморфных и гидроморфных солонцах, солончаках, лугово-болотных и
аллювиально- луговых НДМГ, как правило, сохраняется. В засоленных почвах
основными факторами закрепления НДМГ являются их сорбционная способность,
окислительно- восстановительные и щелочно- кислотные условия. В луговых
солончаковых почвах НДМГ фиксируется в верхних гумусовых горизонтах с
сильнощелочной реакцией среды, способствующей увеличению сорбционной
способности почв (сорбционный барьер). В солончаках и гидроморфных солонцах
с переменным окислительно- восстановительным режимом и щелочной реакцией
НДМГ, как правило, закрепляется в нижней части профиля на восстановительном
и сорбционно- испарительном геохимических барьерах (в случае латерального
привноса НДМГ в подчиненные позиции с почвенно- грунтовыми водами), а также
на кислом барьере в "щелочном плече" при резком падении рН. В луговых и
Рис. 24.3. Схема путей миграции НДМГ в ландшафтах при разливе топлива. Обозначения: 1 --- место разлива топлива, 2 ---
зима: перенос НДМГ со снегом и консервация, 3 --- весна (период снеготаяния): перенос НДМГ с талыми водами, слабая
сорбция, испарение и окисление в поверхностных горизонтах почв, 4 --- весна (период вегетации): активное испарение с
поверхности почв, сорбция и проникновение в глубь почвенного профиля с дождевыми и талыми водами, захват НДМГ
растениями, 5 --- лето: захват НДМГ растениями из почв, испарение в поверхностных горизонтах почв, слабая сорбция, 6 ---
осень: поступление отмерших растений с сорбированным НДМГ на поверхность почвы. Типы ландшафтов: Э ---
элювиальный, ТЭ --- трансэлювиальный, ТА --- трансаккумулятивный, Са --- субаквальный. Почвы: Бу --- бурые пустынно-
степные, БуСн --- бурые солонцеватые, Сн --- солонцы, Скл--Скб --- солончаково-луговые и солончаки болотные. Типоморфные
элементы: Ca--Na и др.
лугово-бурых почвах основной причиной закрепления НДМГ служит
биогеохимический барьер --- повышенное содержание гумуса.
Таким образом, в почвах накопление НДМГ возможно на восстановительном
барьере в солончаках, гидроморфных солонцах, лугово-болотных почвах; на
кислом барьере --- в кислых солончаках; на сорбционном --- в иллювиальных
горизонтах бурых солонцеватых почв и солонцов; на биогеохимическом --- в
луговых и лугово-бурых почвах. В целом почвы Центрального Казахстана
представляют собой арену окислительного щелочного выщелачивания
компонентов ракетного топлива с поверхностей водосборов и их переотложения
на геохимических барьерах в подчиненных ландшафтах долин и котловин. В
геохимии НДМГ исключительную роль играет биогеохимическая аккумуляция, а
главным его концентратором является биогеохимический барьер --- гумусовые
горизонты почв. В почвах наиболее контрастные аномалии НДМГ формируются в
местах падений и складирования остаточных частей ракет, за их пределами
аномалии тяготеют к долинам рек и замкнутым котловинообразным понижениям.
НДМГ в водах. Питание грунтовых и поверхностных вод полигонов происходит
главным образом в весенний период, когда возникают временные водотоки и
небольшие озера.
В грунтовых водах присутствуют тетраметилгидразен, формальдегид и другие
продукты окисления НДМГ, в подземных водах НДМГ не обнаружен. Летом за
счет малого количества осадков и незначительного стока, а также высокой
испаряемости НДМГ активно окисляется кислородом воздуха или частично
закрепляется на геохимических барьерах почв, не проникая до уровня грунтовых
вод. Во время весеннего снеготаяния и половодья, когда резко возрастает
интенсивность поверхностного стока, создается промывной режим и
увеличивается содержание кислорода, водотоки обладают хорошей способностью
самоочищения. Благоприятным фактором миграции НДМГ является щелочная
реакция всех подземных и поверхностных вод, способствующая его интенсивному
окислению.
В мелкосопочнике с максимальным количеством падений остаточных частей
НДМГ мигрирует с дождевыми и талыми водами в местные водотоки, где его
содержание достигает 0,23 мг/л , т . е . 10 --- 11 ПДК. В поверхностных водах
концентрации НДМГ увеличиваются к концу весеннего периода, перед
установлением межени. Поскольку в поверхностных водах НДМГ быстро
окисляется, его постоянным источником являются почвы и грунты. Не менее
значимо аэрогенное поступление.
В снеге НДМГ обнаруживается прежде всего в долинах и ложбинах,
дренирующих места падений остаточных частей ракет. Здесь его концентрации
достигают 1,6 мг/л . Значительно меньше НДМГ (0,5 --- 1,5 ПДК) содержит снег за
пределами районов падений, что связано с аэрогенным разносом остатков топлива
при падении остаточных частей ракет. Таким образом, грунтовые и
поверхностные воды являются приемниками НДМГ и путями его миграции далеко
за пределы полигонов.
Накопление НДМГ в растениях. Оно зависит от семейства растений,
геохимических условий произрастания, близости источников поступления НДМГ
и его поступившего количества.
Содержание НДМГ в растениях полигонов падений ракет изменяется от 0,05 до
224 мг/кг (на сухое вещество). Наиболее часты концентрации от 0,2 до 0,3 мг/кг
(рис. 24.1), представляющие региональный уровень загрязнения районов падений.
Предельно допустимые нормативы для растений не установлены. Максимальные
концентрации НДМГ и наибольший процент загрязненных проб (более 50%)
установлены в местах падений остаточных частей ракет.
В отличие от почв, загрязненных преимущественно в местах падений,
растительность загрязнена на более значительной площади. В 50% проб растений,
отобранных на различном удалении от мест падений, уровни концентрации НДМГ
изменялись от 0,5 до 1,14 мг/ кг.
Обширность аномалий НДМГ в растительности полигонов обусловлена двумя
путями его поступления в растения: почвенным и атмосферным. Наиболее
контрастные аномалии (за исключением аномалий в местах падений), как и в
почвах, приурочены к долинам рек: растения из семейств сложноцветных и
маревых, произрастающие на солонцах, луговых солончаках и лугово- болотных
почвах особенно интенсивно поглощают НДМГ. В непосредственной близости от
полигона НДМГ обнаружен в 50% проб растений, в 20 км --- в 25% проб, в 40 км
--- в 20%. В овощах населенных пунктов обнаружены следующие концентрации
НДМГ: максимальные в моркови --- 0,65 мг/кг, в картофеле и томатах в среднем
0,28 мг/кг. Это указывает на значительную роль воздушной миграции НДМГ и
возможность загрязнения продуктов питания в радиусе нескольких десятков
километров от мест падения. Таким образом, как из почв, так и из воздуха
растения способны захватывать НДМГ во время его падения и интенсивного
испарения на полигоне. В отличие от почв, в которых НДМГ быстро окисляется,
растительность является лучшим индикатором рассеяния НДМГ, особенно в
элювиальных позициях, где нет условий для его сохранения в почвах. НДМГ в
почвах, подчиненных ландшафтов, как правило, определяет его содержание и в
растениях. В целом растительный покров автономных ландшафтов загрязнен
НДМГ меньше, чем подчиненных.
Контрастные аномалии НДМГ в ландшафтах мест падений и
складирования остаточных частей ракет. Максимальные содержания НДМГ
приурочены к зоне разброса наиболее крупных обломков ракет. Эпицентр
аномалий контролируется пятном разлива топлива, периферийная зона
формируется главным образом за счет аэрогенного рассеивания НДМГ в момент
взрыва компонентов ракетного топлива. В почве при проливе топлива
концентрации НДМГ могут достигать 18 мг/кг, в растениях --- 224 мг/кг. За
пределами распространения основной массы обломков концентрации НДМГ в
почве резко снижаются до 1,0---0,05 мг/кг. В отличие от почв площадь
загрязнения растений значительно шире: в 300 м от места падения в растениях
обнаружено 0,52 мг/кг. НДМГ при взрыве и возгорании топлива в почве, как
правило, немного --- 0,05 мг/кг, в растениях за пределами площади пожара
фиксируется аэрогенное загрязнение (0,2 мг/кг).
Аномалии НДМГ достаточно устойчивы: через полгода- год после падения
остаточных частей в почвах обнаруживается НДМГ, хотя его максимальные
концентрации значительно ниже и не превышают ПДК. В растениях также резко
снижаются максимальные значения, но все же сохранются на достаточно высоком
уровне (0,3---5,0 мг/кг). В результате в местах падений живые и отмершие
растения могут длительное время быть поставщиками НДМГ в ландшафт. В
поверхностных водах мест падений максимальные концентрации НДМГ
десятикратно превышают ПДК.
В местах складирования обломков ракет, свозимых с территории полигона,
загрязнение почв и растений значительно ниже, чем в местах падений: в почвах
максимальное содержание НДМГ достигает 0,6 мг/кг, в растениях --- 0,4 мг/кг.
Тем не менее эти места являются постоянно действующим источником
загрязнения и представляют значительную опасность для окружающей среды.
Существенно их положение в рельефе --- почвы и растения на более низком
гипсометрическом уровне в непосредственной близости от мест складирования
загрязнены сильнее.
Общая схема миграции и концентрации НДМГ в сухостепных и пустынных
ландшафтах (рис. 24.3). При падении остатков ракет зимой с разливом топлива в
условиях низких температур НДМГ консервируется в снежном покрове и
частично переносится метелями в автономные и подчиненные ландшафты:
аномалии расширяются. Весной НДМГ частично испаряется непосредственно на
месте разлива и переносится с талыми водами в местные депрессии, а также
сорбируется в оттаявших верхних горизонтах почв. В поверхностных водах НДМГ
окисляется, частично закрепляясь в донных отложениях.
В период вегетации и достаточно высоких температур НДМГ активно
испаряется и захватывается молодыми побегами растений как из почв, так и из
приземного слоя воздуха. Во время весенних ливней сорбированный почвенными
частицами НДМГ может проникать в глубь почвы, мигрировать с боковым стоком
и в трансаккумулятивных и субаквальных ландшафтах осаждаться на
биогеохимическом, сорбционном и восстановительном геохимических барьерах. В
водах в теплый период НДМГ окисляется и испаряется. Весной НДМГ
фиксируется практически во всех видах растений. Как и для микроэлементов, его
концентрация зависит от видовой биогеохимической специализации растений.
В сухое время года, при отсутствии новых падений, НДМГ аккумулируется
растениями преимущественно из почв. В почвах окислительного ряда он
трансформируется до продуктов окисления, частично сохраняясь в верхних
горизонтах почв на сорбционно-биогеохимическом барьере. Длительное время
НДМГ может сохраняться в почвах подчиненных ландшафтов с окислительно-
восстановительным и восстановительным режимом. Осенью при отмирании
растений он накапливается органическим веществом и с началом вегетации вновь
поступает из почв в растения. Летом при падении остаточных частей и разливе
топлива в условиях высоких температур НДМГ активно испаряется, захватывается
растениями и проникает в почву. Вероятность его латеральной миграции в
подчиненные ландшафты невелика из- за отсутствия поверхностного стока, но
возможен перенос с воздушными массами на значительные расстояния.
При падении остаточных частей возможны взрыв и возгорание топлива,
практически полное окисление НДМГ, который не фиксируется в почве. Растения,
сохранившиеся во время пожара, захватывают НДМГ из воздуха и в дальнейшем
являются источником его поступления в почву. В таких местах концентрации
НДМГ в почве и растениях минимальны.
Места складирования обломков остаточных частей ракет являются источниками
долговременного поступления НДМГ в почву и другие компоненты ландшафта с
дождевыми и талыми водами, площади загрязнения зависят от положения мест
складирования в ландшафте.
Высокая токсичность НДМГ требует проведения систематического контроля
его содержания во всех природных средах как в местах падений, так и на
сопредельных участках. Влияние комплекса природных факторов на содержание и
дальнейшую судьбу НДМГ создает необходимость применения ландшафтно-
геохимических методов при экологической оценке полигонов падения остаточных
частей космических ракет в северных и северо- западных регионах России.
Отсутствие в настоящее время объективной информации об эксплуатации
космодромов и полигонов не позволяет достоверно оценить масштабы
загрязнения территории России компонентами ракетного топлива.
Контрольные вопросы
1. Что такое НДМГ, каковы его свойства и токсичность?
2. Как мигрирует НДМГ в сухих степях и пустынях Центрального Казахстана?
Как изменяется миграция в зависимости от сезона года?
3. На каких геохимических барьерах концентрируются НДМГ и его
производные?
Глава 25
ГЕОХИМИЯ АКВАЛЬНЫХ ЛАНДШАФТОВ
Аквальные ландшафты (АЛ) представляют собой сложные динамические
системы, которые аккумулируют твердые и растворенные вещества, выносимые из
расположенных
гипсометрически
выше
автономных,
транзитных
и
супераквальных ландшафтов. АЛ включают в себя водную массу, живое вещество,
донные илы и занимают различные формы подводного рельефа. Термин
" аквальные ландшафты" предпочтительнее "
субаквальных (
подводных)"
ландшафтов, т . к . последний не включает водную массу с организмами,
растворенными и взвешенными минеральными и органическими веществами.
Геохимия металлов в аквальных внутриконтинентальных и прибрежно- морских
геосистемах изучена достаточно хорошо (В.Е. Артемьев, В.В. Батоян, В.В.
Гордеев, Дж. Мур, С. Рамамурти, А.Д. Хованский, Е.П. Янин, U. Fцrstner, W.
Salomons, G. Wittmann и многие другие).
25.1. Аквальные ландшафты в каскадных системах
Аквальные ландшафты --- это конечные звенья или блоки каскадных систем
различного порядка: от простых --- катен, где они служат приемниками
миграционных потоков с элементарных водосборов, до самых сложных ---
ландшафтно- геохимических арен, в которых аквальные ландшафты представлены
крупными реками и озерами, куда поступают вещества с большой водосборной
площади. Самая крупная ЛГС --- континент --- океан, где аквальные ландшафты
дельт, эстуариев и прибрежных морей принимают весь твердый и растворенный
сток с континентов.
Цивилизация в значительной степени сформировалась по берегам рек, озер и
морей. Поэтому во многих районах мира аквальные ландшафты в течение
длительного времени испытывают техногенное воздействие, в них поступают
потоки зягрязняющих веществ. Использование в ядерных реакторах больших
количеств воды для охлаждения вызвало их размещение на берегах водоемов, что
определило их первоочередное загрязнение радионуклидами вблизи Чернобыля,
Челябинска-65, Томска-7, Красноярска, в районах испытаний атомного оружия
(Семипалатинск) и использования ядерных взрывов для хозяйства (Якутия,
Поволжье, Пермская обл. и др.). Экологические последствия радиации в наземных
и аквальных ландшафтах хорошо изучены Н .В. Тимофеевым-Ресовским, А.М .
Кузиным, Д.А. Криволуцким, Ф.А. Тихомировым и др.
Считается, что по состоянию аквальных ландшафтов можно оценить состояние
природной среды и степень техногенной нагрузки на ландшафты всего водосбора.
Особенно сильное воздействие на аквальные ландшафты оказывают прибрежные
промышленные города. Изучение системы "
город --- водоем" важно при
комплексной эколого- геохимической оценке урбанизированных территорий.
Поэтому ниже рассматриваются геохимические особенности аквальных
ландшафтов, определяемые в основном промышленным техногенезом. Среди них
преобладают открытые каскадные ЛГС рек, водохранилищ и морей, в большей
степени используемые человеком. Аквальные ландшафты озер в замкнутых КЛГС
бессточных впадин, хотя и находятся под влиянием концентрированного стока
водосборных бассейнов, расположены в основном в непромышленных районах и
менее подвержены техногенезу. Это относится и к болотным ландшафтам.
25.2. Техногенез в аквальных ландшафтах
В таблице 25.1. приводятся основные геохимические последствия техногенеза
в аквальных ландшафтах. Особую опасность для АЛ создают радиоактивные
выбросы и стоки от ядерных испытаний на полигонах, деятельности ядерно-
химических комбинатов, атомных станций.
Таблица 25.1.
Техногенез в аквальных ландшафтах
25.3. Геохимическая структура и систематика аквальных ландшафтов
Как и наземные, аквальные ландшафты имеют определенную радиальную и
латеральную геохимическую структуру, позволяющую проводить их
геохимическую систематику. Представления Б .Б. Полынова об элементарных
ландшафтах можно использовать и при изучении АЛ. По А .Д. Хованскому,
аквальные элементарные ландшафты представляют собой участки с одинаковыми
растительными сообществами, расположенные на однородных элементах
подводного рельефа, в пределах которых формируется определенный тип донных
отложений. При выделении элементарных АЛ учитываются видовой состав,
биомасса и продуктивность растительности, окислительно- восстановительные,
щелочно- кислотные условия и типоморфные элементы воды и донных отложений,
подводный рельеф и гидродинамический режим, тип донных отложений.
Автономные позиции в АЛ не выделяются. Элементарные АЛ в основном
являются транзитными и аккумулятивными.
Закономерное сочетание компонентов АЛ по вертикали формирует его
радиальную геохимическую структуру.
25.3.1. Компоненты аквального ландшафта
Аквальный ландшафт представляет собой сложную динамическую систему,
состоящую из воды, биоты (гидробионтов и бентических организмов), ила
(донного осадка --- подводной почвы), связанных между собой потоками вещества
и энергии. Рельеф дна (формы донного рельефа, площадь и глубина водоема)
определяет размещение различных элементарных АЛ в пределах подводных катен
и многие их геохимические свойства.
Воды. Основные геохимические особенности природных вод определяются
содержанием растворенных газов (O2, N2, CO2, CH4, H2S и др.), щелочно-
кислотными условиями и ионным составом воды (Н+ , ОН-, HCO3, SO4 2-, Cl-,
Ca2+, Mg2+, Na+), их минерализацией (ультрапресные, пресные, солоноватые,
соленые воды, рассолы), содержанием растворенного и взвешенного
органического вещества и его составом. На этой основе В.И . Вернадский
разработал подробную геолого- геохимическую классификацию природных вод,
включающую 480 их видов. Ученый считал, что такая классификация должна
учитывать не только геохимические особенности вод, но и физико- геологические
условия и характер водовместилищ. На этом основании он выделял
поверхностные, подземные и глубинные воды, озерные, болотные, речные,
пластовые и другие воды.
В дальнейшем были предложено несколько химических классификаций вод, из
которых широким распространением пользуется классификация О.А. Алекина по
преобладающему аниону и катиону и соотношению между главными ионами (рис.
25.1.), где I --- IV следующие типы вод:
I---HCO3->Ca2++Mg2+,
II---HCO3-<Ca2++Mg2<HCO3-+SO42-,
III---HCO3-+SO42-<Ca2++Mg2+илиCl->Na+,
Рис. 25.1. Классификация природных вод по преобладающему аниону и катиону и
соотношению между главными ионами (по О.А. Алекину).
IV---HCO32=O.
Таблица 25.2.
Таксоны геохимической классификации природных вод
(по А.И. Перельману)
Т и п ы в о д. В пределах первой группы наибольшие геохимические различия вод зависят от
их окислительно-восстановительных условий. Как и для всех биокосных систем, для
поверхностных вод и других компонентов аквального ландшафта выделяется три типа:
окислительный (
кислородный), восстановительный глеевый и восстановительный
сероводородный.
Кислородные поверхностные воды. Кислород в них поступает из атмосферы и
за счет фотосинтеза водных растений, главным образом водорослей.
Подавляющая часть поверхностных вод относится к этому типу. Его основными
геохимическими особенностями является наличие сильного окислителя ---
свободного кислорода, обеспечивающего нахождение элементов переменной
валентности --- железа, серы, марганца и др. в высоких степенях окисления. Для
одних элементов это означает повышение миграционной способности (S, Cu), для
других --- уменьшение (Fe, Mn). Окисление органических и минеральных
соединений в этих условиях происходит при участии аэробных бактерий.
В кислородных водах особенно подвижны элементы переменной валентности,
мигрирующие в виде анионных комплексов типа МоО42-, CrО 42- и др. На
миграцию элементов с постоянной валентностью, например гидролизатов (Y, Sc,
Zr, редкие земли), а также галогенов, щелочных и щелочно- земельных металлов
окислительно- восстановительные условия не оказывают прямого воздействия.
Напротив, Fe, Mn более подвижные в низких степенях окисления, слабее
мигрируют в кислородных водах. При смешении восстановительных вод с
окислительными формируются кислородные геохимические барьеры А.
Глеевые воды. Как и в почвах, среди природных вод выделяются
восстановительные глеевые воды. Их характерными признаками служат низкие
значения окислительно- восстановительного потенциала, отсутствие сероводорода,
разложение органических остатков без доступа свободного кислорода,
присутствие метана и прочих углеводородов, двухвалентное железо, водород. В
этих водах легко мигрируют многие металлы, часто в форме органических
комплек
При геохимической систематике вод, кроме ионного состава и минерализации
необходимо учитывать также температуру, окислительно- восстановительную и
щелочно- кислотную обстановку вод, содержание растворенного органического
вещества и некоторые другие параметры, определяющие интенсивность миграции
и формы нахождения химических элементов (табл. 25.2. и 25.3). Таблица 25.3.
Геохимическая классификация природных вод (по А.И. Перельману)
Г р у п п ы в о д. Температура --- важнейший фактор, определяющий условия
миграции атомов, формы нахождения элементов в водах, скорость химических
реакций, возможность жизнедеятельности организмов. Она положена в основу
выделения самых крупных таксонов --- четырех групп вод (табл. 25.3):
Холодные и слаботермальные воды верхней части земной коры --- это наиболее
распространенные воды зоны гипергенеза и биосферы, в том числе подавляющего
большинства аквальных ландшафтов с температурой не более 50°С.
Т и п ы в о д. В пределах первой группы наибольшие геохимические различия вод зависят
от их окислительно-восстановительных условий. Как и для всех биокосных систем, для
поверхностных вод и других компонентов аквального ландшафта выделяется три типа:
окислительный (
кислородный), восстановительный глеевый и восстановительный
сероводородный.
Кислородные поверхностные воды. Кислород в них поступает из атмосферы и
за счет фотосинтеза водных растений, главным образом водорослей.
Подавляющая часть поверхностных вод относится к этому типу. Его основными
геохимическими особенностями является наличие сильного окислителя ---
свободного кислорода, обеспечивающего нахождение элементов переменной
валентности --- железа, серы, марганца и др. в высоких степенях окисления. Для
одних элементов это означает повышение миграционной способности (S, Cu), для
других --- уменьшение (Fe, Mn). Окисление органических и минеральных
соединений в этих условиях происходит при участии аэробных бактерий.
В кислородных водах особенно подвижны элементы переменной валентности,
мигрирующие в виде анионных комплексов типа МоО42-, CrО 42- и др. На
миграцию элементов с постоянной валентностью, например гидролизатов (Y, Sc,
Zr, редкие земли), а также галогенов, щелочных и щелочно- земельных металлов
окислительно- восстановительные условия не оказывают прямого воздействия.
Напротив, Fe, Mn более подвижные в низких степенях окисления, слабее
мигрируют в кислородных водах. При смешении восстановительных вод с
окислительными формируются кислородные геохимические барьеры А.
Глеевые воды. Как и в почвах, среди природных вод выделяются
восстановительные глеевые воды. Их характерными признаками служат низкие
значения окислительно- восстановительного потенциала, отсутствие сероводорода,
разложение органических остатков без доступа свободного кислорода,
присутствие метана и прочих углеводородов, двухвалентное железо, водород. В
этих водах легко мигрируют многие металлы, часто в форме органических
комплексов. Глеевые воды характерны для аквальных ландшафтов заболоченных
гумидных низменных равнин, участков гниения водорослей и т . д.
Сероводородные воды характерны для илов соляных озер, морей и океанов.
Сероводородом богаты воды Черного моря (глуже 200 м), некоторые фиорды
Норвегии. В водах сероводород может находиться в виде свободного и
растворенного газа, а также в диссоциированной форме с образованием ионов НS-
, реже S2-
. Существует равновесие (H2S H+ + HS- S2- + H+), зависящее от
кислотности: в сильнокислых водах преобладает Н2S, в нейтральных и
слабощелочных --- HS-, в сильнощелочных --- S2-
.
Основная роль в генерировании сероводорода, как известно, принадлежит
сульфатредуцирующим бактериям, которые разлагают органические вещества и
сульфаты с выделением углекислого газа и сероводорода согласно упрощенной
схеме:
3Na2SO4 + C6H12O6 Х 3Na2Co3 + 3H2O + 3CO2 + 3H2S + Q.
Для бактерий данная реакция играет роль дыхательного акта: отнимая кислород
у сульфатов, они окисляют им органические вещества. Восстановленная сера
выделяется в форме H2S, а окисленный углерод --- в виде СО2. Сульфатредукция
протекает только там, где уголь, гумус, торф, битумы и другие органические
вещества разлагаются в присутствии сульфатов без доступа свободного
кислорода.
Многие халькофильные элементы теряют подвижность в сероводородных водах
за счет образования нерастворимых сульфидов (хотя в щелочных водах известны
достаточно растворимые формы металлов с НS-). Поэтому в морских илах, илах
соляных озер формируется сероводородный геохимический барьер --- В, на
котором осаждаются Pb, Zn, Cu, Mo, Ni, другие тяжелые металлы. В
восстановительных условиях показателем перехода глеевой обстановки в
сероводородную является содержание железа соответственно в двухвалентной
подвижной или сульфидной формах.
К л а с с ы в о д. В пределах типов геохимические различия вод определяются
щелочно- кислотными условиями. Как известно, многие металлы, образующие
катионы, легко мигрируют в кислых водах и плохо --- в щелочных (Ca, Sr, Ba, Co,
Mn, Ni, и др.). Si, Ti, Ge, V, As, Cr, Se, Mo, и другие элементы, образующие
анионы, как правило, лучше мигрируют в щелочных водах. И лишь сравнительно
небольшая группа элементов подвижна и в кислых, и в щелочных водах --- Cl, Br,
Na и некоторые другие, образующие легкорастворимые соли.
По значениям рН выделяются четыре класса вод:
Сильнокислые
рН<3---4
Слабокислые
(3-4) --- 6,5
Нейтральные и слабощелочные
6,5 --- 8,5
Сильнощелочные
> 8,5
Причины формирования геохимических классов вод описаны в четвертой главе.
С е м е й с т в а в о д. Они выделяются по величине общей минерализации.
Границы между семействами достаточно условны, ниже они приводятся по ГОСТу
1985 г . "Качество вод. Термины и определения".
Ультрапресные воды практически не насыщены минеральными соединениями, в
связи с чем в них не происходит осаждение солей. Обладают большой
растворяющей способностью. Принятая граница ультрапресных вод --- 100 мг/л .
Пресные воды (до 1 --- 1,5 г/л) характерны для большинства рек и озер
влажного климата. Они хорошо изучены и составляют главную базу питьевого и
технического водоснабжения.
Солоноватые воды (1 --- 10 г/л) широко распространены в степях, саваннах,
пустынях. Они насыщены CaCO3, MgCO3 и частично CaSO4. Поэтому их
растворяющая способность ослаблена, при повышении концентрации из них
осаждаются труднорастворимые соли. По величине минерализации среди
солоноватых вод можно выделять подсемейства слабосолоноватых (1 --- 2 г/л),
солоноватых (2 --- 5 г/л) и сильносолоноватых (5 --- 10 г/л) вод. Последние по
своим физико- химическим параметрам приближаются к морским водам.
Соленые воды (10 --- 50 г/л). Это самые распространенные воды нашей планеты.
К ним относятся океанические и многие поверхностные воды аридных и
субаридных областей континентов.
Рассолы (> 35(50) г/л) характерны для соляных озер и некоторых участков
морских впадин, где разгружаются глубинные гидротермальные рассолы. Рассолы
являются источником солей и многих редких элементов --- J, Br, B, Li, W и др.
Р о д ы в о д. Выделяются четыре рода вод по содержанию в них органических
веществ, определяющих поведение и формы нахождения многих химических
элементов.
1. Воды, богатые растворенными органическими веществами гумусового ряда.
Это многие воды таежных, тундровых и тропических болот, рек и озер. Для них
характерны гуминовые и фульвокислоты, прочие органические соединения.
2. Воды, богатые органическими веществами нефтяного ряда. Они
встречаются в нефтегазоносных бассейнах. В составе растворенных органических
веществ преобладают низкомолекулярные жирные кислоты, нафтеновые кислоты,
бензол, толуол, фенолы, спирты, сложные эфиры. Есть и вещества гуминового
ряда.
3. Воды, бедные растворенными органическими соединениями. Это некоторые
горные реки, воды аридных районов, высокогорных озер и т .д.
4. Воды, промежуточные по содержанию растворенных органических веществ.
К ним относятся океанические и многие другие воды.
В и д ы в о д. Последний таксон выделяется по преобладающим ионам, на
основе шестикомпонентного состава. Большинство авторов выделяют по
анионному составу гидрокарбонатные (карбонатные), сульфатные и хлоридные
воды. Дальнейшее деление, возможно, на подвиды по катионам и соотношению
ионов. Для разделения вод по ионному составу используются классификации О.А .
Алекина, М.Г. Валяшко, А.М. Овчинникова, Н.И. Толстихина, С.А. Щукарева и
др. Таким образом, гидрокарбонатные кальциевые, хлоридные натриевые и
прочие воды представляют собой различные виды.
Живое вещество и биогеохимические процессы. Наряду со взвешенным и
растворенным минеральным веществом реки выносят в моря и океаны огромные
массы органического вещества (ОВ). Различают растворенное (РОВ или СР) и
взвешенное (ВОВ или СВ) органические вещества, которые являются основными
регуляторами химических, геохимических и биогеохимических процессов в
аквальных ландшафтах. По Е. Дегенсу, наибольшие потоки взвеси, СР и СВ рек
поступают в моря и океаны в экваториальной гумидной зоне --- соответственно
75,8 и 90,2% от глобального стока (масса СР в водах океана в 30 раз больше, чем
масса СВ: 950.1015г и 30.1015 г).
Содержание ОВ и соотношение его форм в реках зависит от климатических,
ландшафтно- геоморфологических и техногенных факторов. В устьях равнинных
рек ОВ находится в основном в растворенной форме, в горных реках преобладает
взвешенная форма.
На геохимические процессы в АЛ приоритетное влияние оказывает живое
вещество, которое осуществляет две главнейшие функции.
Концентрационная функция --- аккумуляция организмами растворенных
химических элементов значительно облегчена в водной среде по сравнению с
наземными ландшафтами. Поэтому водные организмы --- гидробионты, особенно
морские, являются, как правило, более активными концентраторами многих
химических элементов, чем наземные организмы (рис. 25.2.). Важное значение
трофическому уровню пищевой
Рис. 25.2. Соотношение средних концентраций рассеянных элементов в
растительности моря и суши (по В . В . Добровольскому). Величина отношения:
сплошная линия --- концентрация в растениях моря
пунктир --- концентрация в растениях суши.
Трансформационная функция живого вещества заключается в изменении форм
нахождения химических элементов при переходах в системе вода --- биота ---
донные отложения, переводу их в более подвижную (разложение органического
вещества, образование органо- минеральных комплексов) или менее подвижную
форму (сорбция металлов органической взвесью и донными органогенными
илами, биогенная аккумуляция организмами и т .д .).
Живое население АЛ представлено планктоном, нектоном и бентосом.
Планктон --- совокупность организмов, пассивно плавающих в водоемах. В
пресноводных водоемах фитопланктон состоит из диатомовых, сине- зеленых и
зеленых водорослей, а зоопланктон --- из рачков и коловраток. Выделяется и
бактериопланктон. Фитопланктон --- основной продуцент органического вещества
в водоемах. Его суммарная биомасса невелика по сравнению с биомассой
зоопланктона (6 --- 8%), но из- за быстрого размножения продукция
фитопланктона почти в 10 раз больше суммарной продукции всего животного
населения Мирового океана. Фитопланктон --- начальное звено биогеохимических
циклов многих элементов в водоемах. Распределение химических элементов в
планктоне, водах и донных осадках водоемов суши хорошо коррелирует, что
определяет высокое индикационное значение планктона для оценки
экологического состояния аквального ландшафта.
Нектон представлен свободно плавающими млекопитающими, рыбами и
крупными беспозвоночными. Трофические взаимоотношения и биогеохимические
цепи между ними изучены Л.А. Зенкевичем, Ю. и Г. Одумами и другими
экологами. Для оценки экологического состояния аквальных ландшафтов важное
значение имеет биогеохимический анализ распределения тяжелых металлов и
других загрязняющих веществ в рыбах в зависимости от способа их питания и
органа, содержания элементов в водах, физико- химических параметров вод и
донных осадков. Считается, что в хищных рыбах микроэлементы накапливаются
меньше, чем в планктофагах и бентофагах. Исключение составляет ртуть, которая
на порядок и более накапливается в крупных хищниках. Органы рыб,
контактирующие с водой и служащие своеобразными барьерами или фильтрами
(кожа, чешуя, жабры, плавники), а также некоторые внутренние органы, особенно
печень, избирательно накапливают многие микроэлементы. Содержание
химических элементов в рыбах претерпевает сезонные колебания и изменяется на
протяжении жизненного цикла.
Важное геохимическое значение имеет поверхностная пленка на границе воздух
--- вода. Водные организмы этой (0 --- 5 см) зоны называются нейстоном. Воды
здесь поглощают инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, это зона сгущения
жизни, в первую очередь бактерий, количество которых в пленке в 500 раз
больше, чем на глубине (М.В . Горленко и др.). На контакте воздух --- вода
действуют силы поверхностного натяжения, на него поступают атмосферные
аэрозоли, несущие тяжелые металлы, пестициды и другие поллютанты. Широко
известно поверхностное загрязнение водоемов нефтью даже при попадании в них
незначительных количеств нефтепродуктов. Приповерхностная пленка --- это
комплексный двусторонний геохимический барьер ---
кислородный,
термодинамический, биогеохимический и др., на котором осаждаются химические
элементы из воздушной и водной сред.
Бентос --- это организмы, обитающие на дне водоема и в донных илах.
Различают фитобентос, представленный на мелководьях в основном макрофитами
--- водными растениями, прикрепленными к грунту (
водоросли, камыш,
роголистник, тростник и др.) и зообентос --- животные, передвигающиеся по
поверхности грунта (моллюски, ракообразные), прикрепленные к грунту (губки,
кораллы и др.) и обитающие в нем (
черви, моллюски, иглокожие) и
многочисленные бактерии.
Илы (донные отложения, подводные почвы). В строении и свойствах илов
проявляются две стороны подводного осадконакопления и почвообразования. С
одной стороны, илы подчиняются закономерностям литолого- геохимической и
гидродинамической дифференциации осадочного процесса в качестве
современного геологического образования --- донного осадка. С другой --- бик и
процессы радиальной дифференциации, приводящие к расчленению ила по
вертикали на горизонты, сближают его с почвой. "Ил.. . является природным
телом, у которого существует очень глубокая аналогия с почвой. Это подводные
почвы, где гидросфера занимает место атмосферы", --- писал в 1936 г . В.И .
Вернадский. Как и почвы, илы зависят от климатических, главным образом
термических условий и в своем размещении подчиняются закону зональности.
Как и почвы, илы --- это неравновесные динамические биокосные системы,
богатые свободной энергией. В формировании многих типов илов важную роль
играет живое и мертвое органическое вещество, они содержат огромное
количество микроорганизмов, разлагающих органические остатки, содержат
много коллоидов. Илы насыщены водой, важную роль в их геохимии играют
окислительно- восстановительные и сорбционные процессы.
Литологическиетипыилов.Многиегеохимическиеособенности
субаквального ландшафта определяются литологией илов, соотношением
основных компонентов осадка --- минерального силикатного вещества, карбонатов
кальция и магния, органического вещества. Так, для озер Белоруссии (лесная
зона) выделяются следующие генетические типы, группы и разновидности
отложений (табл. 25.4.).
Таблица 25.4.
Классификация отложений современных озер Белоруссии
(по А.Л. Жуховицкой и В.А. Генераловой, с изменениями)
Литологические и геохимические разновидности илов образуют в озерах концентрические
зоны (рис. 25.3.), в общем соответствующие смене аквальных ландшафтов подводной части
ландшафтно-геохимической катены. Каждая зона имеет особый вертикальный профиль
Рис. 25.3. Распределение органического вещества (I) и карбонатов (II) в поверхностном слое
осадков оз.Сенно в Белоруссии (%): 1 --- 0--5%; 2 --- 5--15; 3 --- 15--25; 4 --- 25--30% (по А.Л.
Жуховицкой и В.А. Генераловой).
осадка. Литологический и минералогический состав илов определяет главным образом
уровни содержания химических элементов, уменьшающиеся для большинства тяжелых
металлов в ряду: глина --- алеврит --- песок. С литологическими свойствами связаны многие
геохимические особенности донных отложений.
Геохимическиеклассыподводныхпочв.Геохимичес-к
и е г о р и з о н т ы . В вертикальном профиле ила выделяются горизонты с
определенными величинами Eh и рН, преобладанием той или иной формы
элементов,
специфическими
вторичными
минералами.
Верхняя
нелитифицированная часть донного осадка с четкой геохимической
контрастностью представляет собой подводную почву. Ниже ее залегают
литифицированные осадки с более стабильной геохимической обстановкой. Среди
подводных почв (илов) в морских и пресноводных водоемах с наиболее
распространенной нейтральной и слабощелочной реакцией среды выделяются три
геохимических класса и соответствующие им горизонты (А .И. Перельман, В.В .
Батоян).
Окислительные илы образуются в морях, озерах, реках, водохранилищах, где
господствуют кислородные воды, создаются условия для перемешивания вод.
Особенно характерны окислительные условия для песчано- алевритовых осадков
прибрежных зон, в которых мало органических остатков. Окислительный
горизонт (О) обычно располагается у поверхности дна, его мощность от
миллиметров до первых десятков сантиметров (
в зависимости от
гранулометрического состава и глубины водоема). Он имеет желтую, бурую и
красную окраску за счет окисленных форм железа. При нейтральных рН значения
Eh обычно ( --- 50) --- (+150) мВ. По щелочно- кислотным условиям выделяются
сильнокислые, кислые, нейтральные и слабощелочные и сильнощелочные
разновидности окислительных илов.
Глеевые илы характерны для водоемов влажного климата, например, озер
тундры, тайги, влажных тропиков. В этих ландшафтах продуцируется много
органического вещества, для окисления остатков растений и животных не хватает
кислорода. Сульфатов в водах мало, и в илах развивается восстановительная
обстановка без сероводорода, железо и марганец восстанавливаются, формируется
глеевый горизонт (G) темно- серого, сизого, зеленоватого и охристо- сизого цвета.
Карбонатные глеевые илы характерны для лесостепной и северной части степной
зоны.Ehв горизонтеG(---0)---(---150)мВ.
Типичным проявлением глеевых илов является сапропель, содержащий до 90%
и более органического вещества.
В профиле подводной почвы глеевый горизонт обычно залегает под
окислительным горизонтом О, нередко между ними формируется переходный
горизонт (OG) с менее восстановительными условиями. Под глеевым горизонтом
обстановка часто становится более окислительной, под ним формируется другой
переходный горизонт (GO), ниже которого обычно залегает окисленная
литифированная порода.
Сероводородные (сульфидные) илы формируются в сульфатных водоемах
степной и пустынной зон, где развивается десульфуризация, продуцируется H2S,
образуется водный сульфид железа --- гидротроилит, имеющий черный цвет. В
соленых озерах черный гидротроилитовый горизонт (GFeS) с ощутимым запахом
сероводорода залегает обычно под маломощным окисленным горизонтом и имеет
очень изменчивую мощность (
от мелких пятен диаметром в несколько
сантиметров до первых десятков сантиметров). Он характеризуется наиболее
восстановительными условиями --- Eh в среднем ( --- 100) --- ( --- 200) мВ, иногда
и ниже. Системой переходных горизонтов (OGS, GFeS2, GOS) он связан с выше- и
нижележащими, как правило, более окисленными слоями.
В аквальных ландшафтах окислительные, глеевые и сероводородные классы и
горизонты илов закономерно сочетаются в пределах подводной катены (рис.
25.4.), хотя отдельный класс может распространяться на сотни квадратных
километров дна, а набор горизонтов профиля может меняться. Особенно важное
значение для концентрации химических элементов имеют границы между
горизонтами, где формируются геохимические барьеры.
Рельеф. Многие особенности механической миграции в АЛ определяются их
подводным режимом и гидродинамическим режимом. С этим связаны различные
условия транспортировки и осаждения взвешенных (переносимых речным
потоком) и влекомых (перемещающихся в придонном слое) наносов. Для
механической миграции и формирования подводного рельефа важен сток
взвешенных и влекомых наносов. Главная роль обычно принадлежит взвешенным
наносам, на долю которых приходится 90 --- 95% суммарного стока наносов рек.
В формировании различных форм подводного рельефа велика роль русловых
процессов, обусловленных как гидравлическими особенностями потоков, так и
ландшафтно- климатическими факторами. Важно и геолого- геоморфологическое
строение водосбора.
Морфо- гидродинамические особенности самой реки (
скорость течения,
количество взвешенных и влекомых наносов, мутность, глубина и ширина русла,
его морфология и т .д .) определяют образование разнообразных ультрамикроформ
(рябь, рифели), микроформ (дюны), мезоформ (песчаные волны, гряды, осередки).
Гряды образуют перекаты, которые вместе с расположенными между ними
понижениями --- плесами формируют на реках миграционные системы ---
подводные катены типа перекат- плес. Перекаты обычно сложены легкими
гравийными и песчаными наносами, в плесах, особенно в межень, происходит
седиментация песчано- алевритовых и глинистых илов. Геохимически наиболее
Рис. 25.4. Геохимические классы подводных почв в пресных водоемах с нейтральной реакцией
среды. Геохимические горизонты: 1 --- окисленный постоянно; 2 --- окисленный периодически; 3
--- переходный глеевый; 4 --- глеевый; 5 --- подстилающий глеевый; 6 --- насыщенный
углеводородами (газированный ил), глеевый; 7 --- насыщенный углеводородами переходный; 8 ---
гидротроилитовый; 9 --- переходный сульфидный; 10 --- пиритовый; 11 --- переходный от
пиритового к литифицированным отложениям; 12 --- граница между илами и
литифицированными породами (по В В Батояну)
информативны плесы и развитые там более мощные и тонкие по
гранулометрическому составу донные отложения.
К макро- и мегаформам руслового рельефа относятся излучины, русловые
острова, пойменные и дельтовые разветвления. На их формирование влияют
ландшафтно- климатические
и
геолого- геоморфологические
особенности
водосборов. Систематика и географическая обусловленность форм подводного
речного рельефа описаны во многих работах Н.И. Маккавеева и его учеников ---
Р.С. Чалова, Н.И. Алексеевского, А.Ю. Сидорчука и др.
В озерах и прибрежных зонах морей подводный рельеф является продолжением
наземных каскадных систем различной размерности --- от катен до материкового
склона. В ландшафтно- геохимическом отношении наиболее интересна прибрежная
мелководная литоральная зона, характеризующаяся наибольшей биологической
продуктивностью. В озерах она располагается на глубинах до 3 --- 7, реже 10 ---
12 м . Глубже литорали находится сублитораль, или подводный откос. В морях эта
зона простирается до глубины существования фотосинтезирующих организмов и
совпадает с континентальным шельфом (около 200 м). Дно озера называется
профундалью. В морях ниже сублиторали на глубинах 200 --- 1500 (2000) м
расположен материковый склон, практически не испытывающий (
кроме
подводных дельт крупнейших рек) влияния стока веществ с континентов.
Естественно, что в пределах названных зон существуют разнообразные микро-,
мезо- и макроформы подводного рельефа (дюны, гряды, впадины, каньоны и др.).
Таким образом, как и в наземных ландшафтах, подводный рельеф
перераспределяет вещества между различными гипсометрическими уровнями
аквального ландшафта, создавая миграционные каскадные системы (перекат- плес,
литораль- сублитораль- профундаль и т .д.). Степень дискретности таких систем
значительно меньше, чем на суше.
25.3.2. Геохимическая систематика аквальных ландшафтов
Аквальные ландшафты Б.Б . Полынов рассматривал в качестве члена
геохимического сопряжения элементарных ландшафтов: элювиальный ---
супераквальный --- аквальный (по Полынову --- субаквальный). С этих позиций
АЛ входит в состав геохимического ландшафта или ландшафтно- геохимической
катены. Однако крупные реки, озера, прибрежная область моря и т .д. не являются
составными частями конкретного геохимического ландшафта. Поэтому
необходима самостоятельная геохимическая систематика АЛ, первое приближение
которой изложено ниже.
Аквальные ландшафты в целом можно противопоставить наземным (аэральным,
субаэральным). Высокий ранг такого деления (
наземные --- аквальные
ландшафты) не противоречит действительности, т . к ., например, реки Лена и Нил
имеют больше общего, чем Лена и прилегающая тундра или Нил и соседняя
пустыня. Главное в систематике АЛ --- динамический критерий, по которому
выделяются три порядка: реки, озера и водохранилища, прибрежная область
моря. Это деление в общем соответствует принятому в гидрологии.
Типы АЛ, как и у наземных ландшафтов, в основном определяются климатом,
хотя имеется и существенное различие. Тип наземных ландшафтов в основном
определяется режимом тепла и влаги, в то время как для АЛ главное значение
имеет термический режим. Очень важно подчиненное положение АЛ и
поступление в них вещества из наземных ландшафтов, особенно наиболее
подвижных --- растворенного органического вещества (РОВ) и растворимых
солей. С этих позиций АЛ материков подчиняются зональности, которая однако
сильно отличается от зональности наземных ландшафтов. Так, в аридных
регионах дифференциация наземных ландшафтов особенно сильно зависит от
количества выпадающих осадков (черноземные степи --- сухие степи --- пустыни),
в то время как для АЛ данный фактор не имеет существенного значения, т .к . во
всех зонах они связаны с водной средой. Выделяется 5 основных типов АЛ:
1. АЛ полярных пустынь и ледниковых озер с низким содержанием живого
вещества.
2. АЛ гумидных территорий холодного и умеренного климата с большой ролью
РОВ в водах. Это АЛ тундры, лесотундры, тайги и подтаежной зоны. Данный тип
делится на два подтипа: 2а --- АЛ немерзлотных районов и 2б --- АЛ районов с
многолетней мерзлотой.
3. АЛ гумидных тропиков и субтропиков с большой ролью РОВ в водах.
4. АЛ зоны широколиственных лесов и лесостепи.
5. АЛ аридных и субаридных регионов с относительно малой ролью РОВ.
5а . Внетропические АЛ (черноземные степи, сухие степи, бореальные пустыни).
5б. Тропические АЛ (сухие саванны, тропические пустыни).
Главная особенность типов АЛ --- биогенная миграция (бик). При ее
характеристике учитывается видовой состав, биомасса и продуктивность
растительных сообществ. В соответствии с традиционным делением наземных
водоемов по трофности В.В. Батоян различает олиготрофный, мезотрофный,
эвтрофный и дистрофный типы АЛ. А.Д. Хованский для юга европейской России
и Украины
выделил формации
---
тростниковые,
пресноводные,
солоноватоводные, солоноватоморские, морские планктонных водорослей и др. с
низкой (0,1 --- 0,3 гС/кв. м . сут.), средней (0,3 --- 2 гС/кв. м . сут.) и высокой (0,7
--- 3 гС/кв. м . сут.) продуктивностью.
Классы АЛ рационально выделять по физико- химическим условиям вод и
донных отложений, к важным параметрам которых относятся окислительно-
восстановительные и щелочно- кислотные условия. По вертикали в аквальных
ландшафтах, как правило, формируется окислительно- восстановительная
зональность. Кислородная обстановка в верхних горизонтах сменяется глеевой
или сероводородной в придонных горизонтах воды и в илах. Это смена
происходит как резко на расстоянии первых сантиметров, так и с формированием
переходных горизонтов. Границы могут располагаться в воде, на контакте воды и
илов, в самих илах.
По сочетанию окислительно- восстановительных условий в вертикальном
профиле АЛ А.Д. Хованский выделил следующие классы.
Кислородный --- окислительная обстановка в водной толще и илах.
Кислородно- глеевый слабовосстановительный --- окислительная обстановка в
воде и в верхнем горизонте ила и восстановительная глеевая в нижнем.
Кислородно- глеевый --- окислительная обстановка в воде и восстановительная
глеевая в илах.
Глеевый --- окислительная обстановка в верхних горизонтах воды и
восстановительная глеевая в придонных водах и илах.
Кислородно- сероводородный слабовосстановительный --- окислительные
условия в воде и верхнем горизонте илов и сероводородные в их нижних
горизонтах.
Кислородно- сероводородный --- окислительная обстановка в воде и
сероводородная в илах.
Сероводородный --- окислительная обстановка в верхних горизонтах воды и
сероводородная в придонных водах и илах.
Как видим, выделение окислительно- восстановительной структуры АЛ
учитывает соотношение верхнего и придонного слоя воды, различающихся
многими гидрогеохимическими параметрами, а также --- радиальную
окислительно- восстановительную зональность илов. По сочетанию окислительно-
восстановительной и щелочно- кислотной структуры с минерализацией вод А.Д.
Хованский выделил около двух десятков геохимических классов аквальных
ландшафтов (табл. 25.5.).
Таблица 25.5.
Основные классы геохимической обстановки в аквальных ландшафтах (по
А.Д. Хованскому)
Роды АЛ выделяются по особенностям механической миграции, включающим
размыв, перенос и отложение материала. По соотношению этих седиментационно-
геоморфологических признаков выделяются следующие роды АЛ: Таблица 25.6
Роды аквальных ландшафтов (по А.Д. Хованскому, с изменениями)
эрозионные и абразионные --- с высокой гидродинамической активностью,
преобладанием размыва берегов и дна, механического выноса материала;
трансаквальные --- участки транзита механического материала;
аккумулятивные --- с низкой гидродинамической активностью и аккумуляцией
поступающего вещества. В реках, водохранилищах и морях по особенностям
механической миграции выделяются 10---15 родов аквальных ландшафтов (табл.
25.6.).
Виды АЛ выделяются по литологии донных отложений (пески, алевриты,
глинистые, известковистые и др. илы).
Таблица 25.7
Классификация аквальных геохимических ландшафтов (
по А.Д.
Хованскому)
Геохимическая классификация аквальных ландшафтов показана в табл. 25.7.
Таксономический уровень этих единиц требует уточнения. Занимая значительную
площадь, они не являются элементарными и , по- видимому, могут быть
подразделены еще на 1 --- 2 таксономических уровня. В то же время они являются
только частью каскадной ландшафтно-геохимической системы. До последующего
уточнения выделяемые в классификации А.Д. Хованского единицы можно
называть аквальными геохимическими ландшафтами. В пространстве они
занимают вытянутые или овальные ареалы (рис. 25.5.). Геохимические ландшафты
озер, водохранилищ и морей обычно имеют концентрическую структуру (рис.
25.6.).
Аквально- супераквальные геохимические ландшафты. Речные долины
представляют собой не только географическое, но и геохимическое единство, для
которого мы предлагаем новое понятие --- аквально- супераквальные ландшафты
(АСЛ). На короткое время и не каждый год АСЛ могут превращаться в полностью
аквальные, например, когда пойма затопляется в паводок. К АСЛ относятся также
дельты рек, шоровые солончаки, весной превращающиеся в соленые озера,
некоторые озера, размеры которых колеблются в зависимости от водности года
(Чаны в Западной Сибири, Чад в Центральной Африке и др.). К АСЛ также
следует отнести ландшафты отливно- приливной полосы морских побережий.
Приведенная систематика имеет в виду как природные, так и техногенные АЛ и
Рис. 25.5. Схема геохимических ландшафтов р. Дон от Цимлянского водохранилища до устья
р.Северский Донец (фрагмент): ландшафты планктонных сообществ кислородные
гидрокарбонатно-кальциевые: 1 --- трансэрозионные на песках, 2 --- трансаквальные на песках, 3
--- трансаккумулятивные на песках, 4 --- трансаккумулятивные на крупных алевритах, 5 ---
тростниковых формаций кислородные гидрокарбонатно-кальциевые трансаккумулятивные на
крупных алевритах, 6 --- Николаевский гидроузел, 7 --- направление течения рек (по В.А.
Алексеенко и А.Д. Хованскому).
АСЛ. Но для техногенных разновидностей большое значение приобретает степень
их загрязненности, состав загрязнителей. Таксономическое значение этого
фактора велико, особенно для некоторых сильно загрязненных рек и озер, как,
например, для Рейна, Волги. Особо следует выделять искусственные АЛ ---
пруды, каналы, водохранилища. Систематика на этой основе --- дело будущего.
25.4. Аквальные ландшафты рек
Поступление техногенных потоков определяет индикационное значение рек,
так как, обладая значительной протяженностью, они содержат ценную
информацию о контрастности и динамике загрязнения обширных речных
бассейнов как единых ландшафтно- геохимических систем.
Малые реки. Природные и техногенные потоки поступают в первую очередь в
каскадные системы низких порядков --- в малые реки длиной около 100 км.
Водосборные бассейны играют здесь основную роль в формировании стока воды,
наносов, минерального и органического вещества.
Для оценки особенностей формирования и качества аквального ландшафта
изучают каскадные системы малых рек без сильного техногенного воздействия.
Как правило, воды, донные отложения и речные организмы загрязнены слабо и
распределение химических элементов в них определяется ландшафтными
особенностями бассейна, химическим составом вод, литолого- геохимическими
свойствами илов и строением их профиля, систематикой гидробионтов. Так,
изучение донных отложений реки Усы в Среднем Поволжье показало, что на
расстоянии всей ее длины до впадения в Волгу (около 70 км) содержание
микроэлементов варьирует слабо. Сельские поселения и сельскохозяйственная
деятельность здесь ведут к незначительному повышению рН и минерализации
воды, увеличению содержания тяжелых металлов в водах и илах. Контрастнее
гидрохимические аномалии фосфора, аммонийного и особенно нитритного азота
(до 3 --- 10 раз выше уровня в залесенных верховьях). Накопления подвижных
форм микроэлементов при агротехногенезе особенно проявляется в илисто-
алевритовых илах. Песчаные осадки, напротив, содержат минимальные
концентрации металлов на всем протяжении реки (рис. 25.7.) и , таким образом,
хуже фиксируют слабое загрязнение. Сильное техногенное воздействие
испытывают малые реки в районах добычи и переработки полезных ископаемых, а
также в промышленных городах оно проявляется в формировании техногенных
илов, загрязнении всех компонентов аквального ландшафта, почти полном
уничтожении биоты.
В районах рудных полей, окисляющихся сульфидных месторождений в донных
Рис.25.6. Схема геохимических ландшафтов Цимлянского водохранилища.
Среднепродуктивные ландшафты планктонных водорослей --- кислородные
гидрокарбонатно- кальциевые: 1 --- трансаккумулятивные на крупных алевритах, 2
--- аквально- супераквальные на крупных алевритах; 3 --- кислородно- глеевые
слабовосстановленные гидрокарбонатно- кальциевые трансаккумулятивные на
глинистых илах. Высокопродуктивные ландшафты планктонных сообществ ---
кислородные гидрокарбонатно- кальциевые; 4 --- абразионно- аккумулятивные на
крупных алевритах; донноабразионные: 5 --- на песках, 6 --- на крупных
алевритах, 7 --- трансаккумулятивные на крупных алевритах; аквально-
супераквальные: 8 --- на песках, 9 --- на крупных алевритах; кислородно- глеевые
гидрокарбонатно- кальциевые аккумулятивные: 10 --- на мелкоалевритовых илах,
11 --- на глинистых илах, 12 --- на затопленные почвах; глеевые гидрокарбонатно-
кальциевые аккумулятивные: 13 --- на глинистых илах, 14 --- на затопленных
почвах. 15
--- Ландшафты тростниковых формаций кислородные
гидрокарбонатно- кальциевые трансаккумулятивные на крупных алевритах (по
В.А. Алексеенко и А.Д. Хованскому
отложениях формируются контрастные (десятки и сотни единиц фонов) потоки
рассеяния тяжелых металлов --- цинка, свинца, меди, ртути, кадмия (Г .А. Голева,
В.В. Поликарпочкин и др.). При открытой разработке этих руд в илах рек
формируются еще более контрастные техногенные потоки рассеяния
типоморфных металлов (П.В . Елпатьевский и др.).
Таблица 25.8.
Техногенная геохимическая специализация притоков р. Струма
в Юго-Западной Болгарии (по Н.С . Касимову и Р.Л. Пенину)
В промышленных городах поступление основных элементов- загрязнителей в
местные водоемы происходит с ливневым (цинк, свинец, медь, кадмий) и
канализационным (олово, хром, кадмий, медь) стоком (рис. 25.8.). Геохимия
донных илов определяется промышленной специализацией города (табл. 25.8.).
Влияние небольших и средних промышленных городов без крупных и
токсичных производств проявляется в донных илах, как правило, на протяжении 4
--- 5 км по течению реки, причем содержание основных загрязнителей
уменьшается в несколько раз. Обычно выделяются универсальные элементы-
индикаторы промышленного загрязнения (в бассейне р . Струма --- серебро, олово)
и частные (специальные) индикаторы, указывающие на специализацию отдельных
Рис.25.8. Баланс поставки
химических элементов в
поверхностном стоке
крупного города (по
Ю.Е.Саету и др., 1990): 1-4 -
стоки: 1 - фоновый, 2 -
условно чистых
промышленных вод, 3 -
канализационный, 4 -
ливневый
промышленных центров: для Кюстендила --- это медь (приборостроение,
электротехника, деревообработка, бумажная и текстильная промышленность), для
Сандански --- цинк, никель (
бумажная и пищевая промышленность,
приборостроение).
Объемы техногенных потоков и концентрации загрязняющих веществ в
некоторых городах настолько велики, что содержание элементов в илах
превышает фон в сотни и тысячи раз (техногенные геохимические аномалии) (рис.
25.9.).
Исследования Е.П. Янина загрязнения малых рек
ртутью и другими металлами в Подольске (р. Пахра),
Саранске (р. Инсар) и Темир-Тау (р. Нура) показали,
что в техногенезе при общем преобладании
растворенных форм резко возрастает доля взвешенных
форм миграции металлов. Техногенные илы на
территории промышленных городов с мощными
токсичными производствами представляют собой
вторичные источники загрязнения, как бы "химические
бомбы замедленного действия" (В . Стиглиани). При
изменении гидрологического режима, химических
параметров воды и др. условий среды может начаться
неконтролируемая быстрая мобилизация поллютантров
из илов, загрязнение вод и гидробионтов.
Средние и крупные реки. Геохимические
особенности аквальных ландшафтов речных бассейнов
более высоких порядков определяются составом вод,
поступающих с притоками из верхней части
магистральной реки и влиянием местных техногенных
источников. Эколого- геохимическая оценка территории
в этом случае базируется на анализе природных и техногенных потоков вещества
в каскадных системах разного порядка. Оптимально сочетание исследований
геохимии аквальных ландшафтов магистральной водной артерии, АЛ ее притоков
Рис. 25.7. Свинец, ванадий и медь в илах р . Уса (Среднее Поволжье).
на всем протяжении или в замыкающих створах, влияния локальных техногенных
источников и ландшафтно- геохимического изучения водосборов.
Такой "бассейновый подход" применили Р. Пенин и Н.С. Касимов при оценке
эколого- геохимического состояния территории Юго-Западной Болгарии, почти
полностью расположенной в бассейне р. Струмы. Она берет начало в массиве
Витоша, протекает в отрогах Рила-Пиринского и Осогово-Беласицкого массивов,
Краищенских гор и впадает в Орфанский залив Эгейского моря. Длина реки 415
км, в том числе на территории Болгарии --- 290 км. Бассейн представляет собой
чередование средне- и низкогорных массивов с хвойными и широколиственными
лесами и горными лугами (Рила, Пирин, Витоша, Осогово-Беласица, Конявская и
Земенская планины) и котловин (Перникская, Радомирская, Кюстендильская,
Благоевградская и др.).
Бассейн р. Струмы --- один из наиболее индустриальных районов Болгарии, где
расположены промышленные комплексы Перник-Темелково-Радомир, Кюстендил,
Станке --- Димитров, Благоевград, Сандански и др. Основными источниками
загрязнения являются промышленные и неутилизованные коммунально-бытовые
отходы и стоки, а также средства химизации хорошо развитого сельского
хозяйства.
Для оценки состояния бассейна отбирались пробы глинисто-алевритовой
фракции донных отложений р. Струмы и 25 ее притоков, а также изучалась
ландшафтно- геохимическая структура заповедных и других охраняемых
территорий в бассейне (рис. 25.10.).
В бассейне р. Струмы, как и в других достаточно больших по площади
бассейнах, выделяются 3 группы рек или отдельных их участков:
Фоновые --- практически не подверженные техногенезу. К ним относятся
верховья многих малых рек, начинающихся в горных массивах, обрамляющих
бассейн Струмы. Формула геохимической специализации этих рек отражает в
основном хром- молибденовую металлогеническую специализацию территории (в
кларках концентрации): Cr,Mo2,Ag,Sn,V,Pb1,3-1,4
Рис.25.9. Кадмий и медь в донных отложениях р . Инсар (Саранск); Кс - коэффициент
концентрации относительно фона, темным прямоугольником показаны границы города
(по Е.П.Янину)
Слабозагрязненные --- более интенсивно используемые средние и нижние части
долин, в которых развито сельское хозяйство и выше плотность населения. Их
формула указывает
на
слабое
свинцово- серебряное
загрязнение:
Ag4,Pb3,Sn,Cr2 ,Zn,Mo1,5
Геохимически аномальные аквальные ландшафты формируются в речных
долинах, куда поступают отходы, выбросы и стоки промышленных городов.
Донные осадки и другие компоненты аквального ландшафта изучаются выше
промышленного узла, непосредственно на его территории и ниже по течению
реки. Техногенная геохимическая специализация города четко отражается в
составе донных осадков (рис. 25.11.).
-
е
Рис. 25.11. Антропогенное загрязнение донных отложений тяжелыми металлами в
промышленном центре (а), выше (б) и ниже (в) него по течению. В рамках приведены
ассоциации основных элементов- загрязнителей (по Р . Пенину и Н . С . Касимову).
Рис. 25.10. Расположение точек геохимического опробования в бассейне р . Струма
(Юго- Западная Болгария). 1 --- колонка донных осадков; 2 --- ландшафтно- геохимическое
профилирование в заповедниках (по Р . Л . Пенину и Н .С . Касимову).
Рис. 25.12. Содержание 1,12-
бензперилена (1) и 3,4-бензпирена
(2) в донных
отложениях
р . Струма. 1--20 --- точки отбора
проб (по Р . Пенину и др.).
Рис. 25.13. Общее содержание ПАУ
(а) и средний кларк концентрации
некоторых микроэлементов (
б)в
донных отложениях р . Струма. 1--22 ---
точки отбора проб (по Р.Пенину и
др.).
В магистральной реке фиксируется загрязнение от промышленных центров,
расположенных в ее долине или от наиболее загрязненных притоков. Более
загрязнена металлами и полициклическими ароматическими углеводородами
(ПАУ) верхняя и средняя часть бассейна, где сосредоточены промышленные
центры (точки 5 --- 13 на рис. 25.10., рис. 25.12.и рис. 25.13.). Ниже г .
Благоевграда контрастность техногенных аномалий в донных осадках
уменьшается из- за увеличения водности потока, разбавления загрязняющих
веществ и уменьшения промышленного воздействия. ПАУ образуют более
контрастные аномалии, чем тяжелые металлы (рис. 25.13.), и являются лучшими
индикаторами загрязнения.
Техногенные аномалии в аквальных ландшафтах крупных равнинных рек
обычно формируются на геохимических барьерах --- биогеохимическом,
сорбционном карбонатном, глеевом, сульфидном. В промышленных районах
встречаемость аномалий и барьеров выше, они лучше выражены в низовьях рек,
куда поступают загрязнители со всего бассейна. Так, воды и донные осадки Рейна
и Дона наиболее загрязнены в самом нижнем течении (рис. 25.14., 25.15.).
25.5. Водохранилища
Строительство плотин и гидроэлектростанций на реках имеет ряд эколого-
геохимических последствий. Изменение гидрологического и гидрохимического
режима приводит к замедлению движения водной массы, усилению процессов
седиментации, затоплению пойм рек. Формируется новый геохимический профиль
донных осадков, в илах и организмах концентрируются многие поллютанты,
поступающие из верхних звеньев каскада и окружающих водосборов.
Строительство плотин вблизи городов, например, Волжской ГЭС в Тольятти ведет
к накоплению загрязняющих веществ в приплотинной, наиболее геохимически
подчиненной части водохранилища. Являясь приемником природных и
техногенных потоков с обширной территории, водохранилища могут служить
объектами регионального геохимического мониторинга.
Процессы механической миграции и аккумуляции вещества во многом
Рис. 25.14. Средняя
ежегодная
поставка кадмия в Рейн в верхнем (Зелтц),
среднем (
Кобленц) и нижнем течении
(Лобит). По W. Stigliani and S. A nderberg
(1992).
определяются гидрологическими и геоморфологическими особенностями
водохранилища. Например, для волжских водохранилищ --- это резкая асимметрия
долины р. Волги. Крутой правый берег имеет глубокие, но укороченные долины
небольших притоков, оврагов и балок. Левый берег равнинный, с
мелковрезанными заливами, его извилистость в полтора раза больше.
Рельеф дна способствует накоплению загрязнителей на участках, где резко
снижается кинетическая энергия потоков, в частности сбрасываемых сточных вод.
Сложный рельеф дна является важным фактором, определяющим неоднородность
распределения загрязняющих веществ, основная часть которых накапливается в
многочисленных понижениях дна вдоль аккумулятивных берегов. По В.В. Батояну
и О.В. Моисеенкову, в тонкодисперсных илах здесь обычно депонируются
основные запасы тяжелых металлов, представляющих опасность в случае
залпового вторичного загрязнения водохранилища.
В местах впадения рек, интенсивного развития фитопланктона формируются
геохимические барьерные зоны с резким изменением физико- химических
параметров и условиями для перехода элементов из растворенного состояния во
взвешенное с последующим осаждением взвеси в осадок. Особенно контрастные
барьерные зоны образуются при слиянии рек, бассейны которых расположены в
разных природных зонах (например, лесной и степной), а также в местах сбросов
техногенных стоков.
В отличие от озер и рек илы искусственных водоемов отличаются широким
разнообразием литологических, морфологических и геохимических характеристик
(рис. 25.16.). Так, здесь встречаются затопленные пойменные почвы, русловые
аллювиальные отложения, большей частью перекрытые илистоалевритовыми
донными осадками.
Пространственная
геохимическая
неоднородность донных осадков, тип их
геохимического
профиля
зависят
от
особенностей миграции
и
накопления
элементов в системе вода --- дно,
стабильности аквального ландшафта. Так, в
Куйбышевском водохранилище на основной
части
дна
Приплотинного
плеса
распространены окислительные илы с
контрастным геохимическим профилем. В
Новодевиченском
плесе
геохимическая
контрастность профиля илов ниже за счет
более широкого развития донных осадков и
гумусовых горизонтов затопленных почв со
слабо-
и
сильновосстановительными
условиями. Для Черемшанского залива
более
характерны
восстановительные
неконтрастные геохимические профили, которые обусловлены восстановленными
донными осадками и затопленными почвами. Каждый из плесов и заливов
характеризуется особым набором геохимических типов грунтов, различными
условиями накопления элементов в илах (В.В. Батоян). В илах фоновых акваторий
Куйбышевского водохранилища кларки концентрации Ga, Zn, Mo, Ag, V, Sn и Co
Рис. 25.17.
Аномальные
зоны
тяжелых металлов в донных илах
К уйбышевского
водохранилища (
в
показателях Zc): А --- природно-
техногенная, устьевая; Б
---
приплотинная (по В . В . Батояну).
относительно литосферы составляют 2,2 --- 4 и более. КК Cr, Li, Zr, Pb составляют
1,5 --- 2 КК. Ti, Cu, P и Mn характеризуются околокларковыми концентрациями.
Большинство микроэлементов накапливается в глинистых и алевритово-
глинистых илах, для песчаных осадков характерны более низкие содержания.
Высокие содержания подвижных форм металлов приурочены к окисленным
горизонтам илов, в восстановительных горизонтах первой стадии диагенеза
содержание подвижных форм микроэлементов меньше. Еще меньше их на
контакте окисленных и восстановленных горизонтов, представляющих собой
двусторонние кислородные, глеевые и сульфидные барьеры. Здесь элементы
переходят в менее мобильную форму.
Для крупных равнинных водохранилищ типа Куйбышевского, Горьковского на
Волге характерны три типа площадных геохимических аномалий. Первый ---
техногенные аномалии вблизи прибрежных городов, откуда поступают
загрязненные промышленные, муниципальные и ливневые стоки. Такие аномалии
особенно контрастны, но занимают сравнительно небольшие площади. Второй тип
--- это аномалии, формирующиеся на участках впадения в водохранилище
крупных притоков. Изменение гидрохимического и гидродинамического режима
приводит здесь к формированию контрастных "устьевых" аномалий в илах и
других компонентах аквального ландшафта (рис. 25.17А). Третий тип аномалий,
особенно характерный для волжского каскада, приурочен к приплотинным плесам
--- своеобразным "отстойникам" взвешенных и влекомых наносов, поступающих
из верхних звеньев каскада и расположенных вблизи ГЭС крупных
промышленных городов (Тольятти и др.) (рис. 25.17Б). Перед плотинами
образуются мощные толщи загрязненных тонкодисперсных илов, содержащих
значительные запасы тяжелых металлов и других поллютантов. Создается
опасность их вторичной мобилизации из илов и загрязнения вод этих частей
акваторий.
Ниже водохранилищ донные отложения рек, как правило, менее загрязнены
(рис. 25.18). Поэтому водохранилища способствуют самоочищению рек от
значительной части
загрязняющих
веществ, уменьшают
опасность
куммулятивного загрязнения нижних звеньев речного бассейна. На других
негеохимических (
в том числе и негативных) последствиях создания
водохранилищ мы не останавливаемся, этим вопросам посвящены обширные
исследования географов, биологов и других специалистов.
25.6. Дельты
Многие
геохимические
особенности
супераквальных и
аквальных
ландшафтов дельт
определяются их
положением в конечном звене каскадных ландшафтно-
геохимических систем, что определяет привнос с
речным стоком взвешенных и растворенных веществ
природного и антропогенного происхождения.
Рис. 25.18. Содержание некоторых
ПАУ в донных отложениях р . Струма
выше (а ) и ниже (б) водохранилища
Пчелина в Болгарии: Ф --- фенатрен, П
--- пирен, А --- антрацен, БПЛ --- 1,12-
бензперилен, ПР --- прочие (
по
Р . Пенину и др.).
Следующие главные факторы формируют ландшафты дельт:
--- сток вод, определяющий сезонные колебания уровня реки, характер
заиливания, скорость течения и др.;
--- сток наносов, создающий материальную основу тела дельты;
--- влияние моря --- приливов и отливов, обеспечивающих разнонаправленный
транспорт воды и наносов во многих дельтах;
--- геологические факторы, преимущественно тектонические опускания,
определяющие мощность и литологический состав дельтовых отложений;
--- климат, влияющий на количество и режим атмосферных осадков, характер
почвенного и растительного покрова, процессы засоления, эоловые процессы,
сток воды и наносов с водосборной площади (во влажном климате сток с единицы
площади бассейна всегда больше, чем в аридном и субаридном климатах).
Благоприятные условия для земледелия определили интенсивное освоение
дельт крупнейших рек мира, их большую роль в истории цивилизации (дельты
Нила, Меконга, Ганга и др.).
Геохимия дельтовых ландшафтов определяется как процессами в
расположенных выше звеньях каскадной системы --- количеством и составом
твердого и растворенного стока, зависящего от природной зональности и состава
пород областей сноса, интенсивностью антропогенной деятельности в бассейне,
наличием речных водохранилищ, где осаждается часть твердого стока и др., так и
условиями
ландшафтообразования самой дельты
--- строением
и
гидрологическими особенностями ее рукавов, литогеохимией аллювиальных
отложений и илов, геохимической структурой профиля супераквальных и
подводных почв, контрастностью геохимических барьеров, наличием
гидротехнических сооружений, местных сельскохозяйственных и промышленных
источников загрязнения и многими другими.
Находясь в конечном звене каскадной системы речного бассейна, дельты в
значительной степени отражают характер и степень техногенеза на водосборах.
Однако здесь часто нет прямой корреляции, так как связь между интенсивностью
антропогенного воздействия на бассейн и загрязнением дельты не прямая и
зависит от многих других факторов помимо промышленного и
сельскохозяйственного производства на территории бассейна. Это длительность
техногенной нагрузки, размещение токсичных производств непосредственно на
берегах магистральной реки, величина жидкого и твердого стока, его
зарегулированность --- наличие водохранилищ (
резервуаров- отстойников),
литолого- геохимическая специализация горных пород бассейна, структура
водотоков дельты и другие природные и техногенные факторы. Важна и строгость
экологического законодательства на территории
бассейна.
Наиболее
загрязнены
дельты рек,
дренирующих
промышленные страны Западной и Центральной
Европы, впадающие в Северное и Балтийское
Рис. 25.19. Активность 137Cs и
134Cs
в донных
осадках
в
зависимости от их возраста.
Средняя активность индицируется
сплошной линией (Beurskens e.a.,
1993; Winkels e.a., 1993).
моря --- Сены, Рейна, Эльбы, Одера, Вислы, испытывающих техногенное
воздействие европейской цивилизации на протяжении сотен лет. Существенное
влияние на уровни содержания химических элементов в осадках дельт этих рек
оказывает широкое развитие в бассейне массивно- кристаллических и осадочных
горных пород с достаточно высокими средними (
околокларковыми) и
повышенными (за счет рудоносности горных массивов) концентрациями многих
химических элементов.
Дельта Рейна. В таблице 25.9 приведено изменение содержания тяжелых
металлов и мышьяка в донных отложениях низовьев Рейн за 200 лет. Для конца
XVIII века установлен следующий ряд с околокларковыми (кроме мышьяка, ртути
и свинца) содержаниями тяжелых металлов в донных отложениях: Cu0,5 Cd0,6
Ni0,7 Cr1,0 Zn1,2 Pb1,8 Hg2,5 As7,6. Он отражает слабую техногенную нагрузку
на каскадную систему Рейна в то время. Аномальные концентрации As, Hg и Pb
могли быть связаны с дренированием кристаллических пород, в том числе
гранитов гор Центральной Европы, а также с начавшимся горным делом.
Бассейн Рейна --- один из самых урбанизированных в Европе, отличается
огромным промышленным потенциалом, интенсивным земледелием. В Рейн
ежегодно поступают сотни и тысячи тонн тяжелых металлов (В. Стиглиани).
Именно поэтому за последние 200 лет содержание тяжелых металлов и As в илах
низовьев Рейна увеличилось во много раз --- Hg в 50 раз, Zn --- в 19, Pb и Cu --- в
13,Cd---в10,Cr---в9,As---в4иNiв2раза(табл.25.9.).
Таблица 25.9
Среднее содержание микроэлементов в илах Рейна (по Дж. Муру и С.
Рамамурти)
Низкая скорость течения в дельтовых озерах определяет накопление в них
довольно мощной (2 --- 5 метров) толщи новейших и современных осадков. Я .
Берскенс и Г. Винкельс, используя палеогеографические методы и датирование
осадков
с
помощью
радиоактивных
изотопов 137Cs и
134Cs (рис.
25.19),
определили возраст и основные этапы
техногенного загрязнения этих водоемов.
Загрязнение их илов зависит также от близости
водоема к техногенным источникам, его
проточности, гранулометрического состава илов.
Рис. 25.21. Распределение Pb в
профиле донных осадков дельтовых
озер Рейна (по H. Winkels, 1997).
Г. Винкельс и др. приводят детальные данные загрязнения озерно- морских
дельтовых водоемов в месте впадении северного рукава Рейна --- Эйссела
(Голландия). Наиболее загрязнены илы небольшого озера Кеттельмеер, куда
впадает р. Эйссел.
Следующим более обширным резервуаром
каскада является оз. Эйсселмеер, в илах которого
содержание ртути, свинца и ПАУ в результате
разбавления и десорбции в морскую воду уменьшается в
2 --- 3, а для Сd и полихлорированных бифенилов в 5 --- 6
раз (рис. 25.20.).
Максимально
загрязнены
воды
тяжелыми металлами и
органическими
поллютантами
илы
дельты Рейна на глубине 30 --- 70см (середина 60-х
годов) (рис. 25.21). Жесткое
экологическое
законодательство, более совершенные технологии и
методы очистки выбросов и стоков к началу 80-х годов
существенно уменьшили
концентрации
тяжелых
металлов, углеводородов, бифенилов, диоксинов и других
загрязнителей в воде и озерных илах дельты Рейна, которые практически
возвратились на довоенный уровень (рис. 25.22).
Рис. 25.22. Геохимическая история вод (I) и
пойменных отложений (II--III) Рейна: I ---
свинец, сумма трех трихлорбензенов (SUM TCB)
и гексахлоробензен (НСВ) в воде Рейна в 1970--
1990 гг. (мкг/ л ); II --- тяжелые металлы,
нормализованные
относительно фонового
уровня; III --- содержание органических
загрязнителей (мг/ кг): РАН --- полициклические
ароматические углеводороды, РСВ ---
полихлорированные бифенилы, НСВ ---
гексахлорбензен (
по Дж. Джапенда
и
В . Саломонс).
Рис. 25.20. Коэффициент разбавления (К )
поллютантов в донных осадках дельтовых озер
Рейна (по H. Winkels, 1997).
Дельта Волги служит примером слабозагрязненной устьевой области крупной
реки. Это аллювиальная равнина с густой сетью рукавов, протоков (ериков),
множеством островов, озер (ильменей), заливов (култуков).
Местами распространены т . н. бэровские бугры. Самые крупные рукава ---
Бахтемир, Бузан, Старая Волга, Камызяк, Болда, Рычан, Ахтуба. К морскому краю
дельты подходит около 900 водотоков. Аквальные ландшафты дельты отличаются
большой динамичностью и пространственной изменчивостью. Дельта является
конечным звеном каскадной ландшафтно- геохимической системы и испытывает
суммарное природное и техногенное воздействие всего Волжского бассейна.
Изменчивый уровень границы река --- море предопределяет большую
неоднородность и сложность миграции и аккумуляции элементов во всех
компонентах дельтовых ландшафтов.
С 1978 г. подъем уровня Каспийского моря привел к частичному затоплению
морского края дельты, подпору грунтовых вод, подтоплению и местами
засолению почв, сложному взаимодействию пресных речных и соленых морских
вод.
Большинство тяжелых металлов, за исключением Zn, мигрирует в водах дельты
преимущественно во взвешенной форме. Их содержание в волжской взвеси
меньше, чем в осредненном поверхностном стоке в Мировой океан (рис. 25.23).
Поступая в вершину дельты Волги, металлы распределяются по сложной системе
водотоков совместно со стоком воды и взвешенных наносов.
Геохимическое своеобразие ландшафтов дельт как конечного звена волжской
каскадной системы проявляется и в химическом составе донных отложений.
Формирование илисто- алевритовых осадков мощностью до 2 --- 3 м происходит
главным образом в слабопроточных ериках. В рукавах и протоках с относительно
большой скоростью течения преобладают песчаные отложения без
консолидированного профиля.
Детальные ландшафто- геохимические исследования в Астраханском
биосферном заповеднике показали, что донные отложения в приморской части
дельты практически не загрязнены тяжелыми металлами и полициклическими
Рис. 25.23. Взвешенная форма тяжелых металлов (мкг/ л) в волжском и мировом
речном стоке (по данным В . В . Гордеева, Г . С . Коновалова и др.).
Рис. 25.24. Дифференциация подвижных
форм
тяжелых
металлов в донных
отложениях
водотоков
и
водоемов
Дамчикского
участка Астраханского
заповедника: 1 --- протоки; 2 --- ерики; 3 ---
устья ериков; 4 --- култуки; 5, 6 --- устьевое
взморье (по М . Ю . Лычагину и Н . С . Касимову).
ароматическими углеводородами, содержание которых, как правило, ниже
кларковых значений (табл. 25.10.).
Сходные низкие уровни содержания микроэлементов характерны и для илов
других районов дельты.
Таблица 25.10.
Среднее валовое содержание микроэлементов в илах Дамчикского участка
Астраханского заповедника по данным рентген-флуоресцентного анализа
(по Н.С. Касимову и М.Ю. Лычагину)
Минимальны содержания тяжелых металлов в донных осадках устьевого
взморья и проточных водотоков (из- за промытости). В ериках и култуках
содержания повышаются, что связано с тяжелым механическим составом и
усиленной аккумуляцией в осадках органического вещества. Высокие
концентрации металлов в устьях ериков связаны с формированием комплекса
геохимических барьеров --- механических, сорбционных и кислородных (рис.
25.24.).
В
фоновых
ландшафтах
пространственное
распределение
элементов в водных растениях сходно с
донными отложениями. Максимальны
концентрации в устьях ериков и
култуков (
средние концентрации в
растениях больше в 2 --- 10 раз),
минимальные --- во флоре проточных
водотоков и авандельты (рис. 25.25.).
На доступность тяжелых металлов
водным растениям большое влияние
оказывают их местообитание и
морфологическое
строение.
Концентрации возрастают от жестких
прибрежных растений (
тростник,
ежеголовник, рогоз) к погруженным
мелколистным
растениям
(роголистник).
Промежуточное
положение занимают растения с
плавающими листьями, причем концентрации растут от крупнолистных видов
(лотос, кувшинка, кубышка, нимфейник) к разнолистным (чилим, рдест) и
особенно к мелколистным (сальвиния). Так, в роголистнике среднее содержание
металлов на порядок выше, чем в тростнике. Расчет кларков концентрации и
коэффициентов биологического поглощения установил Mn --- Cd специализацию
Рис. 25.26. Уровни загрязнения медью
илов дельт Рейна (1), Дуная (2) и Волги (3)
(H. Winkels, N.S. Kasimov e.a.).
роголистника и сальвинии и Mn --- Ni --- Cd --- рдеста (Н.Ю. Лычагина, Н.С.
Касимов, М .Ю . Лычагин).
Во многих случаях загрязнение по химическому составу водных растений
индицируется лучше, чем по донным отложениям. Например, в Астраханском
заповеднике донные отложения не загрязнены тяжелыми металлами, а растения
поглощают их даже из слабо загрязненных волжских вод (низкие и средние
уровни загрязнения).
Содержание металлов в фоновых илах дельты Волги еще не достигло (кроме
кадмия) уровня дельты Рейна конца ХVIII века и во много раз ниже, чем в
современных илах этой реки (рис. 25.26.).
Низкие содержания микроэлементов в дельте Волги связаны с ее удаленностью
от местных техногенных источников, разбавлением в больших водных массах,
низким содержанием металлов в почвах и почвообразующих породах бассейна
(преобладанием аллювиальных, флювиогляциальных, моренных, покровных и
лессовидных легких по гранулометрии отложений), наличием нескольких
водохранилищ, где в приплотинных плесах осаждаются металлосодержащие
взвеси (см. выше). Повышенное содержание в илах As связано с применением
пестицидов, а Cd --- фосфорных
удобрений.
25.7. Прибрежные ландшафты морей
Процессы миграции элементов в
системе
континент
---
океан
рассматриваются обычно не в рамках
геохимии ландшафта, а другими науками
--- океанологией, морской геологией и др.
Рис. 25.25. Содержание кадмия в макрофитах водотоков и водоемов разного типа
мг/ кг сухого вещества; 1 --- чилим; 2 --- роголистник; 3 --- сальвиния (
по
Н.Ю. Лычагиной, Н.С. Касимову и М.Ю. Лычагину).
Рис. 25.27. Твердый и ж идкий речной сток с
континентов (Degens, Ittekkot, 1985).
Рис. 25.28. Ежегодный сток речного
Сорг с континентов в океан (Degens et al.,
1984; Deg ens, Ittekkot, 1985).
Поэтому ниже затронуты только те геохимические особенности прибрежных зон,
которые непосредственно связаны с геохимией "наземных" ландшафтов.
25.7.1. Геохимический барьер "река --- море"
Каскадные ландшафтно- геохимические системы водосборных бассейнов
поставляют ежегодно в моря и океаны огромные массы взвешенного твердого
(18,5.109Т) и растворенного (3,5.109Т) вещества (по В.В. Гордееву, А.П.
Лисицыну). Основную часть твердого и жидкого стока (>50%) поставляют реки
экваториальной и тропической гумидных зон (Амазонка, Конго, Ганг и др.). По
жидкому стоку, в том числе и растворенного органического вещества, за счет
Амазонии среди материков явно преобладает Южная Америка. Наибольшее
количество взвешенного материала, а вместе с ним и органической взвеси,
поступает в океан с реками Азии (рис. 25.27. и рис. 25.28.). Большая часть
твердого и жидкого стока приходится на 20 крупнейших рек мира.
Речные бассейны, морские берега и шельф ---
природная и природно- антропогенная целостная
система. Поэтому многие геоэкологические проблемы,
особенно загрязнение прибрежных ландшафтов, в
последнее время рассматривается в системах "суша ---
море", "река --- море" (Н.А. Айбулатов, В.Е. Артемьев и
др.). В прибрежных зонах морей интенсивна
хозяйственная деятельность,
они
испытывают
наибольший техногенный пресс со
стороны
континентов (рис. 25.29.).
Важнейшая геохимическая особенность АЛ прибрежных зон --- формирование
на границе "река --- море" комплексного геохимического барьера. Такие участки
изменения условий миграции элементов в морях Е.М. Емельянов называет
барьерными зонами, среди которых выделяет горизонтальные (река --- море, берег
Рис. 25.29. Загрязнение Северного моря: а ---
слабое, б --- умеренное, в --- сильное; 1 ---
нефтепроводы, 2--- места захоронения
промышленных отходов, 3 --- источники
поступления в море химических отходов, 4 ---
объем стока с берега, тыс. т./год, 5 --- зона
развития маршей и ваттов, 6 --- зоны добычи
песка со дна, 7 --- количество судов, ежедневно
проходящих вдоль берега (по Н.А. Айбулатову
и Ю.В. Артюхину).
--- море, гидрофронты, граница песчано- алевритовых осадков и терригенных илов
и др.) и вертикальные (слой фотосинтеза, слой вода --- дно, гидротерма ---
морская вода и др.) зоны. Е.М. Емельянов особо отмечает роль подобных
геохимических барьеров в формировании осадочных руд Fe, Mn, P, Co и других
элементов в морях и океанах.Большая часть металлов переносится реками во
взвешенных формах (табл. 25.11.).
Таблица 25.11.
Речной сток в океан тяжелых металлов (J.Martin, M.Meybeck, 1979)
По величине годового стока металлы образуют ряд в соответствии с их
кларками в литосфере. Только Pb поставляется больше, чем Cr, Cu, Ni и Co,
имеющих более высокие кларки. Это указывает на большую роль техногенных
источников в миграционном цикле Pb в системе континент --- океан по сравнению
с другими металлами.
Механические барьеры. Уменьшение скорости течения приводит к осаждению
речной взвеси на механических барьерах прибрежной зоны, эстуариев, лиманов,
дельт, шельфа и континентального склона. Здесь выпадает 75 --- 90% взвешенных
частиц, что определяет многие черты геохимии и биогеохимии этих акваторий
(А.П. Лисицын, В.В. Гордеев, В.Е.
Артемьев, J. Milliman, R. Meade и др.).
В осадившихся алевритовых и глинистых
частицах повышено содержание Al, Fe, Mn,
многих микроэлементов. Так, по А.Д.
Хованскому, в илах устья р. Дон глинистая
фракция содержит больше, чем песчаная,
Ni,Co,V,Gaв3---6раз,Znв3---4,Cuи
Pbв2---3раза.Zr,Cr,Ti,иBa
накапливаются в алевритовой фракции.
Барьеры с высокими содержаниями этих
элементов обычно располагаются на
границе песчано- алевритовых и глинистых
илов (рис. 25.30.). Поскольку в составе
взвеси
преобладают
адсорбированные
формы элементов,
то формируются
преимущественно совмещенные сорбционно- механические барьеры.
Для осаждения химических элементов в прибрежной зоне моря важны
продольные течения вдоль берега, которые служат гидродинамическим
(механическим) барьером для водных потоков, поступающих с суши (Н.А .
Айбулатов).
Физико- химические барьеры. Увеличение солености и щелочности воды,
освобождение ее от взвеси приводит к формированию целой системы таких
барьеров. Потери растворенных форм на них меньше, чем для взвеси, --- 20 ---
60%.
По химическому составу континентальные и океанические воды сильно
различаются: в речной воде в тысячи раз меньше Cl, Br, Na, в сотни раз --- B,
сульфатной S, Ma, K, в десятки --- Sr, Ca, Li, Rb, F, J. В то же время в речных
водах в десятки раз больше Mn, Y, Pb, Th, значительно больше Si, Ti, Zn, Cu (рис.
25.31.).
Важнейшая физико- химическая особенность аквальных ландшафтов эстуариев
и приустьевого взморья рек --- смешение пресных речных и соленых, более
щелочных морских вод. Это зоны протяженностью от десятков метров до десятков
километров, где происходит коренное изменение форм миграции элементов: роль
взвешенных форм, характерных для речных вод, уменьшается и начинают
преобладать растворенные формы, типичные для морей и океанов. Одни элементы
концентрируются на геохимических барьерах, другие --- мобилизуются в
своеобразных микрозонах выщелачивания на взвешенных частицах.
Сорбционный барьер. Среди физико- химических барьеров он имеет основное
значение для осаждения элементов. В кислородных водах --- это барьеры G3, в
придонных глеевых --- G7. При диагенезе осадков на контакте кислородных
морских вод и глеевых илов образуются кислородные и кислородно-сорбционные
Рис. 25.30. Ландшафтно- геохимический профиль устья р . Дон в районе комплексного
геохимического барьера: 1 --- песок, 2 --- крупный алеврит, 3 --- мелкоалевритовый ил, 4
--- механический- сорбционный- глеевый барьер (по А .Д. Хованскому).
барьеры А7, А7-G7, на которых формируются железо- марганцевые конкреции и
осаждаются многие микроэлементы. На контакте кислородных вод с глеевой или
сероводородной обстановками, например, на участках с высоким содержанием
органического вещества в донных отложениях формируются соответственно
глеевые барьеры (С3) с повышенными содержаниями Cu, Mo, U, Cr, V и
сероводородные барьеры (В3, В7), на которых накапливаются труднорастворимые
сульфиды Co, Ni, Pb, Zn Cd.
В Азовском, Черном, Каспийском морях в зоне смешения пресных нейтральных
речных вод с более солеными и щелочными морскими водами формируется
карбонатный барьер, на котором осаждается хемогенный карбонат кальция. По
Ю.П. Хрусталеву, илы Азовского моря содержат до 20 --- 30% СаСО3.
Одним из основных механизмов осаждения растворенных и коллоидных форм
элементов при смешении речных и морских вод является флокуляция ---
коагуляция и осаждение дисперсных частиц размером до 1 --- 2 мкм в результате
увеличения солености воды и нейтрализации коллоидного гуминового вещества
морскими солями, которая наблюдается при солености от 2 до 15 --- 20%о ,
достигая максимума при 8%о (В.Е. Артемьев и др., E. Sholkovitz, J. Martin). В
результате с глинистыми и органическими частицами из воды удаляются многие
химические элементы. На таких участках развиты особые флокуляционные
барьеры, на которых накапливаются органическое вещество, Fe, Mn, Al, многие
микроэлементы.
Наряду с осаждением взвеси, флокуляцией, сопровождающимися
концентрацией элементов, смешение речных морских вод ведет и к
противоположному процессу --- мобилизации металлов: органические соединения
и хлориды морской воды способствуют десорбции многих металлов из взвеси. В
результате загрязненная металлами взвесь служит вторичным источником
поступления поллютантов в морскую воду. По степени десорбции из взвеси
металлы значительно различаются. Так, по Дж.Муру и С.Рамамурти, в эстуарии
Рис.25.31. Соотношение средних концентраций химических элементов в речных и
океанских водах (по В . В . Добровольскому). Величина отношения:
сплошная линия --- концентрация в океане,
пунктирная линия --- концентрация в реках.
Рис. 25.32. Кларки концентрации тяжелых
металлов в донных морских отложениях: 1
--- суша, 2 --- море, 3 --- устье реки. Кларки
концентрации металлов в
гранулометрических фракциях: 4 --- 0,25--0,
001 мм; 5 ---<0,01 мм (по М.А. Глазовской и
В.Б. Горюновой).
Рейна наиболее существенна десорбция наиболее токсичных поллютантов --- Cd,
Zn, Pb, Cr, As, Ni.
Иной тип геохимического барьера река --- море формируется на Курилах,
Камчатке, в Индонезии и других районах современного вулканизма. За счет
выветривания зон окисления сульфидсодержащих вулканогенных толщ,
поступления сульфатов и хлоридов из гидротерм и фумарол речные воды здесь
приобретают сульфатный и хлоридный состав, становятся кислыми и
сильнокислыми (рН понижается до 1,5 --- 3). Сернокислое выщелачивание пород
ведет к обогащению поверхностных вод металлами. В сильнокислых водах
вулканических ландшафтов Fe, Al и тяжелые металлы в отличие от обычных
нейтральных речных вод находятся преимущественно в растворенной форме, а не
во взвеси. Их вынос в сопряженные морские водоемы по массе на 1 --- 3 порядка
больше, чем в ландшафтах, где отсутствует кислотное выщелачивание.
Поэтому в прибрежной зоне моря из кислых речных вод на щелочном барьере
осаждаются металлы. При увеличении рН значи8 тельная часть растворенных
металлов переходит во взвешенную форму, сорбируясь свежеосажденными
гидроксидами Fe и Al. Так, в вулканических районах формируются современные
гипергенные месторождения некоторых тяжелых металлов (К.К. Зеленов, Л.П.
Никитина, С .М. Фазлуллин и др.).
25.7.2. Техногенные потоки поллютантов в ландшафтно- геохимической
системе "побережье --- морская бухта"
Промышленные предприятия и города, расположенные на берегу моря,
образуют
каскадную
ландшафтно-
геохимическую
систему c
прилегащей
акваторией,
связанную
атмосферными,
гидрохимическими
и
суспензионными
потоками загрязнителей. Существует две
основных разновидности подобных систем.
Первая --- эстуарии и дельты крупных рек, где
местные техногенные потоки нередко слабо
различимы на фоне региональных потоков,
собираемых с большой площади бассейна.
Такова, например, рассмотренная выше сильно
урбанизированная Рейнская дельта. Второй
распространенный вид каскадной системы
образуется в местах впадения в море
сравнительно небольших рек или только в
процессе склонового и грунтового стока.
Один из наиболее загрязненных тяжелыми металлами городов России --- Рудная
Пристань, где на берегу Японского моря расположен свинцовый плавильный
завод. Ландшафтно- геохимические исследования потоков
тяжелых металлов от этого завода до морской бухты
проведены В.С. Аржановой, Ю.П. Баденковым, П.В.
Елпатьевским, А .Н. Качуром и др. Загрязнение морской
акватории
обусловлено
сочетанием
природного
сернокислотного выщелачивания сульфидсодержащих руд и
рудовмещающих пород и техногенных процессов ---
Рис. 25.33. Формы содержания тяжелых
металлов в донных отложениях
приустьевой части бухты в % от валового
содержания: 1 ---
сорбированные, 2 ---
связанные с органическим веществом, 3 ---
связанные с аморфными гидроокислами, 4 ---
прочносвязанные (по М.А. Глазовской и
В.Б. Горюновой).
подкислением сульфатами атмосферных осадков, вод лизимитрического стока и
почв, формированием в ландшафтах аэро-, гидро- и педотехногенных ореолов и
потоков Zn, Cd, Pb и Cu, увеличением доли их подвижных форм (истинно
растворимых, фульватных комплексов).
Особенно контрастны техногенные изменения в месте впадения реки,
выносящей в бухту гидрохимический и суспензионный поток со всего бассейна.
По М.А. Глазовской и В.Б. Горюновой, осаждение техногенной
металлосодержащей взвеси происходит в приустьевой части бухты в зоне
смешения речных и морских вод на седиментационном геохимическом барьере в
донных отложениях, а растворимых форм металлов --- на щелочном барьере в
морских водах и приповерхностной пленке (0,5 мм) на границе раздела океан ---
атмосфера (рис. 25.32.). В последнем случае повышенные содержания металлов
обусловлены также большими градиентами физических, химических и
биологических полей, возникающими на границе водной и воздушной сред. В
донных отложениях Pb, Zn, Cd и Cu концентрируются в сорбированной форме.
Для Cd и Cu велико значение и органо- минеральных форм, а для Pb --- связанной с
аморфными гидроксидами Fe и Mn (рис. 25.33.). В илах, воде и приповерхностной
пленке содержание тяжелых металлов на участке техногенного геохимического
барьера "река --- море" в несколько раз выше, чем в этих же компонентах вне
барьера.
В аквальных ландшафтах районов нефтяных
портов формируются потоки нефтепродуктов
и других органических загрязнителей, в
первую
очередь
полициклических
ароматических углеводородов (3,4-бензпирен
и др.). Подобное загрязнение прибрежной
зоны развито не только вблизи крупных
портов, но и в бухтах приморских курортов,
например, Геленджика, где этот вид
загрязнения связан с автотранспортом и
стоком нефтепродуктов в открывающейся в
сторону моря каскадной предгорной системе
(рис. 25.34.).
25.7.3. Эколого- геохимические
последствия подъема уровня моря
В настоящее время происходит медленный со скоростью до 1 --- 2 мм в год
подъем уровня Мирового океана. Во многих низменных приморских районах
(Голландия, Юго-Восточная Англия и др.) происходит подтопление и затопление
земель морскими водами. В прибрежных зонах сосредоточено население, поэтому
изучению экологических последствий подъема уровня моря во всем мире
уделяется значительное внимание.
Особенно острые экологические и социально- экономические проблемы
возникают при катастрофически быстром подъеме уровня воды, что характерно
для таких внутренних морей, как Каспий. В плейстоцене, голоцене и в
историческое время уровень Каспийского моря неоднократно изменялся между
абсолютными отметками +20 м и --- 31 м . В конце XIX века он колебался около
отметки --- 26 м. К 1978 г. примерно за 40 лет уровень моря снизился до --- 29 м,
осушились значительные территории и началось их хозяйственное освоение. Но с
1978 г . уровень Каспия повысился почти на 3 м , что создало кризисную
экологическую ситуацию для природных экосистем и нанесло ущерб хозяйству в
прибрежной зоне. Большинство исследователей считает, что подъем Каспия
связан с климатическими изменениями и увеличением стока Волги.
В аквальных прибрежных ландшафтах эколого- геохимические последствия
подъема уровня моря во многом определяются тектоно- геоморфологическим
строением прибрежной зоны и типом берегов.
Для абразионных берегов характерно усиление абразии, разрушение
инженерных сооружений прибрежной зоны. На аккумулятивных берегах
(Северный, Северо-Западный и Северо-Восточный Прикаспий) происходит
затопление прибрежной зоны, на месте бывших песчаных пляжей формируются
лагунно- трансгрессивные берега, усиливаются нагонные явления.
Повышение уровня моря ведет к тому, что многие водные растения не могут
существовать при больших глубинах. Происходит отмирание ряда водных
растений. Начинает проявляться неблагоприятное влияние более соленых морских
вод на водные растения и водоросли в дельтах. Высокое стояние воды также
неблагоприятно для поселений птиц, особенно многочисленных для дельт Волги,
Урала, Терека. Гнездовья многих видов птиц затапливаются, вынуждая птиц к
миграциям.
В устьях рек
происходит
трансформация
гидрохимического и
гидродинамического режима --- увеличивается соленость вод в авандельтах,
изменяются условия осаждения наносов, растет сульфат-редукция, появляются
зоны сероводородного заражения. Низкие тростниковые острова в дельтах
затапливаются, происходит гниение водной растительности, сульфидизация
донных отложений образующихся мелководий.
Затопление свалок, участков нефтяных месторождений, сельскохозяйственных
земель ведет к мобилизации тяжелых металлов, нефтепродуктов, пестицидов и
других поллютантов из затопленных почв в водную массу.
В наземных ландшафтах важнейшим следствием подъема моря является
подтопление почв, повышение уровня грунтовых вод и их минерализации. В
дельте Волги прогнозируемый некоторыми исследователями подъем до --- 25 м
может привести к затоплению ее большей части. Не затопленными останутся
только прирусловые валы. Подтопление будет проявлено в глубь от моря на
несколько десятков километров.
Для наземной биоты главным последствием является гидроморфизация
растительного покрова прибрежной зоны, экспансия растительности на песчаные
субстраты, возникновение биологического круговорота веществ биогенной
ак
Рис. 25.34. Техногенные аномалии 3,4-бензпирена (нг/ г ) в донных отложениях Черного
моря вблизи г.г.Новороссийск и Геленджик (по А.Н. Геннадиеву и Ю.И. Пиковскому).
Рис. 25.35. Железо (а), цинк (б) и медь (в)
в почвах прибрежной зоны Каспийского
моря (Центральный Дагестан). Содержания
(мг/кг)Fe:
1) <1000, 2) 1000--2000, 3) 2000--4000, 4) >10;
Cu: 1) 0--1, 2) 1--2, 3) >2 (по Н.С. Касимову и
М.Ю. Лычагину).
При подтоплении на месте слаборазвитых песчаных почв формируются
дерновые, дерново- глеевые, торфяные, местами засоленные почвы, усложняется
структура почвенного покрова. На лагунно- трансгрессивных берегах
формируются солоноватые болота- марши.
Во вновь образованных влажно- луговых и маршевых почвах передвижение
фронта более минерализованных морских вод ведет к сульфидизации
формирующихся почв за счет связывания железа биогенной и сульфатной серой
морских вод.
Периодическое осушение лагун и маршей ведет к окислению сульфидов,
появлению сульфатных нейтральных и
слабокислых почв, широкому развитию
процессов ожелезнения. Следствием суль-
фидизации и ожелезнения почв является
накопление цинка, хрома, свинца, меди,
кадмия, марганца на сульфидном и
кислородном геохимическом барьерах (рис.
25.35).
Для человека важнейшим последствием
неоправданного хозяйствования в зоне
возможного затопления после понижения
уровня моря в середине века явилось по-
дтопление прибрежных поселений. На
абразивных берегах происходит разрушение
зданий и инженерных сооружений (например,
в городах Махачкала, Дербент). Это требует
создания
дорогостоящих
защитных
сооружений --- волноломов, дамб, стен и т .д .
На аккумулятивных берегах происходит
затопление и подтопление поселений,
требующее их защиты или отселения
населения в более безопасные места.
Оценка
экологических
последствий
подъема уровня Каспийского моря имеет
методологическое и практическое значение.
Прибрежная зона Каспия --- это модельный
объект для анализа быстротекущих колебаний уровня моря. Эколого-
географические исследования позволяют дать прогноз состояния природной среды
региона и тенденций ее развития в ближайшие десятилетия. Прикаспий --- как
территория
с
колеблющимися
и
неустойчивыми природными условиями
требует разработки
соответствующих
принципов
управления
природопользованием,
которое должно
основываться
на учете
последствий
колебаний уровня моря.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение аквальному ландшафту, его месту в каскадных системах,
главным геохимическим особенностям.
2. Назовите основные виды техногенеза в аквальных ландшафтах.
3. Чем отличается геохимическая классификация ландшафтных вод от
классификации вод по ионному составу ("шестикомпонентный состав").
4. Какова геохимическая систематика аквальных ландшафтов? Назовите
критерии выделения их типов, классов, родов и видов.
5. В чем состоят различия геохимии аквальных ландшафтов малых и крупных
рек.
6. Охарактеризуйте геохимию ландшафтов водохранилищ.
7. Приведите конкретные примеры геохимии аквальных ландшафтов дельт, в
разной степени измененных техногенезом.
8. В чем своеобразие геохимических барьеров "река --- море", барьерных зон в
морях?
9. Каковы ландшафтно- геохимические последствия подъема уровня моря для
прибрежных районов?
Глава 26
ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ
НА ОСНОВЕ ГЕОХИМИИ ЛАНДШАФТА
Эколого- геохимическое картографирование применяется для характеристики
пространственного распределения загрязнения и оценки экологического риска для
человека, растений и животных. Теоретическую и методологическую базу такого
картографирования составляют геохимия ландшафта и раздел прикладной
геохимии --- "геохимия окружающей среды". Оно является важной частью
комплексного экологического картографирования.
Таблица 26.1
Эколого- геохимические карты
В составляемые на базе геохимии ландшафта карты, как правило, включают
информацию о компонентах ландшафтов, ландшафтно-геохимической структуре
территории согласно геохимическим классификациям техногенных ландшафтов.
Карты, составляемые на основе геохимии окружающей среды, используют теорию
и методику поисковой геохимии --- главным образом геохимических методов
поисков рудных месторождений (Ю.Е. Сает и др.). Слабая сторона этих карт ---
недоучет ландшафтно- геохимических особенностей территории, роли природных
факторов в миграции загрязнителей, сильная --- показ техногенных аэро-, педо-,
лито-, гидро- и биогеохимических ореолов и потоков рассеяния загрязняющих
веществ. При эколого- геохимическом картографировании на базе геохимии
ландшафта рационально использовать большой опыт Ю.Е. Саета с сотрудниками
по геохимической характеристике компонентов окружающей среды.
26.1. Направления картографирования и типы карт
Оформилось четыре направления рассматриваемого картографирования с
соответствующими каждому из них типами карт (табл. 26.1).
Направления
картографи-
рования
Типы карт
Аналитические Комплексные
Синтетические
Инвентаризаци-
онное
Карты
техногенных
источников
загрязнения
Ситуационное
(факторное)
Карты гео-,
био-, гидрохи-
мических и др.
свойств
компонентов
ландшафта
(биомасса,
гумус, рН, Еh
и др.)
Ландшафтно-
геохимические
карты.
Карты условий
миграции
загрязняющих
веществ в
почвах, водах,
грунтах и
других
компонентах
ландшафта
Индикационное
(карты
мониторинга)
Карты
загрязнения
отдельных
природных сред
и компонентов
ландшафта
(статические
и динами-
ческие)
Оценочное
и прогнозное
Медико-эколого
ландшафтные
карты
Карты потенциальной
опасности загрязнения
природных сред.
Карты
экологического
риска (на
основе геохими-
ческих показа-
телей)
Карты
эколого-геохимического
зонирования и
районирования.
Карты технобиогеом
Рис. 26.1. Концентрация SO42- и
минерализация снежного покрова
(мг/л) в окрестностях г. Плоцка,
Польша (по Э. Малиновской).
Рис. 26.2. Геохимическая карта загрязнения почв г. Тольятти медью.
По данным сетевого опробования, 800 проб (по Н.С. Касимову и О.В.
Инвентаризационное картографирование заключается
в составлении карт источников загрязнения с учетом
объема и структуры выбросов, стоков и отходов. Они
относятся к типу достаточно простых аналитических
карт. Источники показаны, как правило, точками,
пунсонами, зонами воздействия (рис. 26.1).
Ситуационные
или факторные
карты. На
аналитических картах этого типа изображаются
геохимические особенности ландшафта, существенные
для оценки его состояния. Таковы карты биомассы,
распределения гумуса, рН, Еh, гранулометрического
состава почв и отложений и др. К более сложному
комплексному типу относятся собственно ландшафтно-
геохимические карты, на которых показаны факторы
миграции элементов, а также получившие широкое
развитие карты условий миграции загрязняющих
веществ в различных компонентах ландшафта. На них кроме геохимических
особенностей ландшафтов приводится характеристика
условий миграции и ее оценка применительно к
тяжелым металлам, ПАУ и др. поллютантам (А.И .
Перельман, М.А. Глазовская и др.).
Индикационные
эколого- геохимические
карты
составляются по данным геохимического мониторинга и показывают изолиниями,
заливкой, знаками распределение отдельных загрязняющих веществ, например,
свинца в воздухе, почвах, водах, растениях и др. компонентах ландшафта. Эти в
основном аналитические карты получили наиболее широкое распространение
(рис. 26.2), но, к сожалению, составляются часто не на ландшафтно-
геохимической основе.
Оценочные
и
прогнозные
эколого- геохимические
карты
носят
преимущественно
комплексный и синтетический
характер. К ним относятся
медико- геохимические
карты,
карты экологического риска,
карты потенциальной опасности
загрязнения природных сред. В
методическом
отношении
наиболее сложны карты эколого-
геохимического районирования,
на которых оценка территории
учитывает техногенные и природные факторы миграции и степень экологического
риска для компонентов ландшафта, ландшафта в целом и населения (рис. 26.3).
Такие карты составлены для отдельных районов Москвы, Новгорода, для
Ногинска, Тырныауза и других городов (И.А . Авессаломова, Е .М. Никифорова,
Е.П. Сорокина и др.). Составление подобных карт все больше основывается на
компьютерных геоинформационных технологиях.
Для Северного Кавказа, Нижнего Дона, части Донбасса В .А. Алексеенко с
сотрудниками под редакцией А.И . Перельмана составлена и издана серия
ландшафтно- геохимических карт масштаба 1:500 000. На основе особой
систематики на этих картах показаны природные и техногенные ландшафты. Для
речных долин Дона и других больших рек составлены врезки крупного масштаба,
на которых выделены аквальные ландшафты, геохимические барьеры. Карты
могут использоваться как при геохимических поисках полезных ископаемых, так
и при решении экологических задач.
26.2. Карты ландшафтно- геохимических условий миграции радионуклидов
(РН) и размещения предприятий атомной промышленности
Методика составления этих карт учитывает особенности источников
загрязнения и геохимические ландшафты. Хотя она разработана для условий
радиоактивного загрязнения, но может применяться и для других типов
загрязнения, особенно связанного с накоплением тяжелых металлов.
Для территории России подобная карта составлена в масштабе 1:4 000 000*
(рис. 26.4). На ней показаны источники загрязнения РН, причем учитывались не
только объекты России, но и соседних стран, предприятия которых загрязнили
российскую территорию ("чернобыльский след" в Брянской, Орловской,
Тульской, Смоленской и др. областях, загрязнение Алтайского края от ядерных
испытаний на Семипалатинском полигоне Казахстана).
На карте показаны основные типы источников загрязнения и характерные для
них РН как в условиях нормального режима деятельности, так и в аварийных
ситуациях типа чернобыльской катастрофы. Это атомные электростанции,
Рис. 26.3. Схематическая ландшафтно-геохимическая карта городской экосистемы (фрагмент,
Перовский район г.Москвы). По Е.М. Никифоровой.
ядерные полигоны, радиохимические и горно- химические комбинаты, урановые
месторождения, места наземных и подземных ядерных взрывов, места
захоронения радионуклидов, регионы, загрязненные в результате аварий на
Чернобыльской АЭС, предприятии "
Маяк" и др. Каждый источник
характеризуется составом загрязнителей. Для урановых месторождений --- это
уран, радий, радон, торий, для атомных электростанций в аварийных ситуациях ---
йод-131, цезий-137, стронций-90 и другие радионуклиды. Учтены не только
интенсивность загрязнения в Ки/км2, но и период полураспада РН. Так, у йода-
131 он близок к 8 дням, и в настоящее время на территории России этот изотоп,
связанный с чернобыльской катастрофой 1986 г ., полностью распался. Того же
происхождения плутоний-239 с периодом полураспада 24 тыс. лет может
загрязнять ландшафт столетия.
Основной фон карты составляют современные (
не восстановленные)
геохимические ландшафты, которые систематизированы по условиям миграции и
концентрации РН. Поэтому на карте показаны не "
ландшафты черноземных
степей", а "агроландшафты черноземных степей" и т .д. С указанных позиций
объединены ландшафты тундры и лесотундры, северной и средней тайги и другие.
Всего выделено 10 групп геохимических ландшафтов, каждая из которых
включает несколько их видов в зависимости от рельефа, геологического строения
и некоторых других особенностей. Большое значение придается многолетней
мерзлоте, и , например, тундровые и таежные ландшафты разделяются на
мерзлотные и немерзлотные подгруппы. Каждая группа характеризуется
условиями миграции РН и их концентрирования на геохимических барьерах. Так,
например, уран концентрируется главным образом на восстановительных (В и С)
и сорбционных (G) барьерах, стронций-90 --- на щелочном (D) и сорбционном
барьерах, цезий-137 --- на сорбционном барьере. Учитывается, что для
локализации радиоактивного загрязнения пригодны искусственные геохимические
барьеры, создаваемые на основе материалов, имеющихся в самом ландшафте, ---
торфа, лёссов, глин, отходов промышленного и сельскохозяйственного
производства и др. Сведения об этих материалах входят в геохимическую
характеристику ландшафтов, содержащуюся в условных обозначениях.
Геохимическая формула отдельных видов ландшафтов представляет дробь, в
числителе которой указаны геохимические классы ландшафта (кислый, кислый-
глеевый, кальциевый и др.), а в знаменателе --- виды аномалий на геохимических
барьерах (В3, С2, А6 и др.).
Опыт
эколого- геохимического
картографирования
для
атомной
промышленности позволил сделать общие выводы о методике составления
специальных ландшафтно- геохимических карт.
Рис. 26.4. Ландшафтно-геохимические условия миграции радионуклидов. Авторы: А.И. Перельман,
Е.Н. Борисенко, С.М. Кравченко, В.Н. Левин, под редакцией Н.П. Лаверова.
Они должны включать два вида информации. С одной стороны, это источники
загрязнения: промышленные предприятия, населенные пункты, дороги,
агрообъекты и т .д., с характерными ассоциациями загрязняющих веществ, их
концентрацией, а в случае радиоактивного загрязнения и периодом полураспада
радионуклидов. На картах следует показывать не только сами источники
загрязнения, но и обусловленные ими "оторванные" ореолы рассеяния. Второй и
главный компонент карты --- современные ландшафтно- геохимические условия,
устанавливаемые на основе специальной классификации, учитывающей
специфику миграции отдельных видов загрязнителей. Эти условия отображаются
цветом. В пределах крупных таксонов --- групп геохимических ландшафтов их
дифференциация проводится по классам водной миграции, интенсивности
водообмена, определяемой рельефом, особенностями геологического строения.
ЛАНДШАФТНО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ МИГРАЦИИ
РАДИОНУКЛИДОВ
Лесные ландшафты и агроландшафты на месте южной тайги и подтаежной
зоны.*
1. Костромские - H+ , H+ - Fe2+/C2, C6, D2, G2, G6.
2. Полесские - H+ , H+ - Fe2+/C2, C6, G2, G6.
3. Валдайские - H+ , H+ - Fe2+/A6, C2, C6, D2, D6, G2, G6.
4. Смоленские - H+ , H+ - Са2+/А6, C2, С3, C6, С7, D2, D6, D7, G2, G3, G6, G7.
5. Чепцовские - H+ , Са2+, H+ - Са2+/C2, С3, C7, D7, G2, G3, G7.
6. Чусовские - H+ , H+ - Са2+, Са2+/B1, B2, C2, C3, C6, C7, D1, D2, D6, D7, G1, G2, G3,
G6 G7. Агроландшафты и лесные ландшафты лесостепей и широколиственных лесов.
7. Тамбовские - H+ - Са2+, Са2+/C3, C7, F3, H3, H7, G3, G7.
8. Барнаульские - H+ - Са2+, H+, Са2+/C3, C7, F3, F4, G3, G6, H3, H7.
9. Барабинские - Са2+, Са2+ - Fe2+, Na+ - OH- , Nа + - SO2-4/ B3, B4, B7, B8, C3, C4,
C8, F3, F4, F7, F8, G3, G4, G7, G8.
10. Амурские - H+ - Са2+, Ca+ -Fe2+/C3, C6, G3, G6.
11. Стародубские - H+ - Са2+, Са2+/С3, C6, F3, G3, G6.
12. Сарапульские - H+ - Са2+, Са2+/C4, C6, F3, G3, G6.
13. Иркутские - H+ - Са2+, Са2+/C3, C6, F3, G3, G6.
14. Южноуральские - H+ - Са2+, Са2+, H+ - SO2-4/B1, C3, G3 G6, H6.
15. Пятигорские - Са2+, H+ - Са2+, H+ - SO2-4/B1, C3, G3, H6.
16. Уссурийские - H+ - Са2+, H+ - SO2-4/ B1, C3, G3, H6.
Агроландшафты черноземных степей
17. Калачские - Са2+, Са2+ - Nа + , Na+ - OH-/B3, B4, C3, F3, F4, G3, G4.
18. Кулундинские - Са2+, Са2+ - Nа + , Na+ - OH-/ B3, B4, E4, F3, F4, F11, F12, G3, G4,
G11, G12.
19. Кубанские - Са2+/B3, F3, G3.
20. Айдарские - Са2+/B3, F3, G3.
21. Ставропольские - Са2+/B3, E4, F3, G3, G4.
22. Бугульминские - Са2+, Са2+ - Nа +/B3, E4, F3, F4, G3, G4.
23. Алейские - Са2+, Са2+ - Nа + /B3, F3, F4, G3, G4.
24. Орские - Са2+, Са2+ - Nа +/F3, F4, G4.
25. Губерлинские - Са2+/B3, F3, G3.
Агроландшафты сухих степей и пустынь.
26. Сальские - Сa2+ - Na+, Na+ - OH- , Na+ CL-
- SO2-4/B3, B4, E4, F3, F4, F11,
G3, G4, G11.
27. Урулюнгуйские - Сa2+ - Na+, Na+ - OH- , Na+ CL-
- SO2-4/B3, B4, E4, F3,
F11, G3, G4, G11.
28. Чирские - Сa2+ - Na+/E4, F3, G4.
29. Даурские - Сa2+ - Na+/B3, E4, F3, G3, G4.
30. Сулакские - Сa2+, Сa2+ - Na+/B3, F3, G3.
31. Аргуньские - Сa2+, Сa2+ - Na+/B3, F3, F4, G3, G4.
32. Северодвинские - Н+ - Fe2+, H+/C2, C6, D2, D6, G2, G6.
33. Амгуньские- Н + - Fe2+/C6, D6, G6.
34. Мезенские - Н+ - Fe2+, H+/C2, C6, G2, G6.
35. Олонецкие - H+ , Н+ - Fe2+/C2, C6, D2, D6, G2, G6.
36. Андомские - H+ , Н+ - Fe2+/C6, D2, D6, G2, G6.
37. Тиманские - H+ , Н + - Fe2+/C2, C6, D6, G6.
38. Салаирские - H+ , Н+ - Fe2+/C2, C6, D2, D6, G2, G6.
39. Уральские - H+ , Н+ - Са2+, Са2+, H+ - SO2-4/B1, B2, C2, C3, C7, D1, D2,
D6, D7, G1, G2, G3, G6, G7.
40. Сихотэалиньские - H+ , Н+ - Са2+, Са2+, H+ - SO2-4/B1, B2, C2, C3, C7, D1,
D2, D6, D7, G1, G2, G3, G6, G7.
41. Тазовские - Н+ - Fe2+/C2, C6, G2, G6.
42. Зейские - Н+ - Fe2+/С6, G6.
43. Якутские - Н+ - Fe2+, Н+, Н+ - Са2+/ C3, C2, C6, C7, D6, D7, G2, G3, G6,
G7.
44. Тунгусские - Н+ - Fe2+, Н+ - Са2+/C2, C6, D2, D6, G2, G6.
45. Ленские - Н+ - Са2+, Са2+/C2, C7, D2, D7, G2, G7.
46. Cохондинские - Н + - Fe2+, Н+ - Са2+, H+ - SO2-4 /C2, C3, C6, C7, D2, D6,
D7, G2, G3, G6, G7.
47. Пымтинские - Н+ - Fe2+, Н+ /A6, C2, C6, G2, G6.
48. Тигильские - Н+ , Н + - Fe2+/A6, C2, C6, G2, G6.
49. Ичинские - H+ , H+ - SO2-4/A6, C2, C6, G1, G2, G6.
50. Кавказские - H+ , Н+ - Са2+, H+ - SO2-4/A6, C2, C6, D1, D2, D6, G2, G6.
51. Верховые и переходные болота- Н+ , Н+ - Fe2+/C2, C3, G2, G3.
52. Мурманские - Н + , Н + - Fe2+/C2, C6, G2, G3.
53. Хибинские - Н+/C2, G2.
54. Ямальские - Н+ - Fe2+, Н+/C2, C6, G2, G6.
55. Верховые и переходные болота- Н+ , Н+ - Fe2+/C2, G3.
56. Хатангинское - Н+ , Н+ - Fe2+/C2, C6, G2, G6.
57. Верхоянское - Н+ - Fe2+, Н+ - Са2+/C2, C6, D2, D7, G2, G7.
58. Гыданское - Са2+/G3.
59. Таймырское - Са2+/G3.
60. Новоземельское - Са2+/G3.
61. Поймы и дельты рек лесной и тундровой зон - Н+ - Са2+ - Н+ - Fe2+, Са2+ -
Fe2+/A6, A7, C2, C3, C6, C7, D2, D6, D7, G2, G3, G6, G7.
62. Поймы и дельты рек лесостепной, степной и пустынных зон - Са2+, Са2+ -
Fe2+, Са2+ - Nа2+, Na2+ -CL-
- SO2-4/B3, C3, C4, D7, F3, F11, F12, G3, G7, G11,
G12.
63. Ледники.
В результате выделяются виды геохимических ландшафтов однородные по
условиям решения экологических задач. Для каждого вида приводятся
особенности миграции элементов- загрязнителей и их концентрирования на
геохимических барьерах. Кратко это передается с помощью геохимической
формулы ландшафта, показанной на самой карте или в условных обозначениях.
Детальность характеристики геохимических ландшафтов во многом определяется
масштабом карты. Обзорные "стратегические" карты составляются в масштабе 1:1
000 000 и мельче, для характеристики экологической ситуации в отдельных
областях и районах более приемлемы масштабы 1:500 000 --- 1:200 000, при
изучении локальных техногенных аномалий конкретных предприятий или их
групп необходимы карты масштаба 1:100 000 и крупнее (вплоть до 1:2000).
Принципиальная методика во всех случаях одинакова и основана на
картографировании источников загрязнения и ландшафтно-геохимической
ситуации.
26.3. Эколого- геохимическое компьютерное картографирование*
Математико- картографические методы составляют часть технологии эколого-
геохимической оценки городов, и они включают следующие подходы:
составление диффузионных (эмиссионных) моделей рассеяния;
моделирование поверхностей загрязнения;
расчет различных параметров цифровых моделей рельефа;
методы пространственной статистики;
методы многомерных классификаций.
Составление диффузионных (эмиссионных) моделей рассеяния служит
главным образом для прогноза загрязнения атмосферы. Для реализации моделей
необходимы следующие операции:
1) ввести в компьютер метеорологические параметры моделирования ---
скорость ветра, направление ветра, температура и параметры, характеризующие
площади --- их региональную специфику, пространственные координаты и т .д.;
2) провести инвентаризацию источников загрязнения (количество источников,
их наименование, высота выброса, диаметр трубы, скорость газового потока,
характеристика рельефа, координаты);
3) описать свойства загрязнителей. Результатом моделирования является серия
карт прогнозируемого рассеяния загрязнителей вокруг источника. Такие модели
позволяют решать задачи прогнозирования и динамики атмосферного
загрязнения, оценивать опасность возникновения при неблагоприятных
метеорологических условиях высоких концентраций загрязнителей в атмосфере.
Однако с помощью эмиссионных моделей трудно оценить реальную
(имиссионную) картину загрязнения атмосферы. В основе такой оценки лежит
анализ природных компонентов, обладающих депонирующими свойствами, ---
почв, снежного покрова, растительности, донных осадков. По их химическому
составу можно установить источники загрязнения, охарактеризовать состав
загрязнителей, площадь и контрастность техногенных аномалий (напомним, что
по верхнему слою почвы судят о среднемноголетнем загрязнении города, по
химизму снежного и растительного покрова --- о сезонном).
Моделирование
поверхностей загрязнения
используется
для
автоматизированного
построения
моноэлементных
карт
загрязнения
депонирующих сред. Разработаны цифровые модели "рельефа" непрерывных и
дискретных полей (О.Р. Мусин, С.Н. Сербенюк), с помощью которых решаются
задачи
автоматизированного
построения
информационных
моделей
геохимических полей. Независимыми переменными для них являются
пространственные координаты, зависимыми --- исследуемые количественные
показатели, например, концентрации тяжелых металлов.
При нерегулярной сети опробования для построения моноэлементных карт
загрязнения, как правило, применяются различные методы математической
интерполяции.
Метод средневзвешенной интерполяции целесообразен для построения
детальных карт загрязнения почвенного покрова, когда опорные точки
расположены достаточно плотно. Полученные карты наиболее достоверны, так
как метод не дает нежелательных "всплесков" функции, т . е . расчетные значения
загрязнителя не будут превышать его реальное содержание в базисных точках.
Достоинством метода является "локальность", т . е . на значение моделируемой
функции и ее производных в любой точке практически не влияют значения в
опорных точках, "далеко" отстоящих от нее. Это важно по нескольким причинам:
аномально высокие концентрации на отдельных участках не вносят существенных
ошибок в общую картину распределения загрязнителя; можно точнее
идентифицировать многочисленные источники загрязнения, так как данный
алгоритм направлен на их разделение, а не на слияние; максимально учитывается
возможная неоднородность почвенного покрова и загрязнения (не только
рассеянное загрязнение через атмосферу, но и импактное --- складирование
токсичных веществ, разливы и т . п .).
Метод аналитических сплайнов оптимально использовать для построения карт
загрязнения снежного покрова, так как он дает наиболее представительные
результаты по редко расположенным базисным точкам (точки опробования при
снегогеохимических съемках располагаются достаточно редко, причем каждая
является осредненной из 10 --- 15 образцов). При построении карт загрязнения
этим методом получается наиболее плавная картина распределения загрязнителей,
что соответствует природе формирования атмогеохимических техногенных
аномалий. Основной недостаток метода --- возрастание ошибки при количестве
базисных точек более 150 --- в данном случае не является ограничением, так как
число точек опробования снежного покрова даже крупного города редко
превышает 100 --- 120.
Кусочно- полиноминальная интерполяция --- наиболее сглаживающая и ее
использование приводит к хорошим результатам, даже если значения в опорных
точках содержат ощутимую погрешность. Этот метод применяется при
построении карт загрязнения по данным полуколичественного спектрального
эмиссионного анализа. Это удобно при решении задач оценки общих тенденций
загрязнения без количественной детализации аномалий.
Кригинг- интерполяция в настоящее время широко применяется и может
использоваться в различных случаях, так как имеет максимально широкий
диапазон измерений параметров (С.Н. Сербенюк и др.). Меняя параметры: тип
варьирования функции (линейная, экспоненциальная и сферическая) и радиус
влияния базисной точки, можно существенно изменять алгоритм расчета. Данный
метод наиболее универсален, и карты, полученные на его основе, в зависимости
от используемых при расчете параметров похожи в одном случае на карты
средневзвешенной интерполяции, в другом --- на карты сплайн- интерполяции.
Таким образом, при построении карт загрязнения не следует ограничиваться
каким- либо одним методом математической интерполяции: в зависимости от
исследуемого компонента ландшафта, характера опробования, точности
комплексного анализа и других условий следует выбирать подходящий метод.
Расчеты различных параметров цифровых моделей "рельефа" и методы
пространственной статистики. Для облегчения анализа построения
моноэлементных карт загрязнения используется программное обеспечение,
позволяющее делать необходимые расчеты и представлять информацию в удобном
для интерпретации виде.
Можно представить "рельеф" загрязнения в виде трехмерной модели (рис. 26.5,
а).Выбрав точку наблюдения, рассчитываются необходимые для анализа
параметры (длины, площади, объемы, горизонтальные и вертикальные углы,
основные статистические характеристики). Кроме того, для выявления
распределения загрязнителей от источника по розе ветров можно строить профили
(рис. 26.5, б), гистограммы распределения, различные блок-диаграммы, а также
создавать производные карты: карту градиентов (для выявления барьерных зон,
рис. 26.5, в) и карту максимальных и минимальных значений (водоразделов
тальвегов, рис. 26.5, г) и т.д .
Среди специализированных производных карт большое значение имеют карты
корреляций между двумя или более картами, которые используются для
выявления схожести аномалий одного и того же загрязнителя в различных
природных средах (рис. 26.6).
При этом создаются не стандартные карты распределения коэффициента
корреляции, а карты, где специальным образом выделена значимая положительная
корреляция. Такие карты выявляют наиболее опасные участки города, где
увеличиваются концентрации нескольких загрязнителей в различных природных
средах. Например, таким способом выделена зона свинцового загрязнения г .
Иновроцлава (Польша). Однако с помощью этого метода невозможно комплексное
эколого- геохимическое районирование территории промышленного города с
учетом максимального количества выявленных закономерностей.
Методы многомерных классификаций. При комплексном геохимическом
районировании и картографировании основные трудности связаны с
неоднозначностью определения критериев синтеза большого количества
моноэлементных карт загрязнения различных природных сред в синтетическую
карту зонирования. Несмотря на сложность и неоднозначность районирования его
проведение все же необходимо для характеристики общего состояния среды и
разработки природоохранных мероприятий. Приведем пример решения такой
задачи на основе почвенно- геохимического районирования, проведенного в г .
Тольятти (Н .С. Касимов и О.В. Моисеенков). Был применен кластерный анализ,
который учитывает весь комплекс исследуемых показателей. Для выявления
причинно- следственных связей между ландшафтно- геохимическими факторами
загрязнения и самоочищения и загрязнителями выполнено три варианта
типизации городских ландшафтов.
Рис. 26.5. Различные формы
представления
эколого- геохимической
информации:
а --- трехмерные модели, б --- профили, в --- карты
градиентов, г --- карты минимальных значений (по
О.В. Моисеенкову).
Первый заключается в классификации
городских ландшафтов по трем наиболее
важным в данном случае ландшафтно-
геохимическим факторам, определяющим
устойчивость ландшафтов и поведение в них
загрязнителей (рН, механический состав,
содержание гумуса). Второй основан на
классификации территории только с учетом
загрязнителей в почвах (
содержание 9
тяжелых
металлов). Третий вариант
типизации
включает
анализ
всех
исследуемых параметров.
Первый алгоритм. В условиях города не
всегда ясно соотношение природных и
антропогенных
факторов.
Для
интерпретации связей между переменными в
многомерной
совокупности
данных
применяется
компонентный
анализ,
позволяющий выделить наиболее важные
переменные. Например, для Тольятти из всей
анализируемой совокупности данных (рН,
процент гумуса, содержание P, K, N,
физической глины, Zn, V, Pb, Mo, Mn, Co,
Ni) выявились три основных фактора: рН,
содержание физической глины и гумуса, которые обладают максимальным весом
и обусловливают 89% дисперсии. В
результате кластер- анализа по этим трем
факторам на территории города выделилось
8 наиболее устойчивых классов. На самом
высоком
таксономическом
уровне
разделение на 3 класса было произведено по
самому значимому фактору --- щелочно- кислотным условиям почв (кислый,
нейтральный и слабощелочной классы). Далее эти классы разделяются по
механическому составу с учетом содержания гумуса.
Второй алгоритм. Для оценки загрязнения почв тяжелыми металлами
проводится аналогичная кластерная классификация для 9 основных
загрязнителей: Pb, Zn, Cu, Cr, Co, Ni, V, Mo, Mn. В результате также выделено 8
устойчивых кластеров, отличающихся друг от друга по уровню загрязнения и
элементному составу загрязнителей. Для количественной оценки этих различий по
каждому из них рассчитывается суммарный показатель загрязнения Zc, а для
каждого элемента, содержание которого превышает фоновое --- геохимический
показатель М (%), отражающий долю участия химического элемента в
ассоциации. Например, на территории города выделились три основных типа
загрязнения почв: 1 --- полиэлементные аномалии с преобладанием в ассоциации
Mo и Zn; 2 --- моноэлементные существенно свинцовые аномалии; 3 ---
биэлементные Mo --- Cr аномалии.
Третий алгоритм. Почвенно- геохимическое зонирование проводится с учетом
рН, содержания гумуса, физической глины, Cr, V, Mo, Ni, Co, Mn, Zn, Cu, Pb. В
результате 8 синтетических кластеров объединяют природные и техногенные
факторы: 1 --- кислый песчаный среднегумусный сильно загрязненный Mo и Cr; 2
--- кислый супесчаный многогумусный очень сильно загрязненный Mo и Cr; 3 ---
нейтральный супесчаный среднегумусный средне загрязненный Mo и Cr; 4 ---
нейтральный суглинистый многогумусный сильно загрязненный Mo и Cr; 5 ---
слабощелочной песчаный малогумусный с очень слабым полиэлементным
загрязнением, преимущественно Pb и Zn; 6 --- аналогичен пятому, но с более
щелочной реакцией среды; 7 --- слабощелочной суглинистый слабо загрязенный
полиэлементной ассоциацией (преимущественно Mo --- Pb); 8 --- отличается от
седьмого Ni --- Pb ассоциацией.
Таким образом, математико- картографическое моделирование на основе
кластерного анализа позволяет получать серии карт экологического состояния
городской среды. Это карты физико- химических параметров почв, определяющих
поведение загрязнителей; карты, характеризующие уровень и состав загрязнения
городской среды, а также более общие синтетические карты эколого-
геохимического районирования городской агломерации. Подобное почвенно-
геохимическое зонирование является методической основой более сложного
комплексного автоматизированного районирования территории с учетом условий
миграции и распределения загрязняющих веществ в других компонентах
ландшафта --- атмосфере, выпадениях, растительном покрове, поверхностных и
грунтовых водах, донных осадках.
Приведенные методические принципы автоматизированной обработки эколого-
геохимической информации используются при оценке состояния различных
территорий, служат необходимым блоком географических информационных
систем и составной частью экологического картографирования и районирования.
Контрольные вопросы
Рис. 26.6. Карты распределения цинка в г. Инвроцлавле (Польша): а --- в почвах, б --- в травах, в ---
коэффициенты корреляции между содержанием цинка в почвах и травах (по В.В. Батояну,
Н.С. Касимову, О.В. Моисеенкову).
1. Назовите теоретическую и методическую базу эколого- геохимического
картографирования.
2. Какие типы карт составляются на основе геохимии ландшафта.
3. Какие общие выводы следуют из опыта составления карт ландшафтно-
геохимических условий миграции радионуклидов и размещения предприятий
атомной промышленности?
4. Охарактеризуйте возможности компьютерного картографирования.
Часть VI
Геохимия элементов в ландшафтах*
Глава 27
ГЕОХИМИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
ПО ОСОБЕННОСТЯМ ИХ МИГРАЦИИ В ЛАНДШАФТАХ
И БИОСФЕРЕ
Своеобразие миграции элементов в биосфере и , в частности, в ландшафтах
потребовало разработки особой их геохимической классификации (табл. 27.1). В
ее основе формы, интенсивность и контрастность миграции элементов, их
концентрирование на геохимических барьерах. В биосфере многие элементы
обладают переменной валентностью, что усложняет их миграцию: атомы ведут
себя как разные элементы. Так, двухвалентное железо (Fe2+) по интенсивности
миграции напоминает кальций и другие двухвалентные катионы, трехвалентное
железо (Fe3+), напротив, малоподвижно и напоминает Al и Cr. Как разные
элементы ведут себя пяти- и трехвалентный V: первый похож на Р, второй --- на
Fe3+. Резко различна миграция шести- и четырехвалентного U, двух-, четырех- и
шестивалентного Se, двух- и четырехвалентного Mn и т .д. На миграцию таких
элементов огромное влияние оказывают окислительно- восстановительные условия
среды. Поэтому геохимическая классификация должна учитывать особенности
поведения элементов в различных окислительно- восстановительных обстановках.
Наконец, напомним, что в живых организмах элементы ведут себя иначе, чем в
водах или атмосфере. Следовательно, при определении места каждого
химического элемента в классификации необходимо учитывать его поведение и в
организмах, и в водах, а для некоторых и в воздушной среде.
Хорошо мигрируют в кислых водах
Каждая группа классификации представляет собой парагенную ассоциацию
элементов, совместно мигрирующих и концентрирующихся на геохимических
барьерах. В пределах групп элементы расположены по величине кларков, так как
при сходных химических свойствах чем выше кларк, тем больше роль данного
элемента в ландшафте.
Основным в классификации является разделение элементов на воздушные и
водные мигранты. Для первых характерно газообразное состояние --- миграция в
виде летучих соединений, что накладывает резкий отпечаток на их поведение в
ландшафте. Воздушные мигранты мигрируют и с водными растворами, например,
ОиНв водеи солях,Св видеСа(НСO3)2.
Таблица 27.1.
Геохимическая классификация элементов по особенностям миграции
в биосфере и ландшафтах (по А.И. Перельману)
Очень подвижные (коэффициент водной миграции Кх = 10n --- 100n)
C постоянной валентностью (концентра-
ция на испарительном барьере)
Cl Br
C переменной валентностью (концент-
рация на испарительном
и восстановительном барьерах)
S
Подвижные (Кх = n --- 10n)
С постоянной валентностью
CaNaMgSrRa
FB
Слабоподвижные (Кх = 0,n --- n)
C постоянной валентностью
KBaRbLiBeCs
SiP
C переменной валентностью
Tl
SnGeAsSb
Подвижные и слабоподвижные в окислительной и глеевой обстановке
(Кх = 0,n --- n) и инертные в восстановительной сероводородной обстановке (Кх
< 0,n). Осаждаются на сероводородном барьере
Хорошо мигрируют в кислых водах
окислительной и глеевой обстановки и
осаждаются на щелочном барьере
ZnCuNiPbCd
Мигрируют и в кислых, и в щелочных
водах окислительной обстановки
Hg Ag Bi.
Подвижные и слабоподвижные в окислительной обстановке (Кх = 0,n --- n) и
инертные в восстановительной обстановке (
глеевой и сероводородной).
Осаждаются на сероводородных и глеевых барьерах
VUMoSeAuRe
Подвижные и слабоподвижные в восстановительной глеевой среде (Кх = 0,n ---
n) и инертные в окислительной и восстановительной сероводородной средах.
Осаждаются на кислородных и сероводородных барьерах
FeMnCo
Элементы малоподвижные в большинстве обстановок (Кх = 0,n --- 0,0n и
менее), а также малоизученные элементы (Кх = ?)
Очень редкие элементы, геохимия которых в биосфере почти не изучена
Характерно самородное состояние
OsPdRuPtRhJr
Примечание. Полужирным шрифтом выделены элементы, для которых особенно
характерно накопление в живых организмах.
В общей геохимии широко распространено разделение химических элементов
на 4 группы --- атмофильную, литофильную, халькофильную и сидерофильную.
Эта классификация разработана В.М. Гольдшмидтом в 1924 г . и основана на его
гипотезе об образовании оболочек Земли и представлениях о строении атомов.
Ученый исходил из предположения, что наша планета первоначально находилась
в расплавленном состоянии и дифференциация элементов происходила
аналогично выплавке металлов из руд. При этом на дно металлургической печи
опускается тяжелый металл с плотностью около 7 (аналог земного ядра), а на
поверхность всплывает легкий силикатный шлак --- аналог земной коры. Между
ними располагается слой сульфидов железа с примесью сульфидов других
металлов ("штейн"). Так, по гипотезе Гольдшмидта, образовалось металлическое
ядро Земли (сидерофильные элементы), земная кора и верхняя мантия, в которой
сконцентрировались элементы, обладающие большим сродством к кислороду
(литофильные элементы), и основная часть мантии из элементов с высоким
сродством к сере (
халькофильные элементы). Инертные газы и азот,
сосредоточенные в атмосфере, он отнес к атмофильной группе. Эти построения
ученый увязал с особенностями строения атомов. Так, инертные газы имеют
атомы с 8-электронной оболочкой (кроме гелия) --- 6 элементов, литофилы
образуют ионы с 8-электронной оболочкой (54 элемента), халькофилы --- ионы с
18-электронной оболочкой (19 элементов), а у сидерофилов ионы с 8 --- 18-
электронной оболочкой (11 элементов). Ныне гипотеза Гольдшмидта об
образовании оболочек Земли имеет лишь исторический интерес, но его
геохимическая классификация элементов не утратила своего значения и
применяется широко. Понятия о литофильных, халькофильных и сидерофильных
элементах используются и в геохимии ландшафта.
Контрольные вопросы
1. Почему необходима особая геохимическая классификация элементов и
недостаточно использование с этой целью периодической системы Менделеева?
2. Каковы критерии, используемые в геохимической классификации элементов
по особенностям их миграции в биосфере и ландшафтах?
3. Почему в пределах выделенных групп в этой классификации элементы
располагаются в порядке уменьшения кларков?
4. Какое значение при разработке классификации придано геохимическим
барьерам?
Глава 28
ВОЗДУШНЫЕ МИГРАНТЫ
28.1. Элементы, образующие химически активные газы --- O, H, C, N, J
Первые три элемента группы благодаря высокой химической активности и
большим кларкам играют огромную роль в ландшафтах, определяя свойства вод,
формирование важнейших геохимических барьеров. Это главные элементы живого
вещества, характерные атомы- спутники атмосферы, гидросферы, многих систем
литосферы. Роль N особенно велика в биогенной миграции.
Кислород --- О (8; 15,999)*. Это наиболее распространенный элемент твердой
земной коры, гидросферы, живых организмов. Его кларк в литосфере --- 47,4%,
еще выше в гидросфере --- 86,82% и живом веществе --- 70% (рис. 28.1). Все
организмы --- кислородные существа. По Вернадскому, свободный кислород ---
самый могущественный деятель из всех нам известных химических тел земной
коры. Поэтому в большинстве систем биосферы, например, в почвах, грунтовых,
речных и морских водах, кислород является геохимическим диктатором,
определяет геохимическое своеобразие системы.
На земной поверхности зеленые растения в ходе фотосинтеза разлагают воду и
выделяют свободный кислород (O2) в атмосферу и гидросферу (водные растения).
За миллиарды лет геологической истории растения сделали атмосферу
кислородной, воздух, которым мы дышим, подчеркивал Вернадский, создан
жизнью.
В стратосфере в результате физико- химических реакций образуется озон: O2 +
О Х O3. Хотя его общая масса невелика и при нормальном давлении составила бы
слой мощностью лишь 1,7 --- 4 мм, "озоновый экран" задерживает губительную
коротковолновую радиацию солнца. Поэтому наземная жизнь могла развиться
только после возникновения данного экрана, как считают некоторые геологи, --- в
Рис. 28.1. Кларки концентрации кислорода (по А.И. Перельману) 1 --- терригенные осадочные породы; 2 ---
известняк; 3 --- бурый уголь; 4 --- глины; 5 --- глины и сланцы; 6 --- нефть; 7 --- антрацит; 8 --- гипсолиты;
9 --- галолиты; 10 --- основные магматические породы; 11 --- кислые породы; 12 --- ультраосновные
породы; 13 --- сапропель, торф; 14 --- кислое выщелачивание; 15 --- сернокислое выщелачивание; 16 ---
кислородная граница; 17 --- направление движения вод; 18 --- воздушная миграция. Геохимические
бaрьеры: 19 --- сорбционный;
20 --- термодинамический; 21 --- испарительный; 22 --- восстановительный; 23 --- восстановительный и
сорбционный; 24 --- биогеохимический; 25 --- биогеохимический и сорбционный; 26 --- карбонатный; 27 ---
сульфатный; 28 --- щелочной; 29 --- кислый; 30 --- водородный; 31 --- кислородный; 32 --- кальциевый; 33 ---
серeбряный; 34 --- серный. Кларки концентрации: 35 --- больше или равные единице; 36 --- меньше единицы.
начале палеозойской эры (около 600 млн. лет назад).
В последнее десятилетие установлено уменьшение концентрации озона над
Антарктидой, охватывающее грандиозную площадь --- миллионы квадратных
километров. Менее выражено данное явление в Арктике и других регионах.
Происхождение этой "
озонной дыры" связывают с действием фреонов ---
хлористых соединений, входящих в состав антропогенных аэрозолей. Играют роль
и природные причины. Уменьшение количества озона в атмосфере, возможность
исчезновения озонового экрана представляет серьезную опасность для
человечества, этой проблеме уделяется большое внимание.
Число реакций окисления, расходующих свободный кислород, велико. В
биосфере они в основном осуществляются организмами (дыхание), хотя известно
и чисто химическое окисление. В почвах, илах, реках, морях и океанах,
подземных водах, везде, где имеются органические вещества, микроорганизмы
окисляют эти вещества. Таким образом, круговорот свободного кислорода в
биосфере складывается из противоположных ветвей --- его образования при
фотосинтезе и поглощения в различных окислительных реакциях. При окислении
выделяется энергия, поглощенная при фотосинтезе.
Длительное время считалось, что свободный кислород в земную кору проникает
только до уровня грунтовых вод. Позднее гидрогеохимики сделали важное
открытие --- доказали, что в горах, особенно в аридных районах, свободный
кислород проникает с подземными водами на глубины более 1 км, т .е . за пределы
ландшафта.
В большинстве природных вод, содержащих свободный кислород, т . е. сильный
окислитель, есть и органические соединения --- сильные восстановители. Поэтому
все подобные системы неравновесны и богаты свободной энергией.
Неравновесность выражена тем резче, чем больше в системе живого вещества.
Так, во влажных тропиках, в тайге живого вещества много и речные воды там
наряду со свободным кислородом содержат много растворенного органического
вещества ("черные тропические реки", например, Рио-Негро, "коричневая вода"
таежных рек). Конечно, и эти воды подчиняются законам термодинамики ---
реакции в них направлены в сторону равновесия --- окисления органических
веществ. Однако равновесие никогда не достигается, так как в эти открытые
системы все время поступают новые порции органических веществ и кислорода
воздуха.
Везде в биосфере, где воды, не содержащие свободный кислород (болотные и
др. с восстановительной средой), встречают этот газ, возникает кислородный
геохимический барьер А, на котором концентрируются Fe, Mn, S и другие
элементы. С этим барьером связаны многие практически важные процессы.
Ранее господствовало представление, что с углублением в земную кору среда
становится более восстановительной, однако это не полностью отвечает
действительности. Наиболее восстановительные условия в биосфере возникают на
участках энергичного разложения органических веществ, а не на максимальных
глубинах. Такие участки характерны и для земной поверхности (болота, илы,
солончаки и т .д .), и для водоносных горизонтов. И биосфере в целом, и
ландшафтам присуща принципиально сходная окислительно- восстановительная
зональность, порожденная солнечной энергией, приводящей к накоплению
сильных окислителей (O2) и сильных восстановителей (органический углерод,
сероводород и т .д.).
На ранних стадиях развития Земли (архей, ранний протерозой) свободного
кислорода в атмосфере, вероятно, не было или же содержание его было ничтожно.
Об этом свидетельствует отсутствие кислорода в атмосферах других планет
Солнечной системы. Фотодиссоциация и другие физико- химические процессы
приводили лишь к появлению незначительного количества кислорода, который
быстро расходовался на реакции окисления. Биосфера той эпохи существенно
отличалась от современной --- в ней не было реакций окисления свободным
кислородом, а следовательно, столь характерных для современной земной
поверхности красных, бурых и желтых почв, илов, осадочных пород. Fe и Mn
мигрировали в легкоподвижной форме (Fe2+ и Mn2+). Кислородные барьеры
отсутствовали,
окислительно- восстановительные
условия
были
недифференцированными. На земной поверхности, вероятно, преобладала глеевая
среда, менее восстановительная, чем в современных болотах.
Появление зеленых растений знаменовало новый качественный этап в истории
Земли --- поступление свободного кислорода в атмосферу и гидросферу. Главную
его массу в то время накопили водоросли океана, так как суша в докембрии, а
возможно, еще и в нижнем палеозое (до середины девона) представляла собой
примитивную пустыню с редкими растениями. Свободный кислород оказал
огромное влияние на зону гипергенеза материков --- из восстановительной она
стала окислительной. Материки стали сплошной зоной окисления, поскольку
аккумуляции органического вещества и восстановительные барьеры на суше
отсутствовали. Так, развитие жизни привело еще в докембрии (не позднее 2 млрд.
лет назад) к смене восстановительной зоны гипергенеза окислительной. Миграция
Fe, возможно, и Mn, ослабла, S --- стала энергичнее.
В девоне возникли лесные ландшафты, началось углеобразование. В
понижениях формировались восстановительные барьеры --- участки с дефицитом
кислорода, с резковосстановительной средой. На повышенных элементах рельефа
в почвах и корах выветривания продолжала господствовать окислительная среда.
Так, около 350 млн. лет назад, начался окислительно- восстановительный этап
эволюции биосферы с развитием в ландшафтах резкоокислительных и
резковосстановительных условий. В ландшафтах возникли кислородные барьеры и
связанные с ними концентрации Fe, Mn, Co, S и других элементов. Этот третий
этап в общем продолжается и сейчас.
При сжигании топлива ежегодно расходуются миллиарды тонн атмосферного
кислорода. В некоторых развитых промышленных странах его сжигают больше,
чем дает фотосинтез. Так, в ноосфере меняется круговорот кислорода, в будущем
возможно уменьшение его содержания в атмосфере, однако оснований для
опасений пока нет --- столь велики запасы кислорода в атмосфере Земли.
Водород --- Н (1; 1,0079). Этот самый легкий элемент преобладает в космосе
(около 75%), но в планетах земной группы его немного. В широко
распространенных горных породах --- гранитах около 0,1% водорода и только в
гидросфере и живом веществе его более 10% (рис. 28.2). В земной коре большая
часть атомов водорода входит в состав воды, углей, нефти, горючих газов, живых
организмов, глинистых и других минералов. Главные атомы-спутники водорода ---
О, С и S, с которыми во многом связана его история в биосфере.
Известен и свободный водород --- следы его обнаружены в атмосфере (около
5.10-5 об.%), установлен он и в горных породах, в вулканических и других
природных газах. В биосфере свободный водород продуцируют многие бактерии,
разлагающие органические вещества. Эти процессы "водородного брожения" идут
без свободного кислорода (маслянокислое, пропионовокислое и др.). Свободный
водород образуется и в земных глубинах: в магматических очагах, в зоне
метаморфизма, возможно, в мантии и земном ядре. По зонам разломов такой
глубинный водород поступает в биосферу, в ландшафты.
Свободный водород --- сильный восстановитель, и в местах его поступления
формируется глеевый геохимический барьер С. На нем осаждаются Cu, Ag, U, Se,
Mo, Au.
Cвободный водород возникает, и при действии радиоактивных излучений на
воду ---
"радиолизе воды", наиболее энергичном в местах скопления
радиоактивных элементов, например на месторождениях U и Th. Известны и
другие процессы образования свободного водорода. Однако в истории самого
легкого элемента подобные процессы играют второстепенную роль, так как
большее значение имеет история связанного водорода, в первую очередь воды.
Вернадский подчеркивал, что химические особенности воды определяются
свойствами атомов водорода, а не кислорода. В биосфере преобладает соленая
вода морей и океанов, пресная вода составляет около 3% общего запаса воды. Три
четверти ее содержится в полярных льдах и горных ледниках, значительная часть
остатка --- в грунтовых водах и озерах. В атмосфере очень немного воды (в виде
водяных паров), но она является важным переносчиком энергии, определяет
погоду.
В биосфере и в земной коре в целом вода участвует в круговоротах разных
масштабов --- от грандиозного процесса, связывающего материки и океаны, до
локального круговорота в ландшафте, когда сильное испарение в летний день
приводит к образованию облаков и дождю.
В ландшафтах и верхних горизонтах морей и океанов при фотосинтезе вода
разлагается, ее водород участвует в образовании органических соединений, а
свободный кислород поступает в атмосферу и гидросферу. С.Л. Шварцев важное
значение придает разложению воды в земной коре, в ходе которого ее компоненты
(например, ионы водорода Н+ и гидроксила ОН-) соединяются с разными
минералами, начинают самостоятельную миграцию. Это происходит при
Рис. 28.2. Кларки концентрации водорода. Условные обозначения к этой и аналогичным схемам (все по
А.И. Перельману) те же, что и на рис. 28.1.
образовании карбонатов, глинистых минералов. Грандиозна геохимическая роль
воды в качестве среды миграции большинства элементов. Особенно велика роль
водородного иона, хотя лишь незначительная часть атомов водорода природных
вод находится в ионизированной форме.
Там, где энергично разлагаются органические вещества, образуются кислоты
гумусового ряда, а также угольная кислота. В ландшафтах влажного климата под
влиянием органических кислот в почвах и корах выветривания развивается кислое
выщелачивание, многие металлы выносятся (преимущественно в комплексах с
органическими соединениями). Разложение органических веществ здесь нередко
протекает в бескислородной среде, например, в болотах, на дне озер, где
развивается кислое глеевое выщелачивание. В водах, богатых органическими
веществами, легко мигрируют Fe и Mn. Зоны кислого глеевого выщелачивания
характерны и для водоносных горизонтов осадочных пород.
В местах резкого увеличения кислотности вод возникает кислый геохимический
барьер Е, на котором концентрируются многие элементы. Наиболее контрастны
эти барьеры при большом перепаде рН --- от щелочного к кислому. На таком
барьере осаждаются Si, U, Mo, Se и другие элементы, так как их подвижность
уменьшается в кислой среде. Кислый барьер характерен и для окисляющихся
сульфидных руд и пород, для водоносных горизонтов на участках захоронения
растительных остатков (в результате их биохимического окисления и выделения
углекислого газа). К проявлениям кислого барьера относятся окремнение древних
кор выветривания, зон окисления сульфидных руд, стволов деревьев в
водоносных горизонтах и другие явления, широко распространенные в биосфере.
Например, окремнелые стволы деревьев встречаются в красноцветных пермских
песчаниках Приуралья. Они были водоносными горизонтами как в период
отложения песков на пермских аллювиальных равнинах, так и позднее, когда
осадочные породы погрузились на значительные глубины и стали вместилищем
подземных вод артезианского бассейна. Есть доказательства, что эти воды имели
сильнощелочную реакцию, т . е . относились к содовому типу, очень
благоприятному для миграции кремнезема. В местах захоронения стволов
деревьев происходило бактериальное разложение органических остатков с
выделением углекислого газа и , возможно, органических кислот. Поэтому здесь
возникал кислый геохимический барьер Е4 или Е8, благоприятный для осаждения
Si, который постепенно, клеточка за клеточкой (метасоматически) замещал
древесину (А.И. Перельман).
Интересные геохимические проблемы связаны с изотопами водорода ---
стабильным дейтерием (2Н) и радиоактивным тритием (3Н). В природных водах
дейтерия около 0,0147 ат.%. Изучая его распределение в поверхностных и
подземных водах, можно решать многие задачи гидрогеологии и геохимии.
Радиоактивный тритий (3Н --- Т) с периодом полураспада 12,262 года обладает
мягким b- излучением и превращается в 3Не. Содержание трития в атмосфере
ничтожно --- 4.10-15ат.%, в атмосферных осадках еще меньше --- 3.10-18ат.%, в
поверхностной океанической воде --- 1.10-18ат.%, в сотни раз меньше в глубинах
океана. В природе тритий образуется из азота в высоких слоях атмосферы под
влиянием нейтронов космических лучей. Возможны и другие ядерные реакции его
образования. Общее содержание природного трития на Земле до 1954 г .
составляло 12 кг, к 1958 г . оно удвоилось за счет ядерных взрывов. Изучение
распределения трития позволяет решать многие задачи гидрологии, метеорологии,
геофизики, геохимии.
Миллиарды лет назад свободный водород, вероятно, содержался в первичной
атмосфере. Однако масса Земли недостаточна, чтобы удержать в атмосфере такой
легкий газ. Поэтому часть свободного водорода утеряна Землей в результате
диссипации в мировое пространство. В то же время какое- то количество водорода
поступает из мирового пространства с метеоритами. Баланс этих
противоположных процессов не известен. Многие проблемы исторической
геохимии водорода, в том числе связанные с историей воды, ждут своего
решения.
Хозяйственная деятельность внесла большие изменения в миграцию водорода.
В первую очередь это касается круговорота воды, таких его составляющих, как
орошение пустынь, вырубка лесов и распашка почв, осушение болот,
водоснабжение городов и т .д.
Углерод --- С (6; I2.0111). При кларке земной коры 2,3.10-2% углерод
интенсивно накапливается в биосфере --- в чистых известняках его 12%, в живом
веществе --- 18, в древесине --- 50, в каменном угле --- 80 (рис. 28.3). В земной
коре преобладающая часть атомов углерода сосредоточена в известняках и
доломитах. Однако исключительная геохимическая роль углерода определяется не
кларком и не миграцией, а тем, что он геохимический аккумулятор солнечной
энергии. В ходе круговорота этот аккумулятор "заряжается" при фотосинтезе и
"разряжается" при разложении органических веществ, обогащая биосферу
свободной энергией (рис. 28.4).
Разница между органическими и неорганическими соединениями углерода
значительна --- это два полюса круговорота углерода. В живом веществе и во
многих продуктах его разложения углерод входит в состав крупных органических
молекул. Его способность создавать цепочки атомов определяет большое
разнообразие органических соединений, число которых измеряется сотнями
тысяч. Часть этих соединений входит в состав живого вещества и устойчива лишь
в поле жизни. Вне организма они, в частности, белки, витамины, гормоны, быстро
разлагаются. Другие органические соединения --- битумы, гумусовые вещества ---
исключительно устойчивы в биосфере.
В неорганических соединениях углерод преимущественно связан в углекислом
газе и его производных --- карбонатах. Принципиальное различие органических и
неорганических форм соединений --- характерная особенность химии углерода.
Рис. 28.3. Кларки концентрации углерода.
В биосфере из углекислого газа, воды и минеральных солей за счет солнечной
энергии зеленые растения синтезируют органические соединения (фотосинтез).
Часть этого органического вещества, разлагаясь при дыхании и минерализации
органических остатков, снова превращается в углекислый газ. Динамическое
равновесие между живым веществом и углекислым газом Вернадский назвал
жизненным циклом:
СO2 живое вещество.
Накопленные при фотосинтезе органические вещества окисляются не
полностью, они преобразуются и сохраняются в осадочных породах в виде
гумуса, бурых и каменных углей, сапропелей, битумов и других горючих
ископаемых. Часть этого органического углерода также окисляется
микроорганизмами в почвах, илах, водоносных горизонтах и таким образом
геологически быстро включается в круговорот. Другая часть органического
углерода сохраняется в осадочных породах на протяжении геологических
периодов и даже эр. Например, в недрах содержатся угли, обязанные фотосинтезу,
протекавшему в ландшафтах девонского и каменноугольного периодов
палеозойской эры (350 --- 270 млн. лет назад). В горючих ископаемых углерода в
тысячи раз больше, чем в живом веществе. Следовательно, круговорот углерода
не замкнут, значительная часть его атомов надолго изымается из круговорота.
Это имеет огромное геохимическое значение, так как только захоронение
углерода делает возможным существование свободного кислорода в атмосфере.
Если бы при круговороте все органические вещества полностью окислялись, то
весь кислород, выделившийся при фотосинтезе, израсходовался бы на окисление.
Рис. 28.4. Геохимический цикл углерода в географической оболочке. Квадраты --- резервы углерода (т),
стрелки --- потоки углерода, цифры у стрелок --- величина потоков (по Ю.И. Пиковскому).
Погружаясь на большие глубины, органические вещества метаморфизуются и
превращаются в графит, нефти и другие соединения углерода. Еще больше
углерода захороняется в осадочных известняках (СаСO3) и доломитах (СаСO3 .
MgCO3). Эти процессы начались еще в докембрии, т . е . миллиарды лет назад,
когда морские водоросли накапливали карбонат кальция. Погружаясь в областях
складчатости на большие глубины, карбонатные породы метаморфизовались,
превращались сначала в мрамор, а затем при более высоких температурах
разлагались с выделением углекислого газа. Так, в магму, в зону метаморфизма, в
глубокие подземные воды поступал углекислый газ. В ряде стран обнаружены
залежи глубинного углекислого газа, выделение которого иногда приводит к
катастрофическим последствиям. Так, в 1986 г . в Камеруне на берегах озера Ниос
в результате выброса со дна озера удушливых газов (в основном углекислого)
погибло более 1700 человек. И после катастрофы придонные слои воды были им
насыщены. Происхождение этого газа связывают с вулканизмом.
В осадочных породах установлены сотни различных органических соединений,
среди которых выделяются углистая и битумная группы. Их изучение составляет
предмет органической геохимии, в которой уже оформились геохимия угля и
геохимия нефти и горючих газов.
Основоположником геохимии угля был В.М. Гольдшмидт. По Я.Э. Юдовичу в
золах угля по сравнению с другими осадочными породами концентрируется не
менее 50 элементов: в десятки тысяч и тысячи раз --- Ge, Au, U, Cd, Bi, W, As, Sb;
в тысячи и сотни раз --- Hg, Be, Cu, Sn, Pb, Zn, Mo, что ведет к загрязнению
окружающей среды при сжигании углей. Происхождение этих концентраций
различно, как полезные ископаемые пока имеют практическое значение Fe, Al, U,
Ga, Pb, Ge, Zn, Mo, Au. Проводятся исследования и по геохимии торфа.
В горючих газах абсолютно преобладает метан, огромные количества которого
сосредоточены не только в газовых залежах, но и растворены в подземных водах.
Очень велико значение фульвокислот и других органических соединений,
растворенных в природных водах биосферы. Обладая высокой химической и
биохимической активностью, они обогащают воды свободной энергией,
повышают их агрессивность --- способность разрушать горные породы,
выщелачивать из них подвижные соединения. В некоторых ландшафтах
органическое вещество составляет главную массу растворенных соединений.
Таковы, например, поверхностные и грунтовые воды равнин влажных тропиков,
тайги, тундры, которые по цвету напоминают крепкий чай.
Углеводороды газов и нефти участвуют в общем круговороте --- в биосфере
установлены не только процессы их генерации, но и окисления, осуществляемые
различными бактериями. Слабее изучены другие газообразные органические
соединения биосферы. Их роль в общем балансе соединений углерода невелика,
но геохимическое значение значительно. Напомним в этой связи о фитонцидах ---
ароматах цветущих лугов, сосновых лесов, полынной степи, лимонных рощ, т . е .
запахах ландшафтов.
Везде, где разложение органических веществ протекает без доступа свободного
кислорода, развиваются анаэробные микроорганизмы, поглощающие кислород из
минеральных и органических соединений. В результате образуются
восстановленные формы элементов и соединений: H2S, CH4, H2, Fe2+, Mn2+ и
т .д. В таких местах часто возникают восстановительные барьеры В и С.
Особенно характерны С-барьеры (глеевые) для тундры, тайги, влажных тропиков
и других ландшафтов влажного климата. Они часто формируются в краевой зоне
болот, почвах, илах озер. В водоносных горизонтах В и С барьеры образуются в
любом климате на выклинивании зоны пластового окисления, на водонефтяном
контакте, на участках разрушающихся нефтяных и газовых залежей, на периферии
угольных залежей и т .д. На этих барьерах в биосфере (как правило, глубже
ландшафта) осаждается большая группа элементов: на сероводородных барьерах
все халькофильные элементы, Fe, U, Mo, на глеевых барьерах --- U, V, Se Re.
Геохимия неорганического углерода в биосфере --- это в основном геохимия
углекислого газа и его производных. Напомним, что источником его является, с
одной стороны, вулканизм и другие эндогенные процессы, а с другой ---
окисление органических веществ. Поэтому везде, где энергично разлагаются
органические вещества, продуцируется много углекислого газа. Так, если в
атмосфере его содержится 0,03 об.%, то в почвенном воздухе --- уже несколько
процентов, в болотных газах --- 6, в газах нефтяных и угольных месторождений ---
около 2 об.%. В гидросфере углекислый газ составляет 66,3% от всех
растворенных газов, в осадочной оболочке --- 88,6% (включая НСO3-).
Растворяясь в воде, углекислый газ образует угольную кислоту --- важный
фактор выветривания. Иногда даже говорят об углекислотном выветривании (под
влиянием гидрокарбонатных вод), противопоставляя его сернокислотному (в зоне
окисления сульфидов). В ХIХ в . сам процесс выветривания нередко трактовался
как "борьба между угольной и кремневой кислотами за обладание основаниями".
В чистом виде углекислотное выветривание наблюдается только в карбонатных
породах, чаще оно сопряжено с действием органических кислот и других
реагентов. Поэтому правильнее говорить о кислотном выветривании, кислом
процессе.
При уменьшении парциального давления углекислого газа и увеличении
температуры создаются условия для выделения его из воды, сдвига карбонатного
равновесия. Так возникает термодинамический Н-барьер, на котором осаждаются
различные карбонаты, и в первую очередь кальцит (в связи с высоким кларком
кальция и его большой ролью в биологическом круговороте). Этот барьер
характерен для выходов углекислых источников с отложениями травертинов ---
известковых туфов. Кроме кальцита на нем осаждаются карбонаты Fe и Mn в виде
основных карбонатов, а также многие металлы, например, Cu в виде малахита
CuCO3 . Cu(ОН)2 и азурита --- 2CuСO3 . Cu(ОН)2.
Значительно меньше в биосфере роль оксида углерода СО, который в очень
небольших количествах содержится в болотных газах. В ландшафте оксид
углерода химически инертен, очень ядовит: уже при концентрации 0,1% создается
угроза для жизни человека, а при содержании в воздухе 1% он погибает в
несколько минут.
В земной коре известны три изотопа углерода: два стабильных --- 12С и 13С и
один радиоактивный --- 14С с периодом полураспада 5600 лет. При фотосинтезе
растения избирательно поглощают легкий изотоп 12С. Поэтому, изучая
отношение 12С : 13С, решают различные геохимические задачи.
Радиоактивный изотоп углерода 14С образуется в атмосфере из азота под
влиянием космических лучей. Его содержание в воздухе ничтожно --- около 2 . 10-
10 об.%. Определяя содержание 14С в ископаемой древесине, определяют ее
абсолютный возраст (до 70 тыс. лет). Это "радиоуглеродное датирование" нашло
применение в археологии, четвертичной геологии, почвоведении. Например, было
определено время различных стадий отступления ледника, который на севере
Эстонии был еще 11 200 лет назад, уточнены исторические даты Древнего Египта,
установлен возраст гумуса почв. Органическая и неорганическая формы углерода
существуют около 4 млрд. лет. Хотя в докембрийских породах углерод часто
находится в форме графита, различные методы указывают на его первичную
биогенную природу. В породах, возрастом около 3,5 млрд. лет, обнаружены уже
следы бактерий и сине- зеленых водорослей. В докембрии эти водоросли,
отложившие толщи известняков, изъяли из атмосферы огромные массы
углекислого газа. В то время в морях захоронялись и органические вещества.
В докембрии происходило энергичное "углекислое и углеводородное дыхание
земной коры". Углекислый газ поступал в атмосферу и гидросферу при
метаморфизме осадочных пород, что во многом определяло особенности климата,
выветривания и осадкообразования. В промежутках между эпохами метаморфизма
шло интенсивное накопление осадков и поглощение углекислого газа из
гидросферы и атмосферы. Захоронение углекислого газа в карбонатных породах и
его выделение при метаморфизме было важным фактором развития биосферы и
рудогенеза. При метаморфизме пород, содержащих органические вещества,
выделялись и углеводороды.
Распространение организмов на материках, появление древесных растений
знаменовало новый качественный этап в истории углерода. В конце девонского
периода возникли лесные ландшафты и захоронение больших масс древесины
привело к накоплению углей.
Если деятельность зеленых растений и животных с известковым скелетом
приводила к удалению углекислого газа из атмосферы, то вулканизм поставлял в
атмосферу огромное его количество, т . е . действовал в противоположном
направлении. Поэтому эпохи энергичного вулканизма характеризовались высоким
содержанием углекислого газа в атмосфере и гидросфере, усилением фотосинтеза
и накопления органического углерода в осадках. О связи вулканизма и
углеобразования писал в 20-х годах геолог Д.Н. Соболев, на роль вулканизма в
поддержании жизни указывал еще в ХIХ столетии шведский химик С. Аррениус.
М.И. Будыко, А. Б. Ронов и А.Л. Яншин рассмотрели историю углекислого газа
и кислорода в атмосфере. Изучение осадочных формаций показало, что в
последние 600 млн. лет (с начала фанерозоя) установилась зависимость между
объемами вулканитов и карбонатных осадков. На этой основе была построена
кривая изменения содержания углекислого газа в атмосфере фанерозоя от 0,1 до
0,4%. Эти данные указывают на преобладание теплых климатов (парниковый
эффект). Около 25 млн. лет назад в неогене началось падение содержания
углекислого газа и климат похолодал (cм . также гл. 15 и 16).
Все это позволило наметить следующую цепь событий в эпохи энергичного
вулканизма: вулканизм и поступление углекислого газа в атмосферу и гидросферу
--- потепление климата за счет парникового эффекта --- усиление фотосинтеза и
биологической продуктивности ландшафтов и океана --- энергичное разложение
растительных остатков и формирование мощной коры выветривания, вынос из нее
подвижных элементов --- накопление органических илов с последующим
углеобразованием и концентрацией в углях парагенной ассоциации элементов,
выщелоченных из коры выветривания и почв (восстановительные --- В и С и
сорбционный --- G-барьеры) --- интенсивная миграция Fe в глеевой среде,
образование сидеритов и белых каолинов --- карбонатонакопление в морях (А.И.
Перельман).
В ходе геологической истории все больше и больше захоронялось
органического вещества, рассеянного в породах, а также в форме залежей углей,
горючих сланцев, битумов и нефти. На это указывает существование в
современной биосфере девонских и более молодых углей, органического углерода
в докембрийских отложениях. Все эти вещества были пищей для
микроорганизмов, и , следовательно, в ходе геологической истории усиливались и
микробиологические процессы, обогащавшие подземные воды углекислым газом,
сероводородом и другими химически активными реагентами. Поэтому со
временем усиливалась геохимическая деятельность подземных вод, изменявших
горные породы, приводящая к образованию т . н . эпигенетических месторождений
U, Cu и других металлов.
На круговорот углерода сильно повлиял техногенез. Считается, что
концентрация СO2 в атмосфере увеличилась с 0,280% в доиндустриальный период
(до 1800 г .) до 0,335% в настоящее время. С этим связывают парниковый эффект и
глобальное потепление на земном шаре. Полагают, что к 2075 г . содержание СO2
в атмосфере может возрасти до 0,6%. По данным ЮНЕП, антропогенные
источники ежегодно поставляют в окружающую среду около 6 млрд. т углерода,
т . е . 20 млрд. т СO2, большая часть которого (около 80%) приходится на
индустриальные страны северного полушария, в которых уголь, нефть и продукты
их переработки широко используются как топливо. Трудно оценить все
последствия этого процесса. Отметим потепление климата высоких широт,
наступление леса на тундру, деградацию мерзлоты, таяние ледников в горах и
ледниковых покровов в Арктике и Антарктике, повышение уровня Мирового
океана, затопление густонаселенных приморских низменностей, повышение
уровня грунтовых вод, рост заболачивания и засоления, увеличение
интенсивности фотосинтеза и рост урожайности ("удобрение углекислым газом"),
усиление углекислотного выветривания и карстовых процессов. Серьезную
проблему представляет и загрязнение окружающей среды различными
органическими соединениями, включающими канцерогены и мутагены, например
ПАУ.
Внимание многих стран и международных организаций обращено на
загрязнение океана нефтью, тонкая пленка которой затрудняет испарение и
проникновение кислорода в воду (космические съемки показали, что 15 --- 30%
поверхности океана содержит нефтепродукты). Это чревато нарушением
круговорота воды и изменением климата, понижением биологической
продуктивности океана. Нефтяное загрязнение --- угроза для рыб и птиц. На дне
образуются настоящие пустыни.
Таким образом, в ноосфере миграция углерода по сравнению с биосферой не
только резко усилилась, но и приобрела новые аспекты.
Азот --- (7; 14,0067). Кларк азота в земной коре 1,9.10-3%, т . е . значительно
ниже многих литофильных элементов. В магме, гидротермах азот в основном
рассеян, и только в биосфере он концентрируется (
рис. 28.5). По
исключительному значению биогенной миграции азот занимает первое место
среди всех элементов периодической системы. Важнейшим его источником для
систем биосферы является молекулярный азот атмосферы N
2 , содержание
которого составляет 78,09 об.%. Из атмосферы N поступает в поверхностные
воды, почвенный воздух, более глубокие горизонты биосферы, где часто
преобладает среди других газов. Резко сокращается содержание N только в газах
нефтяных, газовых и каменноугольных месторождений (рис. 28.6).
В биосфере газообразный N малоактивен (инертен), все же при грозах он
соединяется с кислородом, образуя оксиды NO и NO2. Последний,
взаимодействуя с водой и окисляясь, дает азотную кислоту. В конце XIX столетия
были открыты микроорганизмы, поглощающие молекулярный N из воздуха и
строящие из него белки.
Важнейшим источником N для растений служат его растворимые минеральные
формы в почвах и водоемах --- NH4+ и NO3-. В растениях они претерпевают
сложные превращения, N входит в состав разнообразных органических
соединений, среди которых важнейшими являются белки, содержащие 16 --- 18%
N. Растения --- главный его источник для животных. В среднем в живом веществе
0,3% N.
Рис. 28.5. Кларки концентрации азота.
Рис. 28.6. Круговорот азота в биосфере: 1 --- неорганический азот; 2 --- органический азот.
После смерти растений и животных их остатки в почвах и водоемах
разлагаются микроорганизмами с превращением органического N в аммиачный
(реакция аммонификации). Далее аммиак окисляется сначала до азотистой, а
затем и до азотной кислот. Эти реакции нитрификации выполняются лишь
особыми видами микроорганизмов.
Но в ландшафтах минерализуется не весь N --- часть его содержится в гумусе,
битумах и других компонентах почв и осадочных пород. Количество
органического N в почвах достигает 0,1%, в углях --- 1 --- 2,5; в нефтях --- 0,02 ---
1,5; в осадочных породах в целом --- 0,06%. Эти азотистые органические вещества
постепенно минерализуются микроорганизмами, которые обогащают подземные
воды аммиаком, нитратами, элементарным N, более простыми органическими
соединениями.
Хотя NO3-, NO2-, NH4+ подвижны и образуют легкорастворимые соединения,
этап водной миграции N краток и вне пустынь его растворимые минеральные
соединения эфемерны, т.к . из почв и вод они снова жадно захватываются
растениями, азот вновь "
организуется", входя в состав белков и других
соединений. Поэтому содержание нитратов, нитритов и аммиака в водах
биосферы мало. Только в пустынях возможна испарительная концентрация
нитратов и накопление в солончаках чилийской селитры (NaNO3). Однако, как
правило, этот процесс не интенсивен и содержание нитратов в солончаках
значительно уступает хлоридам и сульфатам. Лишь в пустынных долинах Чили на
протяжении 720 км "
селитряный пояс" содержит огромные запасы NaNO3,
концентрация которой в почве достигает 62%. В парагенезисе с селитрой
находятся поваренная соль, сульфаты натрия, магния, кальция, бура, минералы
йода. Образование залежей селитры связывают с сильными электрическими
разрядами в атмосфере и вулканизмом, характерным для прилегающих Анд,
миграцией оттуда нитратов с поверхностными и подземными водами в пустынные
депрессии, испарительной концентрацией. Возможно, сыграла роль и длительная
сухость климата (с мелового периода). До первой мировой войны чилийская
селитра была главным источником азотных удобрений. Конец ее монополии
наступил с изобретением способа связывания N атмосферы.
Пустынный климат способствовал и другому процессу накопления нитратов: на
островах у западного побережья Южной Америки скапливаются огромные
количества ценного удобрения гуано --- продукта разложения помета птиц. Воды
Тихого океана здесь исключительно богаты рыбой, которая привлекает птичьи
стаи. Гуано богато нитратами (до 17% азота) и фосфатами, которые практически
не выщелачиваются в условиях пустыни.
Важную роль в геохимии N играет и денитрификация --- микробиологическое
разложение нитратов с выделением элементарного азота. При недостатке
кислорода в водах эта реакция осуществляется особыми микроорганизмами. В
результате подземные воды обогащаются элементарным N. Если бы не было
денитрификации, то бактерии, связывающие N, удалили бы его из атмосферы за
несколько миллионов лет.
Как и для других элементов, круговорот азота не замкнут и значительная
часть его захоронена в углях, нефтях и других горючих ископаемых. В то же
время в биосферу постоянно поступает глубинный N с термальными водами, в
которых он растворен (азотные термы). В газах вулканов содержание N достигает
десятков процентов. Все это звенья круговорота N, охватывающего не только
биосферу, но и земную кору, верхнюю мантию.
Входя в состав органических соединений, N заряжается энергией, в то время
как нитрификация сопровождается ее выделением. Таким образом, в биосфере N,
как и O, H, S, C, является геохимическим аккумулятором солнечной энергии.
Техногенез изменил круговорот N, усилил процессы, обогащающие ноосферу
неорганическим, в том числе молекулярным N за счет сжигания угля, нефти,
торфа, дров и т .д. В результате миллионы лет неподвижный в биосфере N активно
включается в круговорот. На заводах при высоких температуре и давлении из N
воздуха синтезируется аммиак, производятся удобрения. Грандиозна миграция N
от центров их производства к полям культурных растений. В дальнейшем с
продукцией сельского хозяйства эмигрирует уже органический N, главным
образом входящий в состав растительных и животных белков. На тысячи
километров эмигрирует и N нефтей, углей. Вырубка лесов, орошение степей и
пустынь, осушение болот, агрохимия, селекция --- все это изменяет круговорот N
в ноосфере. С позиции геохимии ландшафта эти процессы еще недостаточно
осмыслены.
Детально изучена проблема N в сельском хозяйстве, так как в азотных
удобрениях нуждаются культурные растения от тундры до тропиков. Повышение
урожайности во многом зависит от применения именно этих удобрений.
Дефицитен N и в животноводстве. Агрогеохимия N в ландшафтах детально
изучена В.Н. Башкиным и др.
Дефицит N в питании населения приводит к белковому голоданию, особенно
характерному для ряда стран Азии, Африки и Латинской Америки. Из всех видов
голода --- белковый самый опасный. Разработаны многие пути улучшения
белкового питания --- использование одноклеточных водорослей, нерыбной
продукции моря, применение синтетических веществ в животноводстве и т.д.
Загрязнение окружающей среды соединениями N исключительно опасно. По
данным ЮНЕП, антропогенная эмиссия NO2 за последние 50 лет ежегодно
увеличивалась на 3 --- 4% и достигла в 80-х годах 75 --- 80 миллионов тонн в год.
Это примерно половина от общего поступления N в биосферу. По В.Н. Башкину
(1987), с атмосферными осадками поступает около 250 млн. т N, что сопоставимо
с его биологической и техногенной фиксацией.
Основными техногенными источниками поступления в атмосферу соединений N
служат минерализация и сжигание ископаемого топлива, выхлопы
автотранспорта, производство аммиака и азотных удобрений. В воздухе
агроландшафтов типично содержание 1 --- 40 мг/ м3 NO2, в городах оно
колеблется от 20 до 90 мг/м3. В почвах, растениях и снеге вблизи азотных заводов
образуются техногенные аномалии аммония, нитратов и нитритов (рис. 28.7). По
данным
ВОЗ,
ПДК
NO2
в
воздухе
для
одного часа составляет 400 мг/ м3,
или 150 мг/м3 в течение суток.
Поступая в атмосферу из труб предприятий, соединения N затем выпадают с
кислотными дождями. Избыточное применение азотных удобрений с целью
достижения максимальной урожайности приводит к нежелательному накоплению
нитратов в овощах и фруктах. Часть азотных удобрений, поступая из почв в
водоемы, приводит к их эвтрофикации --- взрыву продуктивности сине- зеленых
водорослей, ухудшению качества воды, условий существования рыб. В грунтовых
водах нитраты частично переходят в соли азотистой кислоты --- нитриты,
особенно вредные для здоровья.
Йод --- J (53; 126,9044). Кларк J --- 4.10-5%, это типичный редкий и рассеянный
элемент. В осадочных породах J на порядок больше, чем в магматических (рис.
28.8). Больше всего J в селитре и некоторых фосфоритах (100 --- 300.10-5%), а
также в осадочных породах, обогащенных органическим веществом.
В геохимии J обычно рассматривается вместе с Br в связи с близостью их
химических свойств, определяющих сходство водной миграции (йодобромные
воды и т .д.). Однако в биосфере миграция J во многом отлична от других
галогенов и , в частности, от Br. По некоторым ее особенностям J здесь ближе к N:
Рис. 28.7. Атмосферная поставка NH4+ в ландшафты, прилегающие к городу Тольятти
(Тольяттинский азотный завод) за зимний период 1986--1987 г. (по Н.С. Касимову и др.). 1 --- точки
опробования; 2 --- изолинии коэффициентов аномальности относительно регионального фона.
по существованию газообразной формы (J2) и ее важной роли в круговороте
элемента, по вхождению его в состав белков, по аналогии JО3- и NO3- , по
легкому восстановлению J
О3-доJ
2(
аналогично денитрификации), по
накоплению растворимых минералов J в пустынях (аналогично нитратным
солончакам). Имеются и различия, обусловленные более низким кларком J и его
менее выраженными металлоидными свойствами. Аналогия с Br оказала влияние
на изученность геохимии J: меньше изучена его воздушная миграция, для Br не
столь характерная.
История J в биосфере тесно связана с живым веществом и биогенной
миграцией, главный барьер для J --- биогеохимический, меньше роль сорбционного
и еще меньше --- испарительного.
По талласофильности J близок к Na и сильно уступает Cl и Br. Биофильность J
также меньше, по этому показателю он близок к Ca и K.
Многие морские организмы концентрируют J, особенно бурые и красные
водоросли --- ламинарии, фикусы, багрянки и др., сухое вещество которых
содержит 0,5 --- 1% J. Это в тысячи и десятки тысяч раз больше, чем в наземных
растениях (Г.Н. Саенко и др.). Иод концентрируется в щитовидной железе
животных, гормон которой тироксин содержит около 65% йода. Гормон усиливает
окислительные процессы, его недостаток приводит к тяжелым заболеваниям
людей и животных.
Для J характерно биогенное накопление в некоторых почвах и илах,
испарительная концентрация в соляных озерах и солончаках. Огромным
резервуаром J служит океан, в котором преобладает JО3 - и меньшее J-. Из
морской воды он поступает в илы, где, вероятно, происходит его сорбция и
накопление за счет богатых им минеральных и органических соединений (остатки
водорослей и др.). При уплотнении илов освобождается раствор, содержащий
относительно много J и Br. В результате, по мнению ряда исследователей,
образуются глубинные пластовые йодо-бромные воды артезианских бассейнов, из
которых добывают J. Особенно обогащены им воды нефтяных месторождений
(1,5.10-3%).
Главным источником J для поверхности материков служат моря и океаны,
откуда ветры переносят J с осадками. В морях J больше на порядок, чем в реках
Рис. 28.8. Кларки концентрации йода.
(5.10-6 и 2.10-7%). Поэтому ландшафты, удаленные от морей или отгороженные
от морских ветров горами, им обеднены. В воздухе приморских ландшафтов J на
порядок больше, чем в глубине континентов. Местами его содержание в пище и
воде здесь так мало, что щитовидная железа вырабатывает мало тироксина и у
людей развиваются тяжелые нарушения обмена веществ, в крайних случаях
приводящие к глухоте, кретинизму. Менее тяжелы "
эндемический зоб"
(разрастание щитовидной железы), который в той или иной степени отмечен во
всех горных странах. Он был распространен на Кавказе, в Карпатах и особенно в
Средней Азии, где на Памире существовали целые кишлаки "зобатых" жителей.
Очаги зоба известны в Альпах, Пиренеях, Андах, Гималаях и других горных
системах. Ликвидировать эндемический зоб позволило йодирование поваренной
соли. Нарушения наблюдаются и у домашних животных: у коров уменьшаются
удои, у овец выпадает шерсть, куры несут мало яиц, поросята родятся без щетины
и т .д . Таким образом, дефицит J характерен для огромных территорий, вероятно,
еще больше площадей, где его недостаток выражен не столь резко, население не
болеет, щитовидная железа не увеличена, но все же человек не получает
необходимого количества йода. Медицина установила оптимальные нормы
потребления этого элемента, геохимики могут определить содержание J в
ландшафтах. Создается возможность обеспечения оптимального его содержания в
техногенном ландшафте путем йодирования поваренной соли, йодных удобрений,
подкормки домашних животных. Отметим, что освоение малообжитых районов
требует медико- геохимической оценки обеспеченности ландшафтов J.
В ноосфере в целом миграция J усиливается, так как сжигание угля, нефти,
торфа доставляет в окружающую среду йод, захороненный в осадочной толще.
При ядерных взрывах, авариях АЭС в ландшафт поступает короткоживущий
радиоактивный 131J --- очень опасный для здоровья.
28.2. Инертные газы --- Ar, Ne, Kr, Xe, He, Rn
(пассивные воздушные мигранты)
Это единственная группа элементов, в истории которой не играет роль живое
вещество.
Аргон --- Ar (18; 39,948). В атмосфере Ar больше, чем углекислого газа --- 0,93
об.%. Как и другие инертные газы, он сравнительно хорошо растворим в воде
(лучше N) и в природных водах содержится в значительных количествах. В
литосфере Ar мало --- всего 2,2.10-5см3/г . Он открыт в горячих звездах, в
туманностях его больше, чем Cl, Ca, P, K. В отличие от Земли, в космосе
преобладают легкие изотопы 36Ar и 38Ar, господствующего в нашей атмосфере
40Ar (96,6%) очень мало.
Основной источник Ar в земной коре --- радиоактивный распад изотопа 40К.
Около 88% его атомов превращается в 40Са, но в 12% атомов электрон с
ближайшей орбиты поглощается ядром атома, заряд которого в результате
уменьшается на единицу, т .е . ядро К превращается в ядро Ar. Период полураспада
40К = 1,3 млрд. лет. Хотя изотопа 40К в природном калии мало (0,0119%),
высокий кларк К (2,5%) определил значительное накопление 40Ar. Таким
образом, основным источником аргона атмосферы являются радиоактивные
процессы в литосфере и верхней мантии, их дегазация.
Аргон --- тяжелый газ, удержавшийся в поле тяготения Земли. Растворяясь в
поверхностных водах, атмосферный Ar поступает и в подземные. Поэтому воды
многих термальных источников содержат "воздушный" аргон. В ноосфере Ar
используется широко.
Неон --- Ne (10; 20,179). В атмосфере его содержится 1,2.10-3 об.%. Из
атмосферы Ne попадает в природные воды, подземные газы; в горных породах его
в среднем 7,7.10-8см3/г . Химическая инертность не позволила ему удержаться на
Земле, а его легкость (в 1,5 раза легче воздуха) особенно способствовала утечке
(диссипации) в космическое пространство. Поэтому основная масса Ne утеряна
Землей. В атмосферу он поступает из горных пород при их выветривании и
других процессах. В ноосфере Ne используется широко, его получают из
атмосферного воздуха.
Криптон --- Kr (36; 83,80) и ксенон --- Хе (54; 131,30). Они очень редки, в
горных породах в среднем 4,2.10-9см3/г Kr и 3,4.10-10см3/г Xe, в атмосфере,
соответственно, 1.10-4 и 9.10-6 об.%. При самопроизвольном делении 238U и
235U образуются оба эти газа, причем в продуктах деления преобладает Хе.
Однако ядерные реакции не были их главными источниками в атмосфере.
Возможно, это остатки первичной атмосферы Земли или же продуктов дегазации
мантии и литосферы.
Гелий --- Не (2; 4,0026). Это самый легкий инертный газ, почти в 8 раз легче
воздуха. В атмосфере 5.10-4об.% Не, в горных породах --- 6.10-5см3/г . Гелий
редкий, но не рассеянный элемент, так как природные газы содержат его до 20%.
В космосе по распространенности он занимает второе после водорода место (23
ат.%), обнаружен в туманностях, звездах, в том числе и в атмосфере Солнца, где
был открыт спектральным анализом в 1868 г . (на Земле в 1895 г .). Ядерная
реакция превращения водорода в гелий является основным источником звездной
энергии.
Благодаря легкости и инертности Не улетучивается из земной атмосферы,
особенно интенсивно это происходило в первые этапы развития Земли. Его
современные запасы почти полностью обязаны радиоактивному распаду U и Th.
Процесс этот медленный, с периодами полураспада в сотни миллионов и
миллиарды лет. С этим связана важная закономерность его размещения в земной
коре --- чем древнее порода, тем больше в ней рассеянного Не: палеозойские
породы богаче мезозойских, а кайнозойские беднее всего.
Гелий плохо растворяется в природных водах (хуже N), но все же в подземных
водах заключено огромное его количество. Особенно высоки содержания в
глубинных застойных водах с медленным водообменом, длительное время
находящихся во взаимодействии с породами.
Из глубоких частей земной коры поток Не направлен к поверхности и далее в
атмосферу. По А.А. Саукову, за время геологической истории преобладала
диссипация и современное его количество составляет около одной тысячной
радиогенного Не, образовавшегося за время существования Земли.
Радиогенное происхождение Не в земной коре определяет связь его
концентраций с областями повышенной радиоактивности пород --- урановыми и
ториевыми месторождениями и провинциями. Все газовые месторождения и
проявления, содержащие более 1% Не, расположены недалеко от областей с
урановой минерализацией. Для накопления Не благоприятны нефтегазоносные
бассейны палеозойского возраста в районах с повышенной радиоактивностью
пород кристаллического фундамента или осадочной толщи, особенно в урановых
провинциях.
Из двух стабильных изотопов гелия --- 4Не и 3Не на Земле преобладает первый
--- радиогенный, в космосе --- второй (в атмосферном гелии содержится лишь
1,3.10-4% 3Не).
Гелий играет важную роль в технике.
Радон --- Rn (86; 222). Этот инертный газ очень редок, кларк его точно не
установлен, но близок к n.10-16%. В атмосфере лишь 7.10-17 об.% Rn. Низкий
кларк и химическая инертность, казалось бы, исключают какую- либо его
геохимическую роль. Однако это не так --- большое значение имеет высокая
радиоактивность Rn. Из трех изотопов --- продуктов распада 238U (Rn
собственно), 235U (актинон) и Th (торон) --- самый долгоживущий первый с
периодом полураспада 3,82 дня. Поэтому существование Rn возможно только в
результате радиоактивного распада U и Th, генерирующих Ra, эманацией
которого и служит Ra. Поэтому Rn распространен там, где есть Ra, в равновесии с
которым он обычно находится. Быстрый распад исключает миграцию Rn на
значительные расстояния от его источника --- Ra.
Вместе с почвенным и атмосферным воздухом, водой, пищей Rn попадает в
организмы, повышенные его количества вызывают лучевую болезнь, поражают
органы кроветворения, приводят к раку легких. Английский физик У. Рамзай,
открывший в 1904 г . Rn и много экспериментировавший с этим газом, погиб в
1916 г . от этой болезни.
Человечество познакомилось с Rn задолго до его открытия в начале ХХ века.
Шахтеры средневековой Германии, работавшие в рудниках, серебряная руда
которых содержала примесь урановых минералов, дышали воздухом,
обогащенным Rn. Это вело к смерти примерно через 15 лет после спуска в шахту.
Женщины в этих местностях выходили замуж по несколько раз, т . к . мужей
уносила эта загадочная "горняцкая чахотка". Предполагают, что концентрация Rn
в шахтном воздухе была очень высока. Такие названия горнорудных районов, как
Карамазар ("черная могила"), могут быть обязаны их особо дурной славе у
древних рудокопов, знавших, что работа в шахтах быстро отнимет у них здоровье.
Эта сторона истории горного дела не привлекала внимания исследователей.
Повышенные содержания Rn в почвах характерны для ландшафтов
месторождений U и Th, для почв на горных породах, обогащенных данными
металлами. Подобные породы занимают большие пространства, чем рудные
месторождения, к ним относятся некоторые граниты, в которых U на порядок
больше кларка, еще больше U во многих черных углеродистых сланцах.
Цивилизация расширила распространение почв, воздух которых обогащен Rn. В
первую очередь это отвалы вблизи урановых шахт, предприятий, обогащающих
урановую руду, фабрик, где из руды извлекается уран, участки захоронения
радиоактивных отходов, а также места, куда попадают радиоактивные препараты
в результате небрежного обращения с ними. Важным источником Rn служит и
утилизация отвалов предприятий, добывающих и перерабатывающих
радиоактивное сырье. Подобные отходы использовались при строительстве дорог,
фундаментов зданий, производстве бетона, что приводило к его высоким
концентрациям в помещениях. Если радиоактивность обычных почв, как правило,
не превышает 50 Бк/кг, то у указанных выше пород она в 100 и даже в 1000 раз
больше. Высока радиоактивность и некоторых других строительных материалов,
как, например, фосфогипса --- отхода переработки фосфоритов. Такие материалы
широко использовались (и используются?) в некоторых странах при изготовлении
цемента, штукатурки, строительных блоков. В России разработаны нормы,
ограничивающие радиоактивность стройматериалов.
Содержание Rn в подземном воздухе зависит и от эманирующей способности
пород. Радон иногда накапливается в водах, соприкасающихся с эманирующими
коллекторами. В бальнеологии применяются радоновые воды, которые образуются
в трещиноватых породах с хорошей эманирующей способностью. Таковы воды
Пятигорска, Цхалтубо, Белокурихи и других курортов. Некоторые источники
содержат радоно-радиевые воды, в которых повышено содержание и Ra, и Rn
(например, в Кисловодске, Карлови-Вари, Истису). Радон активизирует
физиологические процессы, радоновые ванны принимают для лечения сердечно-
сосудистых, суставных, нервных и других болезней. В России около 30 радоновых
курортов, работает около 100 радоновых лабораторий. Радоновые процедуры
применяют и вне курортов около 1 млн. человек в год. Уровни облучения при
этом весьма низкие --- 10 --- 100 миллибэр за курс. Считается, что доза в 1 бэр
уменьшает продолжительность жизни на три дня и , следовательно, курс из 15
радоновых ванн сократит жизнь больного на 1,5 часа.
В последние годы "проблема радона" привлекает большое внимание в связи с
новыми и неожиданными фактами. В помещениях обнаружены недопустимые
концентрации Rn. В Западной Европе и Северной Америке промышленность стала
выпускать радонометры. В жилых домах США средняя концентрация Rn
составляет 20 --- 25 Бк/м3; вне помещений она обычно в несколько раз ниже.
Следовательно, основное облучение происходит дома, причем в некоторых домах
воздух содержит 200 --- 250 Бк/ м3 Rn. Как причина рака легких этот элемент в
США занимает второе место по смертности после курения, с которым связывают
140 тыс. смертей в год.
Основной источник Rn в домах --- почвы и грунты под фундаментом, при этом
концентрация Ra в них может быть фоновой (30 --- 50 Бк/кг). В микропорах
горных пород и почв концентрация Rn достигает 10-7 --- 10-6 Ки/л (0,5 --- 5,0.107
Бк/м3), что в миллион раз больше, чем в приземной атмосфере. На глубине всего
1 --- 2 метров воздух в порах почв содержит 30 --- 40000 Бк/ м3. Таким образом,
жилые помещения улавливают Rn, "выдыхаемый почвой", дом подсасывает
воздух из грунта (в прохладное время года возникает тяга воздуха из почвы в
помещения). Источником Rn в домах может служить также вода, особенно в
случае использования артезианских скважин.
Все это привлекло внимание к Rn. За рубежом популярные журналы пишут о
" газе-убийце, крадущемся из- под земли", о "беспощадном убийце, незаметно
проникающим в наши дома". Издается и серьезный журнал "Обозрение радоновой
промышленности".
Норма Rn во вновь строящихся домах не более 100 Бк/м3, в уже существующих
не свыше 200 Бк/ м3. Если его содержание превышает 400 Бк/м3, ставится вопрос
о переселении жильцов. Жители квартиры с концентрацией Rn 200 Бк/м3 за свою
жизнь получат около 60 бэр.*
По А .Э. Мемьи- заде, на земной поверхности космические лучи и гамма-
радиация литосферы создают 5,5 пары ионов в 1 см3 за 1 секунду. Rn и продукты
его распада в таком же объеме обуславливают 4,5 пары ионов за секунду, а
концентрация этого газа составляет всего 4,8 Бк/м3 (1,4.10-13 Ки/л). Эту
концентрацию в условиях cпокойного геомагнитного поля и хорошей погоды
можно считать минимальной. При геомагнитных возмущениях на поверхности
Солнца, а следовательно, и в ландшафтах Земли содержание Rn возрастает,
приводя к "радоновым бурям". Они вызывают стресс, влияют не только на легкие,
но и на эндокринную систему, особенно на гипофиз и надпочечники. Примерно у
трети населения наблюдаются одышка, мигрень, бессонница, сердцебиение,
тревожное состояние и другие болезненные реакции. Например, в Ташкенте
радоновые бури бывают несколько раз в месяц и концентрация Rn в 10 --- 30 раз
превышает минимальный уровень. В Вашингтоне дневная концентрация Rn
менялась даже более чем в 100 раз. Так как его поступление из почв в атмосферу
связано с солнечной активностью, оно имеет циклический характер, доказаны
двадцатидневные и одиннадцатилетние циклы.
Интересен вопрос о роли элемента в геологической истории как фактора
эволюции организмов. В районах распространения гранитоидов, разломов,
урановых и ториевых месторождений содержание Rn повышено в почвах,
подземном воздухе и водах. Многие поколения растений, роющих животных,
микроорганизмов в таких ландшафтах подвергались ионизирующему излучению.
Это могло влиять на наследственность, вызвать различные мутации. Напомним,
что в экспериментах ионизирующие излучения являются одним из наиболее
мощных средств воздействия на наследственные механизмы, получения
искусственных мутаций, выведения нужных рас микроорганизмов. В биосфере
подобные мутации частично вели к дегенерации, уродствам и вымиранию видов,
но иногда могли иметь и положительное значение, увеличивая шансы организмов
в борьбе за существование. Поэтому ландшафты, обогащенные Rn, вероятно, были
важными центрами видообразования, в которых происходил отбор на
радиационной основе. И в настоящее время флора и фауна таких ландшафтов
представляют большой интерес для генетиков.
Контрольные вопросы
1. Почему кислород является геохимическим диктатором в большинстве
ландшафтов?
2. Расскажите об "озоновой дыре".
3. Охарактеризуйте круговорот кислорода в биосфере, сравните его с
круговоротом в ноосфере.
4. Как и где образуются кислородные геохимические барьеры А6, А11?
5. Какие проблемы геохимии ландшафта помогает решать изучение изотопов
водорода?
6. Где образуются кислые геохимические барьеры Е?
7. Какое явление В.И. Вернадский назвал "жизненным циклом"?
8. Назовите предмет "органической геохимии"?
9. Охарактеризуйте сероводородные и глеевые барьеры.
10. Как менялось содержание O2 и СO2 в атмосфере фанерозоя?
11. Влияние вулканизма на геохимию С в биосфере.
12. Как техногенез изменяет круговорот углерода?
13. Охарактеризуйте круговорот азота в биосфере и его изменение в
ноосфере.
14. В каких ландшафтах накапливаются гуано, нитраты и почему?
15. Отчего зависит в ландшафтах дефицит J, в чем он проявляется?
16. Какие актуальные экологические проблемы связаны с изучением геохимии
Rn в техногенных ландшафтах?
Глава 29
ПОДВИЖНЫЕ И СЛАБОПОДВИЖНЫЕ
ЛИТОФИЛЬНЫЕ ВОДНЫЕ МИГРАНТЫ*
29.1. Очень подвижные анионогенные элементы с постоянной
валентностью --- галогены (Cl и Br)
Галогены отличает хорошая растворимость большинства солей, интенсивная
водная миграция и испарительная концентрация, важная роль в живом веществе.
Они накапливаются в биосфере, в истории Земли главным их источником служил
вулканизм.
Хлор --- Cl (17; 35,453). Кларк хлора 1,7.10-2%, его КК указывают на связь с
земной корой, с гранитным слоем (в ультраосновных породах КК = 0,3).
Характерны исключительная роль водной миграции в истории Cl, его накопление
в морях и продуктах испарения морской воды. Континенты в целом им обеднены
(рис. 29.1).
В биосфере геохимия Cl во многом определяется интенсивной водной
миграцией хлоридного иона Cl- (максимальный среди всех химических элементов
Кx = 664), большой растворимостью солей, практическим отсутствием
нерастворимых минералов. На миграцию Сl не влияют щелочно- кислотные и
окислительно- восстановительные условия, что определяет его накопление в
конечных водоемах стока --- бессточных озерах, морях и океанах, его высокую
талассофильность (110). Огромна роль круговорота Cl: ветры с океана приносят
на материки значительное количество Cl-, который с атмосферными осадками
попадает в ландшафт и с речным стоком возвращается в океан.
Биофильность Cl большая (1,1), в живом веществе в среднем его столько же,
сколько и в земной коре. Вместе с Na он входит в состав крови, желудочный сок
содержит около 0,5% соляной кислоты. Известны виды "хлорных растений" с
высоким содержанием Cl, который в их телах преимущественно находится в
Рис. 29.1. Кларки концентрации хлора.
форме Cl- --- солерос и другие мокрые солянки солончаков (до 50% Cl в золе).
Большинство гумидных ландшафтов бедно Cl, его минералы в них не
образуются. Дефицит Cl у растений здесь не известен, но животным, вероятно,
его недостает. В степях и пустынях Cl участвует в испарительной концентрации и
накапливается в озерах, грунтовых водах, солончаках. Воды имеют хлоридный и
хлоридно- сульфатный состав. Велика роль ветра, переносящего соленую пыль
солончаков. Огромен вынос Cl с акватории Каспийского и других морей. В целом
круговорот Cl в аридных ландшафтах не замкнут --- он не полностью
возвращается в океан, а накапливается в местных конечных водоемах стока типа
Аральского и Каспийского морей, озер Балхаш и Алакуль.
Основным поставщиком Cl в биосферу на протяжении геологической истории
был вулканизм. В эпохи соленакопления большие массы солей захоронялись в
осадочной оболочке. Особенно эффективен в этом отношении пермский период
(более 200 млн. лет назад), когда в лагунах накапливались хлориды калия и
натрия знаменитых месторождений России, Германии и других стран. Мощное
соленакопление было также в кембрии в Ангаро-Ленском бассейне Сибири, в
конце юры и в неогене в Средней Азии. В миоцене частично высыхало
Средиземное море, с чем также связано огромное накопление солей.
Технофильность Cl очень высока (3.109) и уступает только С. Хлор добывается
из месторождений поваренной и калийной солей, из подземных рассолов, из
морской воды. Человечество значительно изменяет геохимию Cl, рассеивает этот
элемент, в то время как природа его концентрирует. Ежегодно в мире добываются
десятки миллионов тонн Cl, главным образом в виде NaCl и KCl. С каждым годом
возрастает роль растворителей, ядохимикатов и других хлорорганических
продуктов. Так, в ноосфере начинают играть важную роль неионные связи Cl.
В результате хозяйственной деятельности в ландшафтах нередко возникает
избыток Cl, например, при вторичном засолении орошаемых почв. Актуальна
также проблема загрязнения окружающей среды различными его соединениями.
Приоритетное место по опасности среди хлорсодержащих поллютантов занимают
хлорированные диоксины, полихлорбифенилы (
ПХБ) и хлорорганические
пестициды (ХОП) --- ДДТ, гексахлорциклогексаны и др. Загрязнение ландшафтов
диоксинами
и
полихлорбифенилами,
искусственными
ароматическими
хлорорганическими соединениями --- одна из самых острых экологических
проблем. Диоксины поступают в окружающую среду с гербицидами типа
"Orange", за счет промышленного сжигания мусора, при производстве
хлорфенолов (пентахлорфенола) и связаны с целлюлозной, лакокрасочной,
дубильной промышленностью, электро- и тепловыми станциями. Эти наиболее
токсичные соединения отрицательно влияют на иммунную систему, нарушают
деятельность печени, влияют на рост заболеваний раком, появление уродств.
Считается, что миграционная способность диоксинов не велика в широком
диапазоне ландшафтно- геохимических условий, однако, несмотря на
многочисленные определения диоксинов в отдельных средах и биологических
объектах, миграция их в ландшафтах изучена слабо.
Полихлорбифенилы поступают в ландшафты от деятельности трансформаторов,
насосных станций, при производстве синтетических соединений и переработке
нефти. ПХБ мигрируют по биогеохимическим цепям, накапливаясь в конечных
звеньях --- морских и речных хищных птицах (особенно в яйцах), рыбе, креветках,
планктоне. Они также увеличивают риск заболеваемости раком печени. В
развитых странах жесткие нормы поступления ПХБ в окружающую среду привели
к снижению загрязнения этими поллютантами и ДДТ (Е.П. Янин).
Особенно широко развито загрязнение хлорорганическими пестицидами.
Загрязнение почв, вод, донных отложений, животных и растений в районах
интенсивного земледелия создает угрозу для здоровья населения. Даже после
запрета массового применения ДДТ остаточные количества этих соединений
обнаруживаются в водах и донных осадках рек, особенно в периоды снеготаяния и
дождей. До 80% всех пестицидов используется в США, Западной Европе и
Японии. Интенсификация сельского хозяйства в развивающихся странах также
ведет к росту загрязнения пестицидами.
В целом человечество рассеивает Cl, усложняет его миграцию (неионные связи
наряду с ионными), создает такие формы нахождения, которые в природе
отсутствуют (свободный Cl, хлорорганические соединения и др.).
Бром --- Br (35; 79,904). По химическим свойствам и особенностям миграции
этот галоген напоминает Cl, однако значительно более низкий кларк (2,7.10-4%)
определяет меньшую его роль в земной коре и биосфере. Способность брома к
концентрации мала, это типичный рассеянный элемент, образующий всего
несколько очень редких минералов --- бромидов серебра.
В магматических и гидротермальных системах Br рассеян, в биосфере он
накапливается (
рис. 29.2). Это
очень
талассофильный элемент,
концентрирующийся также в различных продуктах испарения: соленых озерах,
соляных залежах. При среднем содержании Br в грунтовых водах гумидных
ландшафтов 1,5 мг/л в глубинных хлоридных рассолах артезианских бассейнов
его концентрации достигают 4000 мг/л .
Живое вещество в целом концентрирует Br, он также биофилен, как и Cl.
Средний кларк концентрации Br в золе растений достигает 3 --- 5 тысяч, а в
морских водорослях даже 50 000 (Г.Н. Саенко). Особенно обогащены им морские
растения и животные. Органические вещества легко сорбируют Br, с чем связана
его аккумуляция в торфяниках, морских и озерных илах. Бром энергичнее Cl
накапливается в почвах, глинах и сланцах и слабее в гидросфере, рассолах,
Рис. 29.2. Кларки концентрации брома.
соленых озерах, солях.
Бром оказывает тормозящее действие на центральную нервную систему --- с
этим связано применение его препаратов в медицине. Существует гипотеза о роли
Br в эволюции нервной системы (А.И . Перельман). В докембрии в течение сотен
миллионов лет жизнь в морях развивалась в условиях относительно высокого
содержания Br. Этот "бромный пресс на нервную систему" был снят, когда в
девоне животные стали осваивать континенты. Вначале это были пресноводные
рыбы,
потом земноводные,
пресмыкающиеся,
птицы
и,
наконец,
млекопитающиеся. Условия для работы головного мозга, для его эволюции стали
более благоприятными. Конечно, для ускорения эволюции мозга играли роль и
другие факторы, однако это не исключает и специфического влияния Br. Можно
также предположить, что в ландшафтах, им обогащенных, эволюция центральной
нервной системы протекала медленнее, чем в большинстве других ландшафтов.
Интересна и проблема дефицита Br: существует ли он и если да, то каковы его
последствия? Особенно им бедны некоторые внутриконтинентальные области,
горные страны с каменистыми почвами, районы развития песков. Как здесь
эволюционировала центральная нервная система, есть ли ее особенности, которые
связаны с недостатком Br? Наконец, какие ландшафты следует считать
оптимальными по его содержанию? Вот те актуальные вопросы геохимии Br,
которые могут иметь и прикладное значение, в первую очередь в медицине и
животноводстве. Если Br дефицитен в некоторых ландшафтах, то не требуется ли
повышение его содержания в пище или воде? Напомним, что для его соседей по
Периодической системе давно проводится обогащение пищи и кормов поваренной
солью, фторирование питьевой воды, йодирование поваренной соли. Если в
ландшафтах существует избыток Br, то встает вопрос и о борьбе с ним аналогично
борьбе с избытком F и его последствием --- флюорозом.
Технофильность Br значительная (5.108), такая же, как у Мо, W, U. Основными
промышленными источниками Br служат морские и подземные воды, калийные
соли, рапа соленых озер. В ноосфере усиливаются тенденции его геохимии,
характерные для земной коры, --- Br еще больше рассеивается.
29.2. Очень подвижный анионогенный элемент с переменной
валентностью --- сера (S --- 16; 32,066)
Сера в Периодической системе, как и кислород, относится к 6-й группе, оба
элемента занимают соседние клетки. Однако в земной коре роль S много меньше,
чем кислорода. Это связано как с различиями химических свойств, так и почти в
1000 раз меньшим кларком S --- 0,05%.
В изверженных породах S в основном рассеяна, особенно низко ее содержание
в породах мантии (кларк в ультраосновных породах в 5 раз ниже, чем в земной
коре) (рис. 29.3). Разнообразна миграция S в гидротермах, образующих пояс
подземных вод глубже холодных подземных вод биосферы. В этом поясе широко
распространены сероводородные термы, с которыми связано образование
сульфидных руд Cu, Pb, Zn, Hg и других цветных и редких халькофильных
металлов. Месторождения таких руд имеют важное промышленное значение. По
зонам разломов горячие сероводородные воды местами разгружаются на земной
поверхности и на дне океана. Таковы тбилисские термы, упомянутые А.С .
Пушкиным в описании путешествия в Арзрум, горячие источники других районов
Кавказа, гор Средней Азии.
Происхождение сероводорода в термах дискуссионно. Одни полагают, что этот
газ поступил из магмы в результате восстановления сульфатов морской воды,
проникшей в базальтовую магму по трещинам, другие связывают его с менее
глубинной зоной метаморфических процессов и особенно с биосферой.
Сера в биосфере. Сера --- важный биоэлемент, она входит в состав белков и
других органических соединений, известны простейшие морские животные,
строящие свой скелет из сульфатов стронция (SrSО4). Свободная серная кислота
содержится в некоторых моллюсках, асцидиях, муравьях. Если ландшафты богаты
сульфатами, организмы обогащены S, а где их мало --- обеднены. Поэтому
растения и животные тундры, тайги, влажных тропиков, куда сульфаты в
основном поступают лишь с атмосферными осадками, бедны S. Напротив, в
степях и пустынях, в морях, соленых озерах, где SО42- много, организмы богаты
S. Так, зола морских водорослей содержит до 12% S, а зола тундровых
лишайников лишь 0,8%. В степях и пустынях растения расходуют ее не только на
построение абсолютно необходимых им белков, но и на создание различных
небелковых серосодержащих органических соединений, которым, например,
горчица и чеснок обязаны своим острым вкусом.
Как и для кислорода, для S в биосфере характерны круговороты разных
масштабов --- от небольших в пределах ландшафтов до грандиозных,
связывающих материки и океаны. При этом она многократно меняет свою
валентность --- то окисляясь до шестивалентного состояния и образуя сульфаты
(или свободную серную кислоту), то восстанавливаясь до двухвалентного
состояния и образуя сероводород и его производные --- сульфиды. Известна в
биосфере и самородная, элементарная сера. Все эти реакции протекают
преимущественно при участии бактерий.
В системах биосферы со свободным кислородом S находится преимущественно
в сульфатной форме, важным концентратором которой служит Мировой океан,
содержащий 8,9.10-2% S (больше, чем в земной коре). С атмосферными осадками
она в форме иона SО4 2- поступает на материки и с речным стоком снова
возвращается в океан. В ландшафтах сульфат- ион образуется также в результате
Рис. 29.3. Кларки концентрации серы.
разложения органических остатков, окисления сероводорода и сульфидов горных
пород и почв.
В депрессиях рельефа степей и пустынь, где грунтовые воды залегают близко
от поверхности, происходит испарительная концентрация сульфатов, воды
становятся хлоридно- сульфатными. Эти же процессы развиты и в бессточных
озерах. Так возникают испарительные барьеры FЗ, F11 с характерной парагенной
ассоциацией элементов --- S, С l, Nа . Грандиозным проявлением этого процесса
является знаменитый залив Каспийского моря Кара-Богаз-Гол, большая часть
которого превратилась в солончак.
В геологическом прошлом испарительная концентрация в морских лагунах и
озерах аридных районов приводила к образованию осадочных гипсов. Например, в
верхнемеловых отложениях Средней Азии мощность пластов гипса составляет
десятки метров. Такие породы обогащают современные ландшафты гипсом и
другими сульфатами.
Во всех системах биосферы, содержащих органические вещества и сульфаты и
не
содержащих
свободного
кислорода, развивается деятельность
сульфатвосстанавливающих (
десульфуризирующих) бактерий, отнимающих
кислород у сульфатов для окисления органического вещества:
2Сорг. + SO2-4 ® S2- + 2CO2.
Пищей для этих микроорганизмов служат многие органические соединения
растений и животных, нефти, битумы, рассеянные в осадочных породах, тяжелые
углеводороды, начиная с гексана, и другие соединения. Десульфуризаторы
развиваются при обычных температурах биосферы (оптимум 25 --- 30оС), но они
установлены и в горячих водах. Эти бактерии развиваются в солончаках, илах
морей и соленых озер, в подземных водах, местами и в морской воде, например, в
глубинах Черного моря. В илах соленых озер, в солончаках нередко содержатся и
окисленные (SО42-) и восстановленные (S2-) формы S, т . е . среда резко
неравновесна. Это объясняется тем, что в почвах и илах не хватает органического
вещества для восстановления всей массы сульфатов, а также тем, что их
восстановление возможно до определенного предела, т . к . очень большое
количество сероводорода вредно для микроорганизмов. Это еще один хороший
пример резкого отличия природных условий от тех, с которыми химик привык
иметь дело в лабораториях, где в колбах и пробирках обычно достигается
равновесие.
В результате десульфуризации в почвах, илах и подземных водах накапливается
сероводород. Такие воды и грязи используются для лечения многих болезней,
именно им обязаны своей славой Пятигорск, Мацеста на Кавказе, Саки в Крыму,
Одесские лиманы и другие курорты.
Сероводород поступает в биосферу и из глубин земной коры, где господствуют
высокие температуры. В России, США, Канаде, Франции, ФРГ известны
месторождения природного газа с огромными запасами и очень высоким
содержанием сероводорода, который используется для получения S.
В местах встречи кислородных и сероводородных вод возникает
восстановительный сероводородный барьер В, на котором концентрируются Сu,
Рb, Zn, Аg, Сd, U, Мо, Аu и другие металлы. Барьер ВЗ характерен для многих
морских илов, в которых развивается десульфуризация, а придонная вода
кислородная. Для разрушающихся нефтяных залежей характерны барьеры ВЗ, В4,
реже В7, В8, к которым нередко приурочены месторождения U, Se и многих
цветных металлов.
На контакте кислородных и сероводородных вод может формироваться и
кислородный барьер А. Это происходит, когда иловые или подземные
сероводородные воды встречают на пути миграции кислородные воды или
кислород воздуха. Характерен для таких мест кислородный барьер А11 или А12,
на котором осаждается элементарная S (серный барьер) (рис. 29.4).
2H2S+O2®2H2O+2S
В этом процессе участвуют различные микроорганизмы. Незначительные
аккумуляции элементарной серы обнаруживаются почти во всех выходах
сероводородных источников, но промышленные месторождения S, образуются
лишь при соблюдении ряда геологических условий.
В ландшафтах сульфидные руды и пиритоносные породы, соприкасаясь с
кислородными водами или кислородом воздуха, при участии бактерий
подвергаются окислению с образованием серной кислоты:
2FeS2 + 7O2 + 2H2O ® 2FeSO4 + 2H2SO4
Так формируется зона окисления сульфидных месторождений, в которой
сульфиды замещаются сульфатами и гидроксидами железа --- продуктом
гидролиза и окисления Fе SО4, рН местами понижается до 1 --- 2. В пустынях и
сухих степях зона окисления часто очень богата сульфатами Рb, С u, Zn, Fе
(ярозит) и других металлов. Для микроорганизмов окисление сульфатов служит
источником энергии, на многих месторождениях сульфидных руд обнаружены
бактерии, окисляющие сульфиды.
Итак, в биосфере ярко выражен круговорот S, в котором важную роль играет
живое вещество, особенно микроорганизмы, осуществляющие окисление и
восстановление серных соединений. В круговороте участвуют, с одной стороны,
сероводород и сульфиды, а с другой --- сульфаты и сульфат- ион (SO42-).
Сера --- важный геохимический аккумулятор солнечной знергии, поглощение
которой происходит при восстановлении сульфатов и образовании сероводорода и
Рис. 29.4. Кислородный барьер А 11 на участке разгрузки сероводородных вод (по
А . И . Перельману). 1 -- водопроницаемые известняки, 2 -- песчаники, 3 -- водоупорные
глины.
сульфидов, а выделение --- при окислении сульфидов, сероводорода и
элементарной серы. Учитывая сравнительно высокий ее кларк, можно сказать, что
в сульфидах содержатся большие запасы солнечной энергии.
За геологическое время миграция S существенно изменилась. В раннем
докембрии, когда в атмосфере не было свободного кислорода, в земной коре,
вероятно, преобладала сульфидная сера, был и сероводород. Тогда не возникали
серные месторождения на кислородных барьерах, не развивалась десульфуризация
и восстановительные сероводородные барьеры также отсутствовали или были
значительно менее распространены, чем в современную эпоху. Геохимия S была
однообразной. В результате образования кислородной атмосферы (в рифее?) в
биосфере широко распространились сульфаты, а следовательно, и процессы их
восстановления. Гипсы и другие соли накапливались в озерах и лагунах, а в илах
и подземных водах --- гипергенные сульфиды. Многократно повторяясь,
круговорот S приводил ко все большему накоплению обоих полярных продуктов
--- окисленных и восстановленных соединений (гипсов, сульфатов, сульфидов).
Учитывая сульфаты и сульфиды, захороненные в породах палеозоя, мезозоя и
кайнозоя, современная эпоха отмечена наибольшим накоплением в земной коре
тех и других.
Менялся со временем и изотопный состав S. При восстановлении сульфатов,
сульфиды и сероводород обогащаются легким изотопом 32S. Поэтому морские
сульфаты обогащены тяжелым 34S, в осадочных сульфидах, напротив, больше
легкого изотопа. Исследуя изотопный состав cеры сульфидных гидротермальных
руд, геохимики доказали, что главным источником S в рудах являются сульфаты
океанического происхождения. Изучение изотопного состава S позволяет решать
и другие геохимические задачи.
Сера в ноосфере. Техногенная эмиссия S (в основном в форме SO2) является
одним из основных и широко распространенных видов воздействия человека на
ландшафт. Эмиссия в атмосферу оксидов S и N при сжигании угля, нефти, газа, от
автотранспорта привела в промышленных районах к особому виду техногенеза ---
подкислению (acidification) атмосферных осадков, вод и почв. Это привело к
увеличению миграционной способности многих тяжелых металлов, большей их
доступности для организмов, возникновению экотоксикозов и другим
последствиям.
Наиболее велика эмиссия S в промышленных регионах Европы (50.106 т в 1990
г .) и Северной Америки (20-25.106 т). В Европе --- это главным образом,
Восточная Германия, Южная Польша и Северная Чехия, Средняя Англия,
Словения, Болгария, Донбасс, а в Северной Америке --- северо- восток США.
Согласно прогнозу Международного института системного анализа в Вене
(IIASA), в начале ХХI века основные районы техногенной эмиссии S переместятся
в Китай (до 50 --- 106 т в год) и другие страны Юго-Восточной Азии (до 70 ---
80.106 т в год), в то время как в развитых странах Европы и Америки благодаря
внедрению более совершенных технологий произойдет спад выбросов S в 1,5 --- 2
раза. Вместе с оксидом S подкисляющее влияние на ландшафт оказывают оксиды
N, физиологически кислые удобрения и
некоторые органические
Рис. 29.5. Подкисление озер Адирондакских гор (США)
с 30-х до середины 70-х годов (цит. по U. Förstner,
G. Wittman).
загрязнители.
Выбросы SO2 в атмосферу понизили рН атмосферных осадков в Западной
Европе и Северной Америке с 5 до 4,2 --- 4,4, а в ряде районов Европы и Китая
даже до 2,8 --- 3,5.
Кислые дожди привели к региональному подкислению почв и поверхностных
вод. Буферность почв, понижению рН, во многом зависит от их физико-
химических свойств: исходного значения рН, содержания СаСO3, гумуса,
гидролитической кислотности, насыщенности основаниями, емкости поглощения,
содержания обменного Аl, соотношения гранулометрических фракций,
минералогического состава.
В поглощающем комплексе почв водородный ион замещает ионы Са и Мg.
Особенно сильно это подкисление в исходно слабокислых почвах --- бурых и
серых лесных и др., в связи с исчерпанием резерва поглощенных Са и Мg. Для
соответствующего понижения рН в нейтральных и слабощелочных почвах
требуется в 2 раза больше кислоты. За последние 15 --- 20 лет во многих районах
рН почв понизился на 1,0 --- 1,2 единицы.
Подкисление почв ведет к понижению содержания в них поглощенных
катионов, уменьшению сорбционной способности, высоким содержаниям
обменного Аl и подвижных форм тяжелых металлов, мобилизующихся в кислой
среде. Все это вредно для растений и почвенных животных. Тяжелые металлы
мигрируют из подкисленных почв и могут накапливаться в местных водоемах. В
Южной Швеции и на северо- востоке США около трети рек и озер подкислено
(рис. 29.5). Усиление подвижности тяжелых металлов при подкислении почв даже
в слабозагрязненных ландшафтах вредит рыбам, что на примере Нg доказано для
озер Южной Швеции.
Особенно сильное подкисление ландшафтов происходит на локальных участках
размещения сульфидсодержащих отходов и отвалов, стоков сильно кислых вод,
где формируются сернокислые ландшафты (см. гл. 3).
В Венгрии, Венесуэле, Китае, Австралии и других странах составлены
почвенно- геохимические карты, позволяющие оценить чувствительность почв к
кислотным воздействиям. М.А. Глазовская составила прогнозную карту
потенциальной буферности и устойчивости почв мира к техногенному
подкислению. По ответным реакциям на кислотные воздействия она разделила
почвы мира на три главные группы.
1. Почвы изначально кислые, в которых дальнейшее увеличение кислотности
сопровождается значительным ухудшением физико- химических свойств и
уменьшением плодородия.
2. Почвы изначально нейтральные или слабощелочные в горизонте А и
карбонатные в горизонте В , в которых кислотные воздействия сопровождаются
ухудшением лишь некоторых свойств.
3. Почвы изначально щелочные и сильнощелочные, в которых кислотные
воздействия приводят к уменьшению щелочности и соответственно улучшению
ряда свойств.
В каждой группе по степени буферности и характеру ответных реакций
выделяются подгруппы. Для количественной характеристики буферности
использованы данные о понижении рН на начальных этапах воздействия кислоты.
На карте выделено 23 вида почвенно- геохимических полей с различными
уровнями потенциальной буферности и устойчивости почв к подкислению и
деградации. К гумидным лесным зонам и секторам Земли от умеренных до
тропических приурочены ареалы сильнокислых и кислых почв, большая часть
которых малоустойчива к техногенному подкислению. К субгумидным и
субаридным зонам и областям умеренных поясов приурочены менее кислые и
нейтральные почвы, хотя и различающиеся по уровням буферности, но с меньшей,
чем в предыдущем случае, опасностью кислотной деградации. Более
чувствительны к кислотным воздействиям почвы переменно- влажных
тропических и субэкваториальных областей, занимающие особенно большие
территории в саваннах и редколесьях Африки и Южной Америки.
Наиболее обширное поле устойчивых почв включает полупустыни и пустыни
Африки, Передней, Средней и Центральной Азии, образуя единый широкий
трансконтинентальный пояс. В Северной и Южной Америке пояса устойчивых
почв полупустынь и пустынь занимают внутренние области континентов, в
тропиках они выходят так же, как в Южной Африке и Австралии, к западным
побережьям.
Подкисление почв и вод оказывает прямое и косвенное влияние на здоровье
человека. Прямое проявляется главным образом через действие сульфатов на
респираторный тракт. Косвенное влияние оказывается через мобилизацию и
увеличение содержания в питьевых водах, речных и озерных рыбах Рb, Hg, Аl и
Сu.
29.3. Подвижные катионогенные элементы с постоянной валентностью --- Са,
Nа, Мg, Sr, Ra
Для геохимии этих щелочных и щелочноземельных металлов большую роль
сыграла ионная концепция, так как свойства ионов определяют многие
особенности данных элементов --- хорошую растворимость некоторых солей, их
белый цвет, щелочно- кислотные свойства растворов и др.
Кальций --- Са (20; 40,078). Это широко распространенный злемент земной
коры с кларком 2,96 (рис. 29.6). В биосфере миграция Са особенно разнообразна
--- это главный металл живого вещества (кларк 0,5%). В золе растений
континентов содержится в среднем 3% Са, в почвах --- 1,3---1,5 , что дает средний
коэффициент биологического поглощения близкий к 2. Известны кальциевые
организмы, в которых его содержание превышает 10 (больше углерода). К ним
относятся известковые водоросли, моллюски, иглокожие, кораллы, корненожки и
другие организмы, строящие скелет из СаСO3. Среди растений и животных
выделяются кальциефилы --- бобовые, моллюски и кальциефобы --- сфагновые
мхи, насекомые, грибы, хвощи, плауны и др. У позвоночных животных скелет
состоит из фосфата Са, в организме человека около 1,5% Са.
Кальциевая геохимическая функция растений и животных исключительно
велика. Достаточно напомнить о мощных пластах известняков, сложенных
остатками водорослей, фораминифер, кораллов, моллюсков и т .д. Наиболее
интенсивны процессы в морях и океанах, но и на континентах разложение
остатков организмов обогащает почвы и континентальные отложения Са. Поэтому
воды в ландшафтах, богатых живым веществом, всегда имеют кальциевый состав
--- Са2+ занимает первое место среди катионов. Чаще всего это гидрокарбонатно-
кальциевые воды, в которых СаСO3 не насыщает речную воду и большая часть
металла выносится стоком в океан. В результате почвы и воды огромных
территорий с влажным климатом бедны Са. С этим связаны низкое плодородие
почв, низкая продуктивность домашних животных, их малые размеры, нередко
болезни скелета. Испытывают здесь его дефицит и дикие животные --- птицы
несут мало яиц, у моллюсков тонкие раковины, размеры млекопитающих
относительно малы.
Таковы ландшафты кислого класса умеренного и тропического поясов,
сформировавшиеся на бескарбонатных породах. В подобных ландшафтах большое
значение приобретает известкование почв, подкормка домашних животных
СаСO3. Любое включение в бик гумидных ландшафтов недостающего Са
приводит к "
взрыву биологической продуктивности, увеличению видового
разнообразия, т . е . к росту самоорганизации ландшафта. Особенно это наглядно
при формировании гумидных ландшафтов на карбонатных породах: и в тропиках,
и в умеренном поясе энергичная миграция и аккумуляция типоморфного Са
производит подлинную "
геохимическую революцию". Такие плодородные
ландшафты осваивались в первую очередь --- леса вырубались, быстро росло
население, возникали города, развивалась культура. Резко изменялся даже
внешний облик местности: например, в лесной зоне умеренного пояса
техногенный ландшафт кальциевого класса (на карбонатных породах) носит
открытый характер и по сравнению с окружающей "кислой тайгой" производит
впечатление далекого юга. В европейской России --- это Силурийское плато
южнее Петербурга, район города Каргополя в Архангельской области, ландшафты
на пермских красноцветах Приуралья и многие другие. Здесь проявляется общий
геохимический закон: кислое выщелачивание почв уменьшает самоорганизацию, а
поступление в ландшафт Са и других биологически важных элементов ее
увеличивает.
Рис. 29.6. Кларки концентрации кальция.
Обогащение гумидных ландшафтов Са характерно также для дельт рек и
районов вулканизма. Во влажных тропиках, например, эти ландшафты отличаются
высоким плодородием почв, плотным населением, эффективным сельским
хозяйством. В дельтах Са и другие питательные для растений вещества
доставляются регулярно с плодородным илом, и далеко не случайно в дельтах
Хуанхэ и Янцзы в Китае, Меконга и Красной реки в Индокитае, Ганга в
Индостане еще в древности возникли государства с плотным населением. Велика
и роль вулканизма: несмотря на опасность извержений, приводящих нередко к
гибели больших масс людей, эти ландшафты отмечены исключительной
населенностью. Причина заключается в постоянном обновлении почв за счет
вулканического пепла, который легко выветривается и определяет поступление Са
и других элементов в ландшафт. В результате высоко плодородие почв,
способных прокормить огромное население. Классический пример --- остров Ява в
Индонезии, для которого характерен энергичный вулканизм, развитое сельское
хозяйство, высокая плотность населения.
В аридных ландшафтах кальцит труднорастворим, им богаты почвы степей и
пустынь, в солончаках и соленых озерах часто накапливается и гипс. Это
преимущественно ландшафты Са и Са --- Nа классов.
Большое влияние на миграцию Са оказывает содержание в водах углекислого
газа. При высоком его содержании Са находится в растворе, а при низком ---
выпадает в осадок на термодинамическом барьере Н в виде кальцита:
СаСO3 + H2О + СO2 Са2 + 2НСО-3
Так, при понижении в водах давления углекислого газа образуются
кальцитовые жилы в породах, известковые туфы на выходах углекислых
источников, карбонатные горизонты в почвах, сталактиты и сталагмиты в
пещерах.
В пресных водах Са находится или в растворенном (
свободном)
незакомплексованном состоянии (Са2+), или он образует гуматные и фульватные
комплексы (в водах, обогащенных органическим веществом). Реки приносят в
океан много Са, но и здесь он не задерживается: входит в состав скелета
животных, осаждается на дно, обогащая илы СаСO3.
Важную роль в истории Са играют подземные воды, в известняковых массивах
они местами энергично его выщелачивают, с чем связан карст, образование
пещер.
Среди архейских пород мало известняков, а среди пород старше 3 млрд. лет они
практически отсутствуют. По мере развития фотосинтеза и выветривания реки
стали доставлять в океан много Са, который в связи с уменьшением содержания
углекислого газа в атмосфере стал насыщать и пересыщать воду. Поэтому А.П.
Виноградов полагал, что известковый скелет был "
навязан организмам
океанической средой".
В ноосфере роль Са исключительно велика. О кальциевых ландшафтах, их роли
в истории цивилизации уже сказано выше, здесь же отметим, что этот металл
входит в состав строительных материалов. Применение известняка и мрамора,
ангидрита и гипса, гашеной и негашеной извести насчитывает много столетий. В
этих процессах, как и при известковании почв, человек рассеивает Са, нередко
уничтожая целые горы, сложенные известняками и мрамором. Все большую роль
в ноосфере играет металлический Са, неизвестный в биосфере и неустойчивый в
ней. Металлический Са используется в металлургии, в химической
промышленности (изготовляются его сплавы с Рb, Аl).
Высокое содержание Са в золах некоторых углей и выбросах цементных
производств приводит к подщелачиванию почв вокруг цементных заводов и
тепловых станций, работающих на угле. Особенно ярко техногенная
карбонатизация и подщелачивание проявляются на фоне кислых почв, когда рН
возрастает до 7 --- 8. Тем самым меняется среда миграции многих химических
элементов, возрастает роль щелочного геохимического барьера для тяжелых
металлов, активизируется миграция анионогенных элементов. Техногенное
подщелачивание почв хорошо изучено в Канско-Ачинском районе (В .С. Волкова и
Н.Д. Давыдова, Ю. М. Семенов), в Тольятти (О.В. Моисеенков).
Итак, и для сельского хозяйства, и для здоровья человека наиболее
благоприятны ландшафты Са- класса. Поэтому человечество стремится ослабить
вынос из ландшафтов Са, известкуя кислые почвы, подкармливая домашних
животных кальцитом.
Натрий --- Nа (11; 22,9898). Кларк натрия в земной коре --- 2,5%, но в
осадочных породах много меньше --- в глинах и сланцах лишь О ,66% (рис. 29.7).
В биосфере по многим особенностям миграции Nа напоминает Сl: он также
одновалентен, энергичный водный мигрант образует легкорастворимые соли,
накапливается в конечных водоемах стока --- в Мировом океане, бессточных
озерах. Однако более высокий кларк и катионогенная природа определяют и
существенные различия геохимии Na от геохимии Cl. Так, если основным
источником Nа для океана служило выветривание горных пород материков, то для
Сl --- вулканизм.
В живом веществе в среднем 2.10-2% Nа --- меньше, чем К , Са, Мg, он легко
выходит из биологического круговорота и в условиях влажного климата уносится
стоком в океан. Поэтому гумидные ландшафты бедны Nа : его сравнительно мало
в водах, где среди катионов он занимает третье место (после Са и Мg), бедны Nа
и растения, в которых, однако, его дефицит не установлен. Животные, напротив,
нуждаются в повышенных количествах этого элемента, поэтому в животноводстве
применяется подкормка поваренной солью.
В аридных ландшафтах, особенно в пустынях, Nа накапливается в водах в
результате испарительной концентрации и выходит на первое место среди
Рис. 29.7. Кларки концентрации натрия.
катионов (хлоридно- и сульфатно- натриевые воды). Накапливается он и в
засоленных почвах, в растениях солянках. Даже некоторые животные обогащены
этим щелочным металлом. Поэтому Nа --- типоморфный элемент сухих степей и
особенно пустынь.
В целом на миграцию Nа в биосфере сравнительно малое влияние оказывает
биологический круговорот и большое --- процессы растворения, и в этом
отношении он также напоминает Сl. Около половины Nа , поступающего в океан
со стоком, снова возвращается на материки с океаническими ветрами: как и Сl, Nа
--- циклический элемент.
В ноосфере история Nа в общих чертах аналогична истории Сl. Основное
значение имеет добыча поваренной соли, в меньшей степени --- других солей,
например, мирабилита, соды. Ранее использовались только соединения Nа, теперь
в промышленности применяется и крайне активный свободный металл. Извлекая
натрий из месторождений, человек рассеивает его. В техногенных ландшафтах
влажного климата содержание Nа увеличивается, однако и здесь в них он не
задерживается и легко выносится стоком. Орошение пустынь и сухих степей
нередко приводит к его накоплению --- нежелательному вторичному их
засолению.
Интересны медицинские аспекты геохимии Nа . В крови человека, как и в
морской воде, Nа и Сl содержатся примерно в тех же соотношениях (это один из
аргументов в пользу гипотезы зарождения жизни в морской среде). Натрий
необходим для работы нервной и других систем животных и человека. О его
дефиците свидетельствует потребность солить пищу, а об избытке ---
гипертоническая болезнь, которой благоприятствует обилие соли в пищевом
рационе некоторых народов.
На дефицит N
а в отдельных ландшафтах указывают и факты истории.
Исследователи экваториальных лесов не раз отмечали, что лучший подарок для
коренных жителей, например пигмеев, снабдить их поваренной солью, которой
исключительно беден природный ландшафт.
Магний --- Мg (12; 24,305). Его кларк в земной коре 1,87%, но в
ультраосновных породах мантийного генезиса --- 25,9%. В магматических горных
породах он находится главным образом в силикатах --- оливине, форстерите и др.
В биосфере Мg концентрируется в самых дисперсных системах --- в океане и
соляных озерах (рис. 29.8). Здесь он ведет себя, как наиболее подвижные
элементы --- Nа , Сl, Br, J. Эта двойственность поведения Мg --- концентрация в
самых глубинных высокотемпературных системах литосферы и самых
поверхностных --- в гидросфере, характерная черта его геохимии, на которую
обращал внимание А.Е. Ферсман.
Рис. 29.8. Кларки концентрации магния.
Энергичная миграция Мg в биосфере во многом обязана хорошей
растворимости его сульфатов и хлоридов. Как и для Са, для него большое
значение имеет карбонатное равновесие:
Mg2+ + 2HCO-3 MgCO3 + H2O + CO2.
Однако из вод на термодинамическом (Н) и щелочном (D) барьерах, как
правило, осаждается не магнезит (МgС O3), а основные или двойные карбонаты,
среди которых наиболее распространен доломит --- СаСO 3 . МgСO 3 (40% всех
осадочных карбонатных пород).
Малые размеры иона М g2+ позволяют ему входить в решетку глинистых
минералов, что резко отличает геохимию Мg от других щелочноземельных и
щелочных металлов и сближает его с Аl.
Магний --- важный биоэлемент, но его биофильность на порядок ниже, чем у Са
(0,02 и 0,17). В живом веществе в среднем содержится 4.10-2% Мg, но в золе
растений многих систематических групп (мхов, голосеменных, грибов и бобовых)
содержание Мg достигает 2 --- 5%, что дает коэффициент биологического
поглощения больше 1 и определяет его биогенную аккумуляцию в гумусовых
горизонтах почв. Известны болезни растений и животных, вызванные дефицитом
и избытком Мg.
В гумидных ландшафтах история Мg аналогична истории Са, но Мg менее
подвижен. На путях его миграции возникают три основных геохимических
барьера: биогеохимический --- поглощение живым веществом, силикатный ---
образование вторичных силикатов, сорбционный --- поглощение глинами и
гумусом. Однако эти барьеры не в состоянии задержать весь Мg, и он частично
выносится со стоком. Интенсивность его выноса меньше, чем у Са, для которого
не действует силикатный барьер и слабее проявлен сорбционный. Поэтому в
грунтовых и речных водах Мg среди катионов занимает лишь второе место ---
после Са.
Резко отлична миграция Мg в степях и пустынях. Кое в чем она сходна с Са, но
и значительно от него отличается. Местами Мg более напоминает Nа , частично и
Аl. Здесь резко проявляется его способность входить в решетку глинистых
минералов и легкая растворимость сульфатов. В результате грунтовые воды
обогащаются Мg, соли которого осаждаются при испарении. Эти процессы
особенно характерны для пустынь. В целом аридные ландшафты богаче Мg, чем
гумидные --- его больше в почвах, водах, континентальных отложениях,
растениях. На путях его водной миграции возникают испарительный,
термодинамический и карбонатный (доломитизация), силикатный (образование
палыгорскита и других глинистых минералов) и сорбционный геохимические
барьеры.
За время геологической истории миграция Мg сильно изменилась.
Предполагают, что основная его масса поступила в океан за счет выветривания
пород материков. В архее и протерозое на материках были шире распространены
богатые Мg базальты, выветривание которых поставляло его в океан больше, чем
в современную эпоху. Для докембрия характерно осаждение в морях доломитов
(доломитовые эпохи). В открытых морях осаждение доломита прекратилось в
конце палеозоя, в мезозое оно сильно ослабло и в лагунах. В современную эпоху
этот минерал осаждается лишь в некоторых континентальных аридных озерах
типа восточной части Балхаша.
Магний в ноосфере. До ХХ столетия практическое применение находили только
соединения Мg, главным образом магнезит и доломит. В будущем, вероятно,
использование этого металла сильно увеличится, на что указывает все
возрастающее значение металлического Мg в промышленности, который в 1,5
раза легче Аl. Известны сплавы, содержащие до 90% Мg. Все же его
технофильность (1.106) значительно меньше, чем у Са, Nа и многих других
металлов (такая же, как у Аl).
Источником Мg служат залежи доломитов и магнезитов, морская вода, соляные
месторождения с карналлитом и бишофитом, рассолы соляных озер.
Дефицит Мg на легких почвах потребовал применения магниевых удобрений. В
организмах растений он является антагонистом К, и поэтому использование
калийных удобрений может привести к дефициту Мg. В целом в ноосфере
происходит его рассеяние и в меньшей степени накопление в ландшафтах, бедных
этим элементом. Интересны и медико- геохимические аспекты поведения Мg в
ландшафтах, его роль в онкозаболеваемости.
Стронций --- Sr (38; 87,62). Стронций --- типичный катионогенный элемент.
Его кларк в земной коре --- 3,4.10-2%. Химическая близость Sr и Са определяет
сходство их миграции в биосфере и земной коре: Sr --- постоянный спутник Са в
большинстве систем. Однако в истории обоих элементов есть и различия.
Стронций концентрируется в ряде систем биосферы и гидротермах (рис. 29.9),
образуя самостоятельные минералы: широко распространенный целестин (SrSO4)
и более редкий стронцианит (SrСО3). Более богаты им осадочные, особенно
карбонатные и засоленные породы; так, в глинах и сланцах в среднем 4,5.10-2%
Sr, в известняках --- 6,1.10-2%, в гипсах и ангидритах --- 2.10-1%. Высокая
способность к самостоятельному минералообразованию в биосфере объясняется
значительной величиной радиуса иона Sr2+. Если в магматических процессах
такие его размеры допускают вхождение в качестве изоморфной примеси в
силикатные минералы, то в биосфере изоморфная смесимость намного слабее.
Кларк Sr в живом веществе --- 2.10-3%, его биофильность --- 0,06 ниже, чем у
Са, но больше, чем у Ва, Мg, Nа , Li. Он играет большую роль в жизни животных,
чем растений, более характерен для морских организмов, чем для сухопутных и
пресноводных. Как и Са, Sr важный элемент скелета. Избыток его подавляет
процессы минерализации костей, у молодых животных развивается "стронциевый
Рис. 29.9. Кларки концентрации стронция.
рахит". Известны роды и семейства с относительно высоким или низким
содержанием данного металла. Эти особенности предположительно связаны с
содержанием Sr в центрах видообразования. Сравнительно высокое его
содержание характерно для флоры, формировавшейся на засоленных территориях,
почвы которых обогащены Sr. Центром формирования видов "
стронциевых
растений", вероятно, служили также районы распространения щелочных пород,
фосфоритов, месторождений Sr.
В гумидных ландшафтах история Sr аналогична истории Са. Более низкий
кларк уменьшает возможность его концентрации: здесь он не насыщает воды
(менее 1 мг/л) и не образует самостоятельных минералов. В кислой и слабокислой
среде характерен радиальный и латеральный вынос Sr из ландшафта, интенсивная
водная миграция в форме Sr2+. Поэтому лесные почвы, особенно легкого
гранулометрического состава, в 2 --- 3 раза обеднены Sr по сравнению с
литосферой (его содержание в подзолистых и дерново- подзолистых почвах России
и США не превышает 1,5 --- 2,0.10-3%). Особенно мало Sr во влажных тропиках,
например, каолинитовые древние коры выветривания содержат лишь 5 --- 10.10-
3% Sr. Подвижность Sr в кислой среде определяет его доступность и накопление в
лесных, особенно древесных растениях --- ели, сосне, березе. Коэффициенты
биологического поглощения Sr в этих видах достигают 20 --- 40 и более, что
определяет возможность его относительного накопления в гумусовых горизонтах
лесных почв.
Повышенное содержание Sr в ландшафтах, бедных Са, вызывает тяжелое
заболевание, впервые обнаруженное в середине прошлого века в таежной долине
реки Уров (Восточное Забайкалье). Там у жителей наблюдались поражения
скелета --- искривление позвоночника, опухание суставов, ломкость костей.
Домашний скот отличался низкой продуктивностью, у животных выпадали шерсть
и зубы. В костях больных животных Sr в 5 --- 8 раз больше, чем в костях
здоровых. Эта "уровская болезнь" обнаружена также в бассейне реки Зеи, в
Северо- Восточном Китае и других регионах. Не все причины болезни выявлены с
достаточной полнотой, имеются данные о влиянии на заболеваемость высоких
содержаний Sе , сульфатной серы и других элементов.
В аридных ландшафтах стронций также аналог кальция. В подземных водах
биосферы содержание Sr в значительной мере контролируется их сульфатностью:
в связи с низкой растворимостью целестина им бедны сульфатные воды.
Наоборот, в подземных хлоридных водах условия для миграции Sr благоприятны
в связи с отсутствием в них осадителя металла --- SO42-
. Поэтому глубинные
хлоридные пластовые воды артезианских бассейнов часто обогащены Sr. При
тектонических поднятиях подобные воды по разломам местами поступают в
верхние структурные этажи земной коры и смешиваются с сульфатными водами.
Здесь возникает сульфатный барьер, на котором вместе с гипсом осаждается
целестин. Эти эпигенетические концентрации целестина ассоциируются с гипсом,
баритом, флюоритом, элементарной серой. При образовании солончаков,
накоплении солей в озерах Sr следует за гипсом, осаждаясь в форме целестина.
Поэтому гипсовые горизонты сульфатных солончаков, солонцов, каштановых,
бурых пустынно- степных почв обогащены Sr до 1,0 --- 1,5% (30 --- 50 КК). В
хлоридных и содовых солончаках, а также бескарбонатных и незасоленных
горизонтах черноземов, каштановых и бурых пустынно- степных почв стронций не
концентрируется (В.В . Добровольский, Н.С. Касимов, А.И. Перельман и др.).
Испарение стронцийсодержащих термальных вод, разгружающихся в депрессиях,
также приводит к концентрации целестина. Известны его промышленные
месторождения такого происхождения.
Особенно характерна концентрация Sr в заливах и лагунах аридных регионов,
где его осаждение связано с конечными стадиями накопления карбонатов и
началом осаждения сульфатов --- моментом насыщения рассола гипсом. Поэтому
концентрации целестина обнаруживаются в доломитах, известковых доломитах,
гипс-доломитовых толщах, гипсах. С подобной испарительной концентрацией
также связаны промышленные месторождения целестина (
например, в
верхнемеловых отложениях Ферганской долины).
Содержание Sr в растениях аридных ландшафтов определяется их видовой
специализацией, тесно связанной с геохимией палеоландшафтов эпох
видообразования, а также с современными ландшафтно- геохимическими
условиями. Выделяются четыре основные группы растений: 1) злаки с низкими
концентрациями стронция (0,5 --- 0,7 КК в золе); 2) сложноцветные, в основном
полыни (1,0 --- 1,5 КК); 3) маревые (1,5 --- 2,5 КК, в солянках --- до 4,0 --- 4,5 КК);
4) древесные породы --- береза, ива (10 КК). Максимальны концентрации Sr в
растениях ивово-березовых колков Северного Казахстана, Южного Урала, Алтая,
которые и в аридных условиях сохраняют стронциевую специализацию,
свойственную древесным породам таежной зоны. Много Sr в солянках на
сульфатных солончаках и солонцах (Н.С. Касимов).
В ноосфере преимущественно используются соединения стронция, хотя
металлический Sr входит в состав некоторых сплавов. Много Sr в фосфорных
удобрениях. Нашли применение и изотопы стронция. Так, радиоактивный 90Sr
является источником энергии для атомных электрических батарей. В целом
человечество рассеивает стронций.
Радий --- Ra (88; 226,0254). Радий открыт Марией Кюри в 1898 году в урановой
руде из Яхимова (Чехия). Химия и геохимия этого металла детально изучались в
первой половине ХХ столетия. С началом практического использования атомной
энергии на основе U интерес к Ra сильно упал. Все же геохимия Rа изучена
хорошо. При радиоактивном распаде урана и тория образуется целая серия
радионуклидов, каждый из которых обладает различной продолжительностью
жизни. Так, например, уран-238 в результате альфа-распада превращается в
торий-234 (период полураспада U --- 4,5 млрд. лет). Только такой колоссальный
период полураспада позволил U дожить до наших дней, хотя за прошедшие 4,5
млрд. лет (возраст Земли) его количество и уменьшилось вдвое. Торий-234,
напротив, короткоживущий изотоп с периодом полураспада 23,8 дня. В результате
бета-распада 234Th образуется радиоактивный протоактиний-234, в свою очередь
быстро (бета-распад 0,5 --- 1,15 минуты) превращающийся в уран-234. Последний
сравнительно долгоживущий --- его период полураспада 2 млн. лет. В результате
альфа-распада уран-234 превращается в торий-230, получивший наименование
иония. Его период полураспада 90 тыс. лет. В результате альфа-распада иония
образуется радий-226 с периодом полураспада 1590 лет. Поэтому на Земле давно
не было бы Rа , если бы он постоянно не возникал в результате радиоактивного
распада U и Тh. Вслед за этими "прародителями" Rа аккумулируется в верхней
части земной коры. На примере геохимии Rа особенно видна зависимость
минералообразования от кларка. По химическим свойствам он --- типичный
щелочноземельный металл, причем растворимость сульфата Rа меньше, чем
сульфата Са. И все же в природе не известны радиевые аналоги барита, целестина,
гипса. Радий вообще не образует самостоятельных минералов, что обусловлено
его крайним рассеянием --- сверхнизким кларком, близким к 1.10-10%. Поэтому
его миграция подчиняется особым геохимическим законам так же, как "особая
химия" управляет его поведением в лабораториях. Это законы сорбции,
сокристаллизации, соосаждения.
Своеобразие геохимии Rа состоит в том, что химически он близок к другим
щелочноземельным элементам (особенно к Ва), но в своем образовании связан с
U. Поэтому в одних процессах основное значение приобретает аналогия с Ва, в
других --- связь с U, причем наиболее важна последняя. В биосфере важнейшее
значение для концентрации Rа в породах, почвах и илах имеет сорбционный
барьер, меньшее биогеохимический --- поглощение живым веществом.
В породах и минералах радий часто находится в равновесии с ураном: Ra/U =
3,36.10-7, но нередко это равновесие нарушается в обе стороны. Инo гда сдвиг в
сторону Rа составляет сотни и даже тысячи процентов: U в системе практически
отсутствует (намного ниже кларка), Rа , наоборот, находится в относительно
значительных количествах (n.10-9% и более).
Если бы R
а был непосредственным продуктом распада U, то его
самостоятельное существование было бы геологически кратковременным --- за
десятки тысяч лет он разложился бы полностью. Длительное существование Rа
независимо от U возможно в связи с тем, что родителем 226R а является
радиоактивный изотоп тория ионий. Период его полураспада составляет 8,3.104
лет, в равновесии с ним часто оказывается и Ra. По химическим свойствам и ,
следовательно, по миграции в земной коре уран и ионий различны --- последний
менее подвижен. Поэтому имеются обстановки, в которых уран выносится, а
малоподвижный ионий остается и в равновесии с ним остается радий. Время
существования радия в подобных системах измеряется уже не десятками, а
сотнями тысяч лет.
Благодаря высокой ионизирующей способности, Rа губителен для живых
организмов. Его канцерогенные свойства сыграли роковую роль в жизни первого
поколения исследователей-радиологов --- многие заболели раком кожи и другими
формами рака. Однако кларковые природные концентрации R
а , вероятно,
безвредны, так как жизнь в ходе длительной эволюции приспособилась к фоновой
радиоактивности среды.
У растений нет физиологических барьеров, препятствующих поглощению Rа ,
причем его количество в них может превышать содержание в питающей среде в
сотни раз. Предполагается, что способность к энергичному поглощению Rа
возникла уже на первых этапах развития жизни, причем для первичных
организмов важны были не только химические свойства элемента, но главным
образом его радиоактивность --- источник дополнительной энергии (особенно в
период становления фотосинтеза). Это свойство могло передаться и более
сложным формам жизни. Естественно также предположить, что относительно
высокие содержания Rа характерны для семейств, возникновение которых связано
с районами повышенной радиоактивности --- урановыми провинциями, аридными
территориями, районами развития гранитоидов и углеродистых сланцев (А.И .
Перельман).
В связи с распадом U количество Rа в биосфере уменьшилось за время
геологической истории. В ландшафтах его содержание зависело и от
климатических, и от тектонических условий. Эпохи спокойного тектонического
режима с теплым и влажным климатом (например, начало каменноугольного
периода, нижняя юра и др.) характеризовались энергичным выносом Rа из
ландшафтов и, соответственно, низкой радиоактивностью среды. Напротив, зпохи
горообразования и магматизма, широкого развития сухих климатов и выхода на
поверхность гранитов были отмечены более высоким содержанием в ландшафтах
этого металла, а следовательно, и большим влиянием ионизирующих излучений
на эволюцию организмов.
История Rа в ноосфере полна превратностей --- резкого изменения интереса к
нему. В начале ХХ в . он извлекался из урановой руды, главным образом с
научными целями. Вскоре, однако, обнаружилось его терапевтическое значение
при лечении некоторых форм раковых заболеваний. В мире усилился интерес к
урановым рудам, тонны которых перерабатывались для извлечения граммов радия
(1 т U содержит исходя из радиоактивного равновесия, 0,336 г Rа). До 1940 г .
всего было добыто свыше 2 кг Rа . По технофильности он не очень сильно
отличался от V, Мg, Аl. Следовательно, в единицах кларков человечество в то
время извлекало Rа в тех же масштабах, что и другие элементы.
Радий принадлежит к числу элементов, которые природа рассеивает, а человек
концентрирует.
29.4. Подвижные анионогенные элементы с постоянной
валентностью --- F и В
Фтор --- F (9; 18,9984). Кларк фтора --- 6,5.10-2%. Важнейшие особенности
геохимии F состоят в резко выраженной литофильности, связи с гранитным слоем
(рис. 29.10) и низкой талассофильности не только по сравнению с Сl и Вr, но и с
его характерным спутником в земной коре и биосфере Са, с которым он образует
труднорастворимый минерал флюорит --- СаF2. Кальций --- главный осадитель F
из вод. Этим фтор сильно отличается от Сl и других галогенов. Тесно он связан и
с Р, входя в состав фтор- апатита [Са10(РО4)6F2], самого распространенного
минерала фтора. Одна из важнейших особенностей F --- он является
универсальным аддендом для комплексообразования многих злементов-
гидролизатов --- А l, Ве, Nb, Sn, Zr, Sc и др. (С. Р. Крайнов).
Рис. 29.10. Кларки концентрации фтора.
Несмотря на исключительную химическую активность F, интенсивность его
водной и биогенной миграции значительно ниже, чем у ближайшего соседа по
периодической системе --- Сl.
Среднее содержание F в почвах земного шара, по Кабата- Пендиас и Пендиас,
3,2.10-2%, т . е . почти в 2 раза ниже кларка. Однако в тяжелых почвах на основных
породах его содержание достигает 0,1%. На миграцию F в ландшафтах влияют
щелочно- кислотные условия, сорбенты, кальциевые и фосфатные геохимические
барьеры. В кислых гумидных ландшафтах F подвижен и выносится из почв,
подщелачивание среды до рН 6 --- 7 способствует его адсорбции минеральными
компонентами. Щелочная реакция и карбонатность степных и пустынных почв
неблагоприятны для миграции F.
Растениям F в целом малодоступен и его коэффициент биологического
поглощения о,n-n. По Кабата-Пендиас и Пендиас, в сухой массе растений
фоновых ландшафтов обычно не более 0,3.10-2% F, что в расчете на золу близко к
кларку литосферы. Коэффициент биологического поглощения F у растений
Сибири, по А.Л. Ковалевскому, в среднем равен 0,5.
В биосфере история F тесно связана с вулканизмом. При вулканических
извержениях выделяются кислые дымы, содержащие фтористый водород. В таких
ландшафтах F часто избыточен, им обогащены воды (> 1 мг/л), с чем связано
тяжелое заболевание костной системы --- флюороз (быстро разрушаются зубы,
страдают и другие органы). Флюороз также развит в районах распространения
пород, обогащенных F, --- фосфоритов, апатитов, некоторых гранитов. Дикие и
домашние животные также болеют флюорозом --- изменяются кости, копыта, рога,
снижается продуктивность. В Исландии флюороз резко усиливается после
очередного вулканического извержения и постепенно ослабевает по мере
выщелачивания почв и сброса избыточного F со стоком в океан. В гумидных
ландшафтах известны болезни людей, домашних животных, обязанные дефициту
F в питьевой воде (менее 1 мг/л), что приводит к кариесу зубов. Морская пища
богаче F, чем пища материков, и этим, например, объясняют слабое развитие
кариеса у эскимосов Канады, основной пищей которых является морская рыба. В
аридных ландшафтах воды содержат больше F, кариес там встречается реже.
Фторирование питьевой воды --- одно из средств борьбы с дефицитом этого
элемента.
Палеогеохимия F --- интересная научная проблема. В эпохи горообразования,
вулканизма, развития аридных климатов ландшафты обогащались F, а эпохи
слабого вулканизма, преобладания суши, гумидных климатов были отмечены
низким его содержанием. Так как в ходе геологической истории наблюдалось
общее ослабление вулканизма, можно предположить, что и поступление F в
биосферу постепенно ослабевало. Однако со временем он накапливался в
осадочных породах.
Технофильность F невысокая (2.107). Основным его источником для
промышленности служат гидротермальные месторождения плавикового шпата
(СаF2), меньшую роль играют другие минералы. Человечество рассеивает F,
усиливает те тенденции его геохимии, которые проявились уже в биосфере.
Главный потребитель плавикового шпата --- металлургия. Используются и
плавиковая кислота, фторид Nа и другие соединения F. В ХХ в . стали производить
синтетические фторорганические соединения, не известные в биосфере.
В связи с огромной химической активностью F не может существовать в
свободном состоянии ни в биосфере, ни в земной коре, ни в мантии, но эти же его
свойства обусловили возможность использования свободного фтора в ракетном
топливе.
Ноосфера загрязняется F при выплавке Аl, стали, сжигании угля, производстве
фосфорных удобрений, кирпича, стекла. Контрастны техногенные аномалии F в
снеге, почвах, растениях, водах, вокруг заводов по производству алюминия
(Братск и др.). Химическая активность фтора, его ядовитость, особенно
фтористоводородной кислоты (НF) создают экологические проблемы также при
производстве и применении фосфорных удобрений --- фосфоритов и апатитов.
Отрицательно влияют на экологию ландшафта и фторуглеводороды,
используемые в холодильных камерах, различных распылителях. Они
способствуют уменьшению содержания озона в стратосфере.
Бор --- В (5; 10,81). Это самый легкий элемент третьей группы Периодической
системы, который, несмотря на валентность +3, не проявляет металлических
свойств и более похож на кремний, чем на алюминий. Бор единственный
кислотный элемент и единственный неметалл данной группы. Высокое сродство к
кислороду определяет преобладание в земной коре кислородных соединений В ---
боратов, производных различных борных кислот. Большинство этих соединений
труднорастворимо, и только некоторые бораты щелочных металлов
легкорастворимы. В качестве осадителей борат- ионов из вод важную роль играют
Са и Мg. По структуре бораты во многом напоминают силикаты (тетраэдры ВО4
аналогичные SiO4, могут объединяться через общие атомы кислорода, образуя
цепи, слои и каркасы).
В космосе В --- дефицитный элемент, с чем связан его относительно низкий
кларк в земной коре --- 1,2.10-3%.
В биосфере миграция В во многом сходна с подвижными анионогенными
элементами --- Сl, Вr, S. В его истории также большое значение имеют вулканизм,
миграция в атмосфере, испарительная концентрация, накопление в конечных
водоемах стока --- морях и океанах, соленых озерах, ионная миграция в
природных водах (преимущественно в форме анионов борных кислот ВO33-, ВО2-
, H2ВО3-) (рис. 29.11). Однако В сильнее сорбируется глинами.
Биофильность В высокая, примерно такая же, как у Р. Известны болезни
растений, связанные с его дефицитом и избытком. От избытка В болеют
животные.
В гумидных ландшафтах В мигрирует энергично и легко выщелачивается из
почв, в которых его содержание 1 --- 2.10-3%. Культурным растениям здесь
недостает В. В результате, например, сахарная свекла заболевает "
гнилью
сердечка", которая ликвидируется борными микроудобрениями, они также
повышают урожайность льна, бобовых растений, моркови и других культур.
Реки выносят В в океан, где он концентрируется. Однако в историческом
аспекте главным поставщиком В служил не речной сток и выветривание пород
материков, а вулканизм. Талассофильность В высокая. Из морской воды часть его
атомов поглощается илами, а часть вместе с Сl и S переносится на материки с
атмосферными осадками ("циклические соли"). Так в регионах с влажным
климатом осуществляется круговорот В: океан --- атмосфера --- ландшафт ---
речной сток --- океан. В связи с хорошей растворимостью соединений он почти не
задерживается в ландшафтах. Подвижность В определяет его доступность и
относительно высокие содержания в деревьях. По Г . Шаклетту и др., зола
деревьев и кустарников содержит в среднем 5 --- 50.10-3% бора --- n-10n кларков
концентрации. Это в 2 --- 10 раз больше, чем в травах и овощах.
В аридных ландшафтах В мигрирует иначе. Так как почвы и континентальные
отложения здесь богаты Са, а бораты кальция труднорастворимы, то на пути его
миграции возникает кальциевый барьер. Поэтому из степных почв В выносится
слабо, его здесь в 2 --- 3 раза больше, чем в лесных почвах (3 --- 5.10-3%).
При испарении грунтовых и озерных вод В накапливается, его много в
некоторых солончаках, соленых озерах. Особенно эффективны эти процессы в
районах современного и древнего вулканизма, где породы и термальные воды
обогащены бором. Горячие бороносные подземные воды, связанные с
вулканизмом, в прошлом неоднократно испарялись в депрессиях рельефа пустынь
или же реагировали с осадочными карбонатами. В результате на испарительном
или кальциевом барьерах осаждались бораты. Подобные вулканогенно- осадочные
их месторождения неогенового возраста известны в США и других странах. Этот
процесс наблюдается и в современную эпоху в соленых озерах аридных
вулканических районов Южной Америки (месторождения вблизи действующих
вулканов --- Салинас в Перу, Аскатан в Чили и др.). Так как бор особо подвижен в
Ðèñ. 29.11. Кларки концентрации бора.
содовых водах, то в солончаках часто наблюдается зависимость содержания В от
рН. Минерализация прямо влияет на его содержание в водах лишь до содержания
солей 20---30 г/л.
Испарение морской воды в лагунах аридных районов также приводит к
концентрации В и при определенных условиях к осаждению боратов
(преимущественно магния). Такие процессы были особенно характерны для
пермского периода.
Сильно обогащены В аридные ландшафты на морских засоленных глинах, на
участках борных месторождений и на выходах подземных бороносных вод.
Подобные "борные солончаки" с содержаниями В до 25 --- 30 КК формируются на
грязевых вулканах Азербайджана (А. Ахмедов), соляных куполах Прикаспия.
Меньшие концентрации (12 --- 13 КК) установлены в содовых солончаках
Кулунды и хлоридно- сульфатных солончаках Бадхыза. В большинстве засоленных
почв содержание В колеблется от 2 до 5 КК (В.Б. Ильин, Н.С. Касимов и др.).
Растения аридных ландшафтов по-разному относятся к В: злаки поглощают его
слабо (5 --- 8 КК) и почти не реагируют на повышенные содержания в почвах,
маревые (10 --- 15 КК) и особенно полыни (20 --- 30 КК) --- активные
аккумуляторы. Характерны глубокие изменения физиологии и даже морфологии:
у некоторых пустынных полукустарников при умеренном борном засолении
развивается гигантизм, а при сильном --- карликовость. Наблюдаются изменения в
окраске листьев, происходит массовое преждевременное их опадание, возникают
болезненные формы. Грунтовые воды в подобных ландшафтах обогащаются В, в
связи с чем у домашних животных развиваются тяжелые борные токсикозы ---
поражается желудочно-кишечный тракт, легкие, почки, мозг. Медь --- антагонист
бора, поэтому медная подкормка ослабляет болезни. Как и в гумидных
ландшафтах, наибольшие содержания В характерны для деревьев (березы, ивы) ---
30 --- 40 КК (Н.С. Касимов).
Технофильность В значительна (1.107). В отличие от биосферы для ноосферы
характерны не только его кислородные соединения, но и бороводороды (бораны),
фториды и другие богатые энергией соединения, чуждые биосфере и
неустойчивые в ней. Ценность карбида --- В4С связана с его исключительной
твердостью и тугоплавкостью. Загрязнены В фосфорные удобрения, компосты
бытового мусора, осадки сточных вод и растения, выращенные на удобряемых
ими почвах (Ю.Е. Сает и др.).
29.5. Слабоподвижные катионогенные элементы ---
К, Ва, Li, Rb, Ве, Сs, Тl
Калий --- К (19; 39,0983). Кларк К такой же, как у Nа --- 2,5%, но он
значительно биофильнее и дефицитнее. В золе многих растений более 10% К ,
богаты им картофель, подсолнечник. Очень необходим он и животным.
Многие соли К легкорастворимы, однако в биосфере он мигрирует слабо, чем
резко отличается от Nа . Хотя при выветривании горных пород он и переходит в
воды, но быстро захватывается организмами и сорбируется глинами. Поэтому
реки бедны К, в океан его поступает меньше, чем Nа , и океанические воды
содержат K в 25 раз меньше Nа . Так, эти два парагенных в глубинах литосферы
элемента в биосфере ведут себя резко различно --- Nа накапливается в океане, а К
остается на материках или входит в состав морских осадочных пород.
Следовательно, Nа талассофильнее К.
В глинах, живом веществе К концентрируется энергичнее Nа и М g и по водной
миграции сильно отстает от этих элементов. Еще раз отметим, что его слабая
водная миграция обусловлена не плохой растворимостью солей, а активным
участием в биологическом круговороте, дефицитностью для организмов и
сорбцией глинами. Поэтому, хотя по химическим свойствам К --- аналог Nа , в
биосфере его геохимия ближе к Мg --- например, oба входят в состав глинистых
минералов (в магматических процессах они антиподы).
В прошлые геологические эпохи на поздних стадиях испарения морской воды в
лагунах вслед за Nа осаждались соли К вместе с солями Мg (например, карналлит
--- МgСl2.КСl.6H2О). Особенно энергично эти процессы протекали в пермском
периоде (Соликамское месторождение в России, Стассфуртское в Германии и др.).
В ноосфере начался новый этап истории К . Резкий его дефицит в большинстве
агроландшафтов вызвал необходимость применения калийных удобрений, и
огромные количества К стали извлекаться из недр и рассеиваться в виде
удобрений, мигрируя на сотни и тысячи километров. Меньше его значение в
других отраслях народного хозяйства. В металлургии, атомной технике
используется и металлический К .
Барий --- Ва (56; 137,327). В химическом отношении Ва активнее Sr и Са, но
его геохимическая активность ниже. Для сульфатов щелочно- земельных металлов
характерен следующий ряд растворимости: МgSO4 (легкорастворим) > СaSO4
(труднорастворим) > SrSO4 > BaSO4 > RaSO4. В лабораторной практике барит
(ВаSО4) относится к "нерастворимым солям". При 20oС его растворимость равна
2,3.10-4% (2,3.10-3 г /л), что соответствует 1,35.10-3 г/л Ва. Эти количества
значительно превышают обычные его содержания в водах ландшафтов, которые,
таким образом, не насыщены баритом. Поэтому миграция Ва вполне возможна в
водах, содержащих небольшое количество SO42-, и только при высокой
концентрации этого иона и при повышенных содержаниях бария происходит
осаждение барита.
Кларк Ва довольно высок --- 6,5.10-2%, среди его соседей по периодической
системе и после него нет ни одного столь распространенного элемента. Кларк
Рис. 29.12. Кларки концентрации бария.
ближайшего аналога Sr (№ 38) почти в 2 раза ниже. Кларк Ва близок к F (№ 9),
превышает S (№ 16).
Особенности химии Ва определяют важнейшие черты его поведения в биосфере
--- низкую интенсивность миграции в аридных ландшафтах с сульфатными водами
(ниже, чем у Sr) и сравнительно высокую в гумидных ландшафтах с
гидрокарбонатными водами. Имеет значение и сорбция крупного катиона Ва
отрицательно заряженными коллоидами (
геохимический барьер G2).
Сорбируемость Ва2+ и низкая растворимость барита снижают интенсивность
миграции Ва в биосфере и определяют его место в одной группе с К, а не с
соседями по Периодической системе --- Sr и Са.
Важнейшими геохимическими барьерами для Ва служат биогеохимический
(поглощение живым веществом) и сорбционный, локальное значение имеет
сульфатный барьер (в морях, подземных водах) (рис. 29.12). С последним
барьером связаны наиболее крупные концентрации Ва, в том числе
промышленные его месторождения.
В живом веществе в среднем 3.10-3% Ва, его биофильность ниже, чем у Са,
того же порядка, что у Мg и Sr, больше, чем у Nа. Животные им беднее, чем
растения. У высших животных и человека Ва концентрируется вместе с Са.
Особенно его много в пигментной оболочке глаз (до 1% в золе). Известны
концентраторы Ва --- некоторые травы (астрагалы), морские корненожки.
Большинство организмов плохо переносят его избыток, как и другие тяжелые
элементы конца Периодической системы, он ядовит для большинства животных.
На баритовых жилах в любых климатических условиях формируются
своеобразные геохимические ландшафты. Почвы здесь нередко содержат целые
проценты Ва (КК 10 n), травы ядовиты, многие растения болеют от избытка Ва,
растет особая "
бариевая флора". Такие "бариевые ландшафты" описаны в
Миссури, Вирджинии, Теннесси и других штатах США. На одном из
полиметаллических месторождений Сибири почвы содержат барит, зола растений
содержит до 3% Ва.
В гумидных ландшафтах Ва сравнительно подвижен, но все же менее Мg, Са и
Sr. Он легко сорбируется органическим веществом, глинами и особенно
гидроксидами Мn, содержащими местами до 10% Ва. В аридных ландшафтах Ва
малоподвижен и в биологическом круговороте, и в водах. В отличие от Мg, Са и
Sr он не участвует в испарительной концентрации в соленых озерах и солончаках.
Океаническая вода в среднем содержит 2.10-6% Ва, что свидетельствует о
низкой его талассофильности. Основным источником для океана, вероятно,
служило выветривание пород континентов, однако не исключается и роль
подводного вулканизма. Но и тот Ва, поступая в морскую воду, геологически
быстро извлекался из нее глинистыми илами, а частично и в результате
поглощения организмами.
Морская вода в основном не насыщена баритом, но насыщение местами
возможно в иловых водах --- в океанических осадках встречаются стяжения
барита и его конкреции. Они образовались в илах с нормальной соленостью.
Значительно менее распространены осадочные породы, почти нацело состоящие
из барита. В этих породах он, как правило, не ассоциируется с целестином и
другими минералами испарительной концентрации. Характерен парагенезис
барита с пиритом, органическим веществом (битумы), местами кальцитом.
По миграции в подземных водах барий более похож на К, чем на Sr, Са и Mg.
Содержание его в водах лимитируется содержанием главного осадителя --- SO42-
.
Между этими компонентами наблюдается oбратная зависимость. Благоприятны
для накопления Ва бессульфатные глеевые глубинные воды хлоридного и
гидрокарбонатного состава. В них он, вероятно, поступает из вмещающих пород,
возможно, также из вод, захороненных в поровых растворах. При встрече
глубинных бессульфатных вод с инфильтрационными водами возникает
сульфатный барьер и осаждается барит. Так образовались некоторые баритовые
жилы.
Технофильность Ва (3.107) ниже, чем у Са, но выше, чем у Мg и К. По
технофильности он близок к Ni, Мn, Fе . Промышленность получает его из
гидротермальных баритовых жил, реже из жил витерита (ВаСO3). Барит входит в
состав глинистых растворов при нефтяном бурении, он применяется в
рентгенотехнике (
барий хороший поглотитель рентгеновских лучей), при
изготовлении резины, бумаги, красок, пластмасс и др. Соли Ва известны как
ядохимикаты. В сплавах с металлами в небольших количествах находит
применение и металлический Ва. Человечество в основном рассеивает Ва,
усиливает процесс, который характерен для биосферы.
Литий --- Li (3; 6,941). Это самый легкий металл. Обладая общими
химическими и геохимическими свойствами с другими щелочными металлами, он
во многом от них отличается. Сходство с соседом по диагонали --- Мg,
объясняется строением атома Li. Его внутренняя (гелиевая) электронная оболочка
состоит из двух электронов, в то время как остальные щелочные металлы имеют
8-электронную оболочку Ar, Nе и других инертных газов. Такое строение атома
определило меньшие размеры иона (Li+) по сравнению с ионами других
щелочных металлов. В результате размеры радиусов ионов Li и Mg почти
совпали, чем и объясняется сходство их поведения в некоторых системах
биосферы. Этот переходный характер Li --- от щелочных к щелочноземельным
металлам проявляется и в слабой растворимости его карбоната, фосфата и
фторида (но хлорид и сульфат --- легкорастворимы). Однако слабая растворимость
солей не оказывает существенного влияния на миграцию Li из- за его низкого
кларка (3,2.10-3%). Воды земной коры, как правило, им не насыщены.
А.И. Гинзбург особенно подчеркивал геохимическую двойственность Li: с
одной стороны, это щелочной металл, аналог Nа во многих процессах, с другой ---
в минералах он, как правило, аналог не Nа , а Мg, Fе и Аl. Следовательно, в
природных водах Li --- аналог Nа , в кристаллах (минералах) --- Мg и Аl. В
биосфере особенно проявляется его сходство с Мg, К, Rb и Аl.
Кларк Li в живом веществе 1.10-5%, биофильность его значительно ниже, чем у
других щелочных и щелочноземельных металлов, по этому параметру он близок к
Fе и Ti. Согласно Боровик-Романовой, в золе растений в среднем 1.10-3% Li, что
дает Аx меньше 1. Известны концентраторы лития --- "литиевая флора", к которой
относятся представители семейств пасленовых, лютиковых, солянок.
Формирование этой флоры, вероятно, происходило на засоленных территориях и в
других ландшафтах, обогащенных Li. Повышенные количества лития токсичны
для животных и человека.
В ландшафтах влажного климата Li энергично мигрирует и выщелачивается из
почв. В аридных ландшафтах он участвует в испарительной концентрации,
накапливаясь в грунтовых водах, засоленных почвах, растениях солончаков (до
0,1% в золе). Особенно много Li в солончаках и соленых озерах областей
молодого магматизма и вулканизма, питающихся глубинными литиеносными
термальными водами.
Основным источником Li для океана служат реки и , возможно, подводные
вулканы. Его месторождения связаны как с магматическими процессами
(пегматиты), так и с биосферой (соляные озера).
Хотя Li открыт еще в 1818 г ., его широкое применение началось лишь во
второй половине ХХ в . Это важный элемент атомной техники (производство
трития, использование в атомных реакторах и др.), электротехники, металлургии.
Используются не только его соединения, но и металлическая форма (в сплавах) и
его изотопы --- 6Li и 7Li. Технофильность лития быстро растет.
Рубидий --- Rb (37; 85,47). Несмотря на сравнительно высокий кларк --- 1,5.10-
2%, Rb не образует собственных минералов и на основе близости ионных
радиусов входит в виде изоморфной примеси в полевые шпаты, слюды и другие
минералы калия. Это типичный рассеянный элемент. Однако в биогенной
миграции Rb не является аналогом К и биогеохимические процессы не
благоприятствуют его накоплению. Так, почвы США содержат в среднем 6-8.10-
3% Rb (Г. Шаклетт), что составляет 0,4 --- 0,5 КК. В живом веществе он еще более
рассеян (Аx = 0,0n --- 0,n), и лишь бобы сои, некоторые кормовые травы,
отдельные сорта винограда концентрируют Rb (А. Кабата-Пендиас и Г. Пендиас,
Н.Ф. Мырлян). В водах биосферы, напротив, Rb аналогичен К, но в связи с
большими размерами иона еще легче поглощается глинами. Поэтому, хотя соли
Rb растворимы лучше солей К, интенсивность его водной миграции ниже.
В ноосфере Rb пока используется слабо, технофильность его очень низкая, для
него характерна та же тенденция, что и в земной коре, и в биосфере --- рассеяние.
ТЭЦ, работающие на минеральном топливе, служат источником загрязнения Rb.
Бериллий --- Ве (4; 9,0121). Это наиболее легкий металл второй группы
Периодической системы. По химическим свойствам, как и его соседи по второму
периоду --- Li и В, Ве существенно отличается от Мg, Са и других элементов
второй группы, имея ряд общих черт по диагонали с элементом третьей группы ---
Аl. Малый ионный радиус не позволяет Ве изоморфно замещать другие катионы
второй группы, он также обладает значительно более слабыми щелочными
свойствами, чем Мg и Са, занимая по щелочности промежуточное положение
между Мg и Аl. Отмечаются также общие черты геохимии Ве и Zn, что
объясняется строением их атомов. А.Е. Ферсман подчеркивал большую
геохимическую близость Ве и Сd. В сильнокислых водах Ве катионогенен и
представлен кислородными соединениями, в сильнощелочных ведет себя как
анионогенный элемент, образуя растворимые комплексы с F-, СO2-3 (например,
Ве (СO3)22-). Бериллий --- типичный редкий и рассеянный элемент с кларком
3,8.10-4%. Большинство его минералов образуется в условиях высоких
температур, он накапливается в кислых магматических породах.
В биосфере Ве преимущественно рассеивается. Только в корах выветривания
бериллиевых месторождений обнаружены редкие фосфаты Ве. В сильнокислых
рудничных водах сульфидных месторождений интенсивность миграции Ве
повышается. Воды некоторых ртутных, медноколчеданных и других
гидротермальных месторождений несколько обогащены Ве. Особенно энергично
он мигрирует при наличии в рудах пирита и флюорита (окисление пирита
поставляет в воды серную кислоту, которая, взаимодействуя с флюоритом, дает
фтористоводородную кислоту --- энергичный агент разложения бериллиевых
минералов). Осаждение Ве из кислых растворов зоны окисления возможно в
результате его сорбции гидроксидами железа. Из сильнокислых растворов при
повышении рН до слабокислых и нейтральных значений Ве осаждается
фосфатным ионом. На этом щелочном фосфатном барьере D1, вероятно, он
накапливался в древних корах выветривания. Повышено его содержание и в
фосфоритах, ископаемых костях. Осаждение Ве из вод связано с его сорбцией
глинами, гидроксидами железа и другими тонкодисперсными минералами.
Осадителем может быть и органическое вещество.
Биофильность Ве низкая, для многих видов он ядовит. У животных при
повышенном потреблении Ве поражается костная система. Реагируют на его
концентрацию и растения, однако для них он, вероятно, менее токсичен, так как
на бериллиевых месторождениях отдельные виды содержат в золе до 1% этого
металла.
Характерна слабая систематическая дифференциация Ве по видам, родам и
семействам растений. Более контрастно его распределение по их органам ---
накопление преимущественно в корнях.
Как и в других системах земной коры, в биосфере Ве более похож на Аl, чем на
Мg и Са. Наиболее энергично он мигрирует в ландшафтах влажных тропиков и
субтропиков, накапливаясь в болотных почвах, о чем свидетельствуют его
аккумуляции в некоторых углях --- до 0,1 --- 1,0% и бокситах (особенно если в
области сноса распространены гранитоиды и другие породы, обогащенные этим
металлом). Распределение Ве в почвах фоновых ландшафтов малоконтрастно. Так,
в почвах России, Казахстана и Средней Азии его содержание обычно колеблется
от 1,12 до 1,3.10-3%, в почвах Сибири от 0,2 до 0,7.10-3%; среднее содержание Ве
в почвах Англии 0,27.10-3% (Ковалевский, Ковалевская; Ure, Ваr о n). Наблюдается
слабая тенденция к аккумуляции Ве в гумусовых горизонтах.
Подобно алюминию в аридных ландшафтах бериллий менее подвижен, чем в
гумидных, он не участвует в испарительной концентрации и галогенезе.
В ноосфере Ве еще более рассеивается, чем в земной коре. Его соединения
ядовиты (бериллиевая пневмония, бериллозы), что требует особых мер по технике
безопасности при производстве этого металла. Загрязнение ландшафтов Ве ---
актуальная экологическая проблема, важная для городских, горнопромышленных
и агроландшафтов. В районах бериллиевых месторождений встречаются почвы с
повышенным содержанием этого элемента и травоядные животные болеют там
бериллиевым рахитом.
Аквамарин, изумруд и другие минералы Ве известны с глубокой древности как
драгоценные камни. Они добывались во многих странах, в том числе в Средней
Азии и на Урале. Однако металлический бериллий был получен лишь в 1828 г . и
только в 1930 г. началось его промышленное использование. Ныне Ве --- металл
атомной техники и электроники, сплавы с его добавлением применяются в
самолетостроении, электротехнике.
Цезий --- Сs (55; 132,905). Этот элемент обладает наиболее выраженными
щелочными свойствами. И в химическом, и в геохимическом отношении он
больше всего похож на Rb, его соли также легкорастворимы, что, как и у Rb не
влияет существенно на миграцию в биосфере. Катион Сs обладает наибольшим
радиусом среди других простых катионов. А.Е. Ферсман подчеркивал
исключительную склонность С s к рассеянию, отмечал его нечетность ---
особенность, характерную именно для рассеянных элементов (
нечетность
порядкового номера, атомной массы, валентности, группы Периодической
системы).
Кларк Сs 3,7.10-4%. Как и Rb, это элемент земной коры и кислых пород.
Известны лишь два его минерала, оба крайне редкие. Крупные ионы С s +
изоморфно замещают К и Rb в полевых шпатах и слюдах. Среди щелочных
металлов С s отличается наименьшей интенсивностью водной миграции, он
особенно легко переходит из природных вод в твердую фазу. Живое вещество не
играет роли в его концентрации, не типичны и нерастворимые минералы. Поэтому
единственным механизмом извлечения Сs из вод биосферы является сорбция
глинистыми минералами. В ноосфере Сs пока используется слабо. При ядерных
взрывах, авариях АЭС в ландшафты поступает очень опасный для здоровья
радиоактивный 137Сs, которого не знала биосфера, что используется для
абсолютного датирования современных донных отложений (J.E.M. Beurskens, Н.
Winkels и др.).
Таллий --- Тl (81; 204,38). Это редкий и рассеянный элемент, наиболее
тяжелый металл третьей подгруппы Периодической системы, химический аналог
Аl, Gа , In. Однако высшая валентность Тl (+3) не характерна для земной коры, во
многих системах он ведет себя как щелочной металл --- аналог Rb (их ионные
радиусы одинаковы) и К. Но в отличие от щелочных металлов сульфид таллия
(Тl2S) труднорастворим, что указывает не только на литофильность, но и на
халькофильность элемента.
Кларк Тl 1.10-4%, в изверженных породах почти все его атомы сосредоточены в
полевых шпатах и слюдах, в которых таллий (Тl+) изоморфно замещает Rb и К.
Все семь его минералов очень редкие.
Условия для существования трехвалентного Тl возникают только в
резкоокислительной щелочной среде, например в пустынях, где в зоне окисления
сульфидных руд обнаружен авиценнит (Тl2 О3).
Как и другие элементы конца Периодической системы (Рb, Нg, U), Тl ядовит
для большинства организмов и , вероятно, характеризуется низкой
биофильностью. Он используется для приготовления гербицидов, крысиного яда,
его препараты применяются для уничтожения волос (депилирующие средства).
Таллий не концентрируется биогенным путем, хотя возможность
существования организмов, адаптированных к нему, не исключается. Из
природных вод Тl сорбируется углями, глинами, гидроксидами марганца,
концентрируется при испарении. Золы некоторых углей Таджикистана, Киргизии,
Сахалина, Донбасса, Урала содержат до 0,01 --- 0,1% Тl. В углях наиболее
обогащены им сульфиды железа. Таллий мог накопиться в эпоху углеобразования
в результате сорбции его органическим веществом и осаждения на
сероводородном барьере, но мог осаждаться и из подземных вод. Аккумуляцию Тl
в углях связывают с его повышенным содержанием в породах питающей
провинции.
Талассофильность Тl низкая, он не концентрируется в морской воде и в
результате сорбции переходит в глинистые илы, марганцевые конкреции. При
испарении морских вод в лагунах Тl осаждается вместе с К и Rb, калийные соли
нередко обогащены этим металлом.
В ноосфере Тl используется в сельском хозяйстве (
ядохимикаты), в
фотоэлементах, сплавах, в нефтехимии, при изготовлении оптических стекол.
Пока технофильность его низкая, близка к Rb. Основным источником Тl являются
свинцово-цинковые гидротермальные руды. Человеческая деятельность усиливает
тенденции, характерные для миграции Тl в земной коре --- в ноосфере этот
рассеянный элемент еще больше рассеивается.
29.6. Слабоподвижные анионогенные элементы ---
Si, Р, Gе, Sn, Sb, As
При значительном разнообразии миграции геохимию этих элементов сближает
анионогенность.
Кремний --- Si (14; 28,085). После кислорода это второй по распространенности
злемент земной коры, его кларк 29,5%. Химическая связь Si с кислородом
исключительно прочна и почти не нарушается. Поэтому геохимия кремния --- это
во многом геохимия кремнезема (SiO2). Свободный кремнезем в форме кварца и
его разновидностей составляет около 12% земной коры, 75% слагают полевые
шпаты, слюды, амфиболы и другие силикаты и алюмосиликаты, для которых
также характерна связь Si --- О. Общее число минералов Si 432 (третье место
после кислорода и водорода), в них он входит в состав кислородных тетраэдров,
образуя группу SiO4-4. В тетраэдрах Si может замещаться алюминием, с чем
связано существование большой группы алюмосиликатов. Геохимическая
близость Si и Аl впервые обоснована В. И. Вернадским в l891 г . (ранее Аl
рассматривался вместе с другими катионами). Эти идеи произвели переворот в
минералогии, а известный французский химик и металловед А. Ле Шателье тогда
же назвал концепцию Вернадского гениальной.
Кремний в биосфере. Участие Si в биологическом круговороте и водной
миграции значительно уступает таким менее распространенным, но более
активным мигрантам, как Са, Nа , S. В живом веществе в среднем 0,2% Si,
организмы в основном обеспечены этим элементом, хотя его дефицит и избыток
не исключается. Известны организмы с кремнеземным скелетом --- диатомовые
водоросли, радиолярии, кремневые губки и др. Это все низшие формы, и в ходе
эволюции кремневый скелет сменился известковым и фосфатно- кальциевым.
Дифференциация Si в биосфере значительна. Так, в холoдных морях, озерах
полярных стран накапливаются биогенные диатомовые и прочие кремнеземные
илы, в то время как в тропических морях преобладают илы известковые, в
которых содержание кремнезема низкое (в карбонатных породах --- 2,45%). К
биогенным кремнистым породам относятся также радиоляриты, спонголиты,
трепелы, опоки (все морского происхождения). Сильно обеднены Si соленосные
породы, гипсы, доломиты, угли и другие осадочные породы. Обогащены им пески
и песчаники. Мощные биогенные отложения диатомитов и других кремниевых
пород указывают на важную роль в геологической истории биогенной миграции
Si.Кремний относится к слабым водным мигрантам, его минералы
труднорастворимы. Все же воды, как правило, не насыщены кремнеземом, и он
мигрирует в истинно растворенных или коллоидных формах, выпадая из раствора
(частично биогенным путем) в форме геля кремнезема --- опала. Последний со
временем теряет воду и переходит сначала в халцедон, а затем в кварц.
Соединяясь с гидроксидами железа и алюминия, кремнезем образует глинистые
минералы --- каолинит, монтмориллонит, нонтронит, палыгорскит и др. С
осаждением кремнезема из подземных вод связано окремнение известняков,
песчаников, растительных остатков и т.д.
Кремний энергичнее мигрирует в ландшафтах влажных тропиков, тундры,
тайги, слабее --- в степях и пустынях. Образование в ландшафтах вторичных
алюмосиликатов и кремнезема М.А. Глазовская относит к особой группе
ландшафтно- геохимических процессов --- алюмосиликатогенезу, хемогенному и
биогенному опалогенезу.
Подвижность аморфного кремнезема возрастает с увеличением температуры, на
что указывает обогащенность гидротерм растворенным кремнеземом.
Растворимость SiO2 зависит и от рН, достигая максимума в сильнокислой и
сильнощелочной среде. Поэтому кислые воды влажных тропиков часто имеют
гидросиликатный состав, в ландшафтах образуются латерально- гидрогенные
кремниевые кирасы (силькриты), широко развитые во многих областях влажного
тропического климата. В аридных районах Si мигрирует в содовых ландшафтах ---
содовых солончаках, солонцах, содовых озерах, что проявляется в окремнении
гидроморфных почв, остатков древесины, костей животных и др. (В.А. Ковда, С.
Стефенс и др.).
В ноосфере кремний --- основной элемент строительства. Он входит в состав
природных строительных материалов --- песка, гравия, глины, а также бетона,
силикатного кирпича, цемента. Менее значительно его использование в
металлургии, керамической, оптической и других отраслях промышленности.
Тонкая кварцевая пыль опасна для легких, с ней связано тяжелое заболевание
шахтеров --- силикоз. В последнее время особое внимание экологов обращено на
асбест и другие волокнистые силикаты, содержание которых в жилых и рабочих
помещениях опасно для здоровья. Вредна также запыленность воздуха в городах и
во многих аридных ландшафтах (особенно пыльные бури). Таким образом, в
техногенных ландшафтах Si часто избыточен, не исключается и его дефицит для
человека.
Фосфор --- Р (15; 30,9737). В химии и звестны соединения фосфора разной
валентности (+3, +5), но в земной коре преобладают соединения пятивалентного
фосфора, главным образом труднорастворимые соли ортофосфорной кислоты
(H3РО4) . Это ограничивает водную миграцию Р, которая даже в абсолютном
выражении менее интенсивна, чем у Сl и S, хотя кларк Р больше --- 9,3.10-2%.
Фосфор принимает важное участие в магматических процессах, мигрирует и в
биосфере. С обоими процессами связаны крупные накопления, образующие
промышленные месторождения апатитов и фосфоритов (Хибины в России,
Каратау в Казахстане и др.). Известно около 200 его минералов --- различных
фосфатов. Наиболее распространены среди них фосфаты Са и Мg, фосфаты
полуторных окислов, комплексные полифосфаты.
Фосфор в биосфере. В гумидных ландшафтах кислого класса фосфор мигрирует
и накапливается в озерах, болотах, пойменных почвах. В восстановительной
обстановке болот на барьере D6 образуется фосфат Fе --- вивианит. Полифосфаты
доступны для растений, многие металлы образуют с ними разнообразные
комплексные соединения. Но доступны для растений только 10---20% Р, что
определяет его дефицитность в гумидных ландшафтах. В степных ландшафтах его
запасы обычно выше, но подвижность в щелочной среде ниже и дефицит для
растений сохраняется.
Фосфор --- исключительно важный биоэлемент с высокой биофильностью. Он
дефицитен для культурных растений и домашних животных. Фосфор входит в
состав клеток, скелет позвоночных в основном состоит из фосфата кальция.
Велика роль Р в развитии нервной системы. Лишь небольшая часть подвижного Р
поступает в природные воды, т . к . он легко их покидает, входя в состав
нерастворимых минералов или захватываясь организмами. Этим Р напоминает К.
С речным стоком в океан поступает основная часть Р. Среднее его содержание в
речных водах составляет 108 мкг/л . За год с суши в океан поступает примерно 30
млн. т , из которых 83% приходится на Р в составе осадков и лишь 17%
представлено растворимыми формами (В.С. Савенко и др.).
В биосфере важна биогенная миграция фосфора на далекие расстояния, которая
осуществляется птицами, рыбами и другими животными. Так, птицы откладывают
на океанических островах большие массы богатого фосфором гуано (например,
крупные месторождения на островах Тихого океана).
Хотя и редко, но все же встречаются ландшафты, хорошо обеспеченные Р,
например на участке развития фосфоритов. Эти места отмечены пышной флорой.
В геохимической истории подобные ландшафты, вероятно, играли важную роль в
эволюции, были центрами видообразования, хорошего развития нервной системы.
Фосфор в ноосфере. Фосфор дефицитен в большинстве ландшафтов --- от
тундры до влажных тропиков, с чем связаны низкая урожайность и
продуктивность животноводства. Поэтому в ноосфере широко применяются
фосфорные удобрения. Важная роль Р в развитии нервной системы определяет ряд
проблем медико- геохимического характера.
Широкое применение фосфорных удобрений и высокое содержание в
канализационных водах привело к нарушению глобального биогеохимического
цикла фосфора, что вызвало важные геохимические и экологические последствия:
--- перемещение Р в виде руды и удобрений в развитые страны;
--- обогащение Р почв в сельскохозяйственных и промышленных районах;
--- поступление Р в водоемы из зафосфаченных почв. Особенно велики его
потери при эрозии почв, что приводит к эвтрофикации водоемов, т . е .
избыточному накоплению в их воде Р, N и др. питательных биогенных элементов,
ведущего к бурному развитию сине- зеленых водорослей, ухудшению качества
воды, уменьшению содержания в ней кислорода, гибели рыбы и т .д. (по данным
ЮНЕП, эвтрофированы 54% озер Германии и до 70% озер США);
--- за индустриальный период сток общего Р с региональными водами возрос в
4,5 раза, при этом 75% прироста составляет Р канализационных вод (К.К.
Эдельштейн);
--- загрязнение почв и водоемов элементами- примесями фосфорных
удобрений --- F, А s, С d, редкоземельными элементами, Sr; при этом редкие земли,
Аs, Сd поступают в количествах в сотни и тысячи раз больших, чем используются
растениями, что ведет к нарушению биогеохимических циклов, загрязнению почв
и сельскохозяйственной продукции.
Олово --- Sn (50; 118,710). Кларк олова 2,5.10-4%, это элемент гранитного слоя
и силикатных осадочных пород, ультраосновные породы и известняки обеднены
оловом (0,3 --- 0,5.10-4%). Почти все 24 минерала Sn образовались при высоких
температурах и давлениях. Главное промышленное значение имеет касситерит
(SnO2), меньшее --- станнин (Сu2FeSn4).
Геохимия Sn в биосфере изучена плохо. Установлена его слабая концентрация в
глинах (0,6 --- 1,0.10-3%). Миграция Sn в почвах зависит от рН, оно образует
комплексные анионы с кислородом и гидроксилом. По своему поведению в
ландшафтах Sn сходно с Fе и Аl, но активнее участвует в биогенной аккумуляции.
Среднее содержание Sn в почвах 0,1 --- 1,1.10-3%. Фоновые содержания в золе
растений слабо дифференцированы и в различных регионах колеблятся от 1 до
2.10-3% (Г. Шаклетт, П.В . Ивашов и др.), что определяет коэффициент
биологического поглощения более 1.
По П.В. Ивашову, в гумидных ландшафтах концентраторами Sn являются сосна,
ива, брусника, папоротники, рябина, спирея, малина и особенно осоки и зеленые
мхи (0,03 --- 0,1% в золе). Концентрация возрастает в ряду: кустарники --- деревья
--- травы --- мхи, а по органам деревьев: листья (хвоя) --- ветви --- древесина ---
кора.
В аридных ландшафтах Sn накапливают саксаул, биюргун, боялыч и другие
маревые, рдесты, осоки, а также лугово-болотные растения, в золе которых, по
С.И. Сотниковой, до 0,03 --- 0,08% олова, т.е. Ах = 10n --- 100n.
Накопление Sn в растениях супераквальных и аккумулятивных ландшафтов
свидетельствует о повышенном содержании в подчиненных позициях его
подвижных форм, доступных для водных растений.
В ноосфере основное промышленное значение имеют россыпи касситерита,
менее важны сульфидно- касситеритовые гидротермальные месторождения, еще
менее --- кварцево- касситеритовые руды. Все это магматогенные образования или
их производные (россыпи). Характерны оловорудные пояса, простирающиеся на
сотни и тысячи километров, примером которых служит Тихоокеанский пояс,
включающий Дальний Восток России, Малайзию, Боливию и другие страны.
Олово --- один из древнейших металлов цивилизации, оно добывалось еще за 4
тыс. лет до н . э . По сплаву меди и олова --- бронзе получила наименование целая
историческая эпоха --- "бронзовый век". Технофильность Sn высокая, больше, чем
у Zn, Ni, Fе, S, и лишь немного меньше, чем у Сu и Рb.
Загрязнение ландшафтов Sn связано главным образом с цветной металлургией,
гальваническим производством, лакокрасочной промышленностью, в выбросах и
отходах которых КК Sn достигает десятков и сотен. К другим существенным
техногенным источникам Sn относятся продукты сжигания бытового мусора,
стоки машиностроительной и химической промышленности, канализации (сотни
КК), ведущие к загрязнению донных осадков в городах и промышленных центрах.
Германий --- Gе (32; 72,61). Этот элемент был предсказан Менделеевым
("экасилиций") и через несколько лет, в 1886 г ., открыт немецким химиком К .
Винклером. Еще в начале ХХ в . Gе считался чрезвычайно редким элементом и
норвежский геохимик и минералог И. Фохт в 1898 г . оценивал его
распространенность в земной коре n.10-10%. В то время Gе не представлял
практического интереса и не привлекал внимание геохимиков. Позднее выявилась
возможность его использования в технике и был установлен кларк 1,4.10-4%
(примерно такой же, как у Мо и W). Как и прогнозировал Менделеев, Gе во
многом аналогичен Si. Это особенно характерно для магматических процессов,
где он также четырехвалентен. В биосфере возможен переход четырехвалентного
Gе в двухвалентное состояние, в котором он аналогичен Zn и Fе2+, накапливается
в некоторых сульфидах, железных рудах, в торфяниках и образовавшихся из них
углях. Первым Gе в углях изучил В.М. Гольдшмидт, а в нашей стране в 30-х годах
ценные исследования выполнил видный геохимик, ученик В.И . Вернадского В. А.
Зильберминц.
Определения Gе в почвах и растениях немногочисленны. В почвах США, по Г .
Шаклетту и др., в среднем 1,1.10-4% Gе; коэффициенты его биологического
поглощения, по- видимому, немного больше 1.
В ноосфере получают Gе из углей и сульфидных руд. Хотя он применяется в
новой технике (полупроводники), технофильность Gе довольно низкая, примерно
такаяже,какуV,Nb,Ве,Аl,т.е.в1000разниже,чемуСu,Рb,Мо,Нg,Вiи
других наиболее технофильных металлов. Техногенная геохимия Gе практически
не изучена.
Мышьяк --- Аs (33; 74,9216). Геохимия Аs во многом определяется летучестью
его соединений при высокой температуре, поливалентностью. Наиболее
распространены минералы трехвалентного (
сульфиды) и пятивалентного
(арсенаты) А s, но известны также самородный мышьяк и минералы
двухвалентного мышьяка. Общее число минералов 177, из них 90 образовались
при высоких температурах и давлениях. Основное промышленное значение имеет
арсенопирит (FеАsS). Кларк Аs 1,7.10-4%.
Мышьяк в биосфере. Биофильность Аs высокая --- близка к Са и К и больше,
чем у большинства металлов, но существенно меньше, чем у Сl, Вr, S, Р, т . е .
биофильных анионогенных элементов.
В кислородных водах наиболее распространенной подвижной формой являются
соединения пятивалентного мышьяка (H2АsO3-), в бескислородных --- арсениты,
где он трехвалентен и более токсичен. Мышьяк концентрируется на сорбционных
геохимических барьерах, с которыми связаны его повышенные содержания в
глинах, гидроксидах железа и органических веществах. С фульвокислотами он
образует устойчивые комплексы, подвижные в кислой среде. Арсенаты Са и Мg
малорастворимы, возможно их осаждение из кислых и слабокислых вод на
карбонатном барьере.
По И.О. Бурцевой и др., фоновое содержание Аs в почвах 7.10-4%, т.е. в 3 --- 5
раз выше кларка. Как показали исследования Г .В. Мотузовой на Кавказе, Аs
хорошо адсорбируется гидроксидами F
е , илом, накапливается в тяжелых
минералах (до нескольких сот КК). В профиле бурых лесных оподзоленных почв
его перераспределение типично элювиально- иллювиальное, он не накапливается в
гумусовых горизонтах. На рудных полях сульфидных месторождений, в районах
молодого вулканизма почвы местами содержат до 0,5 --- 1% Аs.
В сухой массе наземных незагрязненных растений содержание Аs в среднем 1
--- 2.10-4% (Кабата-Пендиас, Пендиас), т . е . 10 --- 15.10-4% в золе. Это дает
средний КК в диапазоне 5 --- 10. Однако КК в растениях Приморья не превышает
0,2 --- 0,3 (А.И. Иванова). Более активно поглощают Аs водные растения, мхи и
лишайники. Он также накапливается в донных отложениях, что подтверждает
активную миграцию в гумидных ландшафтах.
В аридных ландшафтах Аs слабоподвижен, но в содовых водах его подвижность
как анионогенного элемента возрастает, он мигрирует в солонцовых ландшафтах,
в которых накапливается растениями (В.П. Иванчиков).
Мышьяк в ноосфере. Мышьяк --- один из приоритетных токсикантов,
технофильность его высокая, как у Р и Са. Источниками поступления Аs в
ландшафты служат металлургические заводы, горнообогатительные фабрики,
химические заводы по переработке серы и фосфора, сжигание угля и нефти,
пестициды, моющие средства. Вокруг сульфидных месторождений и
обогатительных фабрик содержание Аs в водах, почвах и донных отложениях
возрастает в десятки и сотни раз, но ареалы загрязнения, как правило, не велики,
т . к . Аs связывается глинами, гидроксидами Fе и Аl, органическим веществом.
Мышьяк загрязняет воздух промышленных городов, концентрируясь в наиболее
подвижной субмикронной паро- газовой фракции аэрозолей (А.З. Миклишанский).
Региональное загрязнение Аs связано с применением пестицидов и фосфорных
удобрений. Применение гербицида арсенита натрия приводит к загрязнению
водоемов, особенно донных отложений --- до 50.10-3% (Мур, Рамамурти).
Типично загрязнение почв и илов рисовых систем, где обычно используются
мышьяксодержащие препараты. Поэтому зерно риса нередко содержит
повышенные концентрации Аs --- до 100 --- 200.10-4% в сухой массе. Мышьяк
концентрируют также кукуруза, шпинат, салат- латук, некоторые грибы (А.
Кабата-Пендиас и Г. Пендиас).
Повышенные дозы Аs вредны для здоровья, вызывая токсикозы, нервные
растройства, болезни почек и дыхательных путей. Биоиндикатором загрязнения
является содержание Аs в волосах, определение которого используется при
оценках экологического состояния окружающей среды.
Сурьма --- Sb (51; 121,75). Кларк Sb --- 5.10-5%. В магме и биосфере она
рассеяна, концентрируясь в гидротермальных месторождениях и техногенезе.
Сурьмяные и сурьмяно-ртутные месторождения образуют рудные пояса,
простирающиеся на сотни километров (например в Средней Азии).
В геохимическом отношении Sb во многом сходна с Аs. В природе обычно ее
валентность +3, реже +5. Геохимия Sb в ландшафтах изучена слабо, известна ее
концентрация в углях, глинах и связь с гидроксидами Fe.
Сведения о распространенности Sb в фоновых почвах немногочисленны. По К.
Ведеполю и А. Кабата-Пендиас, среднее содержание Sb в почвах мира 0,9 ---
1,0.10-4%, т . е . в 2 раза больше кларка литосферы. По В. А. Петрухину и др., оно
составляет 2.10-4%. В сухом веществе растений, по Г. Боуэну, содержится
0,06.10-4% сурьмы и примерно 1,2.10-4% в золе, что дает средний коэффициент
биологического поглощения 0,6 --- 1,3.
Технофильность Sb высокая (1.109), такая же, как у Сu и Рb. Основные
техногенные источники --- цветная металлургия, горнообогатительные фабрики,
производство цемента, кирпича, сжигание угля.
Сурьма вместе с Сr, В, Сu относится к классу умеренно опасных веществ. В
выбросах она, как и Аs, находится преимущественно в паро- газовой фазе (60 ---
70%) и хорошо мигрирует воздушным путем. В городах по интенсивности
выпадения из атмосферы Sb занимает третье место --- после W и Cd (Ю. Е. Сает).
В почвах на участках рудной минерализации и в техногенных аномалиях
содержание Sb достигает 100 --- 200 КК, а в растениях --- 50.10-4% сухой массы
(Г. Шаклетт). Таким образом, контрастность рудогенной и техногенной миграции
Sb очень велика. Среди культурных растений установлена концентрация Sb в
капусте, корнях ячменя и льна.
Контрольные вопросы
1. Почему в химии галогены объединены в одну группу, а в геохимии разделены?
2. Охарактеризуйте важнейшие особенности геохимии С l в ноосфере.
3. Какова возможная роль Вr в эволюции нервной системы?
4. Какие типы геохимических ландшафтов обогащены S, какие обеднены и
почему? На каких барьерах концентрируется S?
5. Какова роль микроорганизмов в геохимии S?
6. Назовите ландшафты, богатые и бедные Са, в чем проявляется дефицит
этого элемента?
7. Сравните интенсивность водной миграции Са и Nа (по величине Кx) и
объясните причину различий.
8. Сравните геохимию М g и Са, в чем сходство и различия, их причины?
Назовите геохимические барьеры, характерные для Мg.
9. В чем причина меньшей роли в ландшафте Sr по сравнению с его химическим
и геохимическим аналогом --- Са?
10. Как геохимия Rа зависит от величины его кларка?
11. Как изменилась роль Rа в ноосфере?
12. В чем причина различия геохимии К и Nа?
13. Охарактеризуйте геохимию Ва в биосфере.
14. Почему в биосфере Li менее подвижен, чем его химический аналог Nа? В
каких ландшафтах концентрируется Li, на каких барьерах, как он влияет на
организмы?
15. Сравните геохимию Rb и его химического аналога К, в чем сходство и
различие, причины?
16. В чем причины сходства геохимии Ве и Аl, почему его миграция резко
отличается от других щелочно- земельных элементов (М g, Са и др.).
17. На каких геохимических барьерах и в каких ландшафтах концентрируется
Ве?
18. Как геохимия С s зависит от его кларка, от химических свойств?
19. Каково значение идеи В.И. Вернадского о геохимической близости Si и Аl в
силикатных горных породах?
20. В каких ландшафтах Si энергично мигрирует, в каких --- слабо?
21. Каковы причины огромной роли Si в ноосфере?
22. Охарактеризуйте главные черты геохимии Р в биосфере и ноосфере.
23. Назовите основные черты геохимии Аs и Sb, в чем сходства и различия?
Роль этих элементов в ноосфере?
Глава 30
ХАЛЬКОФИЛЬНЫЕ И СИДЕРОФИЛЬНЫЕ
ВОДНЫЕ МИГРАНТЫ
30.1. Катионогенные элементы подвижные и слабоподвижные в
окислительной и глеевой обстановках, инертные в восстановительной
сероводородной среде --- Zn, Cu, Ni, Pb, Cd, Jn, Hg, Ag, Bi
Эти элементы имеют общие особенности строения атомов, концентрируются
вместе с серой в гидротермальных месторождениях. В .М. Гольдшмидт назвал
такие элементы (кроме Ni) халькофильными --- с выраженным сродством к сере.
Для халькофилов характерны неионные связи, поэтому ионная концепция и
понятие о радиусах ионов для анализа их миграции значительно менее
применимы, чем при изучении геохимии литофилов. Все халькофильные металлы
обладают большой способностью к концентрации в глубоких частях земной коры
--- поясе гидротермальных процессов. В биосфере они в основном рассеяны,
многие сильно ядовиты (особенно Hg, Pb, Cd). Это обусловило острые проблемы
загрязнения ноосферы халькофилами.
Цинк --- Zn (30; 65,39). Кларк Zn 8,3.10-3%. Известно 66 его минералов,
важнейшие из них --- сфалерит (ZnS) и смитсонит (ZnCO3). Основные
изверженные породы слабо обогащены Zn (8 --- 12.10-3%), кислые --- обеднены (4
--- 6.10-3%).
Цинк в биосфере. Биофильность Zn наивысшая среди халькофильных металлов,
она лишь немного ниже, чем у K и Ca, превосходит Mg и Na. Валентность Zn
постоянная, и поэтому главное влияние на его миграцию оказывают изменение
щелочно- кислотных условий и сорбционные процессы. Существенно также
значение гидролиза и комплексообразования.
В почвах со слабощелочной реакцией Zn малодоступен растениям. Поэтому,
например, дерново- карбонатные почвы на известняках нуждаются в цинковых
микроудобрениях. Бедны Zn и песчаные почвы. В Калифорнии в таких районах
известна "розеточная болезнь" у плодовых деревьев, полностью излечиваемая
применением цинковых удобрений. Дефицитом Zn там обусловлены также
болезни грецкого ореха, тунга, кукурузы. Болеют организмы и от избытка Zn.
В поверхностных водах среди микроэлементов Zn занимает второе место после
Mn. По С.Л. Шварцеву, воды зоны гипергенеза содержат в среднем 34 мкг/л Zn,
по Муру и Рамамурти в незагрязненных пресных водах растворено от 0,5 до 15
мкг/л Zn. Формы миграции Zn разнообразны. В кислых и слабокислых водах
гумидных ландшафтов он мигрирует в виде катиона Zn2+, в виде гидроксокатиона
ZnOH+ , в органо- минеральных комплексах с гуминовыми и фульвокислотами. В
почвах здесь выше доля его растворенных форм (до 40 --- 60%). В некоторых
ландшафтах отмечены анионные формы миграции. В щелочных водах аридных
ландшафтов Zn менее подвижен из- за плохой растворимости карбонатных
соединений. В аридных и горных областях резко возрастает (до 80 --- 90%) доля
взвешенных форм миграции Zn, среди которых существенны поверхностно-
сорбированные формы на глинистых частицах, гидроксидах Fe, Mn, органических
коллоидах.
Высокая биофильность и подвижность в природных водах определили важное
физиологическое значение Zn для человека, животных и растений. Цинк участвует
в углеводном и белковом обмене, окислительных процессах, связан с
деятельностью ферментов и гормонов, является составной частью многих
энзимов, участвует в синтезе РНК и ДНК. Относительно много его в печени,
половых органах, мышцах, костях, в яде змей.
Среднее содержание Zn в поверхностном горизонте почв различных стран 6 ---
7.10-3% (А. Кабата-Пендиас, Г. Пендиас, В.А. Петрухин и др.), т . е . немного
меньше кларка. Адсорбция Zn минеральными и органическими коллоидами,
биогенная аккумуляция определили биоаккумулятивное и элювиально-
иллювиальное распределение его в лесных почвах. Биогенная аккумуляция
валового (R = 1,5 --- 3) и подвижного (R = 2 --- 5) Zn в гумусовых горизонтах
лесостепных и степных почв установлена Н.С. Касимовым и О .А. Самоновой. В
целом в нейтральных и слабощелочных почвах он малоподвижен. В соляных
озерах и солончаках возможна его слабая испарительная концентрация. В
сероводородной среде Zn осаждается на сульфидном барьере В . Наибольшее
влияние на миграцию Zn в почвах оказывает содержание оксидов железа и
алюминия, глинистых минералов (сорбционный барьер --- G), биогеохимический
барьер и величина рН (щелочной барьер --- D).
Фоновое содержание Zn в золе растений континентов, по В.В. Добровольскому,
равно 100.10-3%, а по А. Кабате-Пендиас колеблется в интервале 50 --- 320.10-3%
(в пересчете на 5%-зольность), что дает средний кларк концентрации (Ах) 10 ---
30. Это позволяет отнести Zn к элементам среднего и интенсивного накопления. В
деревьях (особенно листьях) Zn больше, чем в травах. Концентрируют цинк
береза, осина, салат- латук, сахарная кукуруза, мхи, лишайники, некоторые водные
растения. На цинковых месторождениях растет особая "галмейная" флора. Между
содержаниями Zn в растениях и обогащенных им почвах для большинства видов
существует прямая зависимость (
безбарьерное поглощение, по А.Л.
Ковалевскому). Интенсивность поглощения Zn растениями выше на кислых
почвах, где он находится главным образом в катионной форме (Zn2+).
Цинк в ноосфере. В силу своей подвижности Zn является одним из наиболее
распространенных загрязнителей окружающей среды. Поступление Zn от
техногенных источников в семь- восемь раз больше, чем от природных --- эрозии и
дефляции почв, с растительной продукцией, ионным стоком. Почти половина
цинка поступает при добыче и переработке цветных и черных металлов, сжигании
древесины и отходов. Технофильность цинка высокая (4.108), но все же немного
ниже, чем у других цветных металлов.
Техногенные аномалии цинка в почвах, растениях и донных отложениях
контрастны и занимают значительную площадь. По контрастности аномалий в
твердофазных выпадениях (Кс = 100 --- 200) он занимает пятое место после W,
Cd, Sb и Hg, опережая такие приоритетные загрязнители, как Pb, Cr и Ni (Ю.Е .
Сает, Р.С. Смирнова). В почвах и донных отложениях аномалии менее
контрастны, что связано с подвижностью Zn в ландшафтах и его миграцией за
пределы аномальных зон (Кс = 5 --- 10, хотя локально встречаются и более
высококонтрастные аномалии).
Медь --- Cu (29; 63,546). В земной коре Cu находится в одновалентном (Cu+),
двухвалентном (Cu2+) и самородном состоянии (Cuо). В биосфере наиболее
распространены соединения двухвалентной меди. Медь образует 198 минералов,
среди которых в земной коре преобладают сульфиды (халькопирит, халькозин,
ковеллин и др.). Поливалентность определяет большое влияние окислительно-
восстановительных условий на миграцию и концентрацию Cu. Важнейшим
осадителем Сu из вод служит сероводород, она накапливается в
восстановительной обстановке (сероводородный --- В , глеевый --- С геохимические
барьеры). Сульфиды Cu труднорастворимы, что имеет огромное геохимическое
значение: осаждение Cu сероводородом широко распространено и привело к
образованию крупных месторождений и мелких концентраций. Наряду с
сульфидами среди ее минералов характерны силикаты, фосфаты, карбонаты
(малахит, азурит) и сульфаты. Медь --- один из наиболее геохимически изученных
элементов, ее кларк 4,7.10-3%, повышено содержание в основных и средних
породах, понижено --- в карбонатных.
Медь в биосфере. Среди металлов Cu --- один из лучших
комплексообразователей. Из неорганических комплексов преобладают CuOH+ и
[Cu(OH)2]о, в присутствии органических веществ образуются прочные
фульватные и гуматные органоминеральные комплексы (П.Н. Линник, Б.И.
Набиванец; Y.O. Nriagu и др.). Важна роль коллоидной миграции. Обладая
хорошими адсорбционными свойствами, Cu легко сорбируется из вод глинистыми
и органическими коллоидами, гидроксидами железа и марганца (сорбционные
барьеры --- G). Особенно высоким сорбционным сродством к Cu обладает
двуокись Mn, с чем связано накопление Cu в марганцевых конкрециях, пленках,
дендритах (до нескольких десятков КК). Адсорбция на коллоидах определяет
преобладающее значение (50 --- 80%) взвешенных форм миграции Cu в реках, хотя
в равнинных реках значительна роль и растворенных форм.
В кислых водах наиболее часты катионные формы двухвалентной меди (Cu2+),
в слабокислой и нейтральной среде часть Cu находится в виде гидроксокомплекса
[CuOH]+ , в щелочных водах образуются карбонатные анионные комплексы
[Cu(CO3)2]2-
.
Биофильность Cu значительная, больше, чем у многих тяжелых металлов (0,04).
В растениях она способствует синтезу белков, фотосинтезу. Среднее содержание
Cu в золе растений континентов 20 --- 25.10-3%, или 10 --- 15 мг/кг на сухое
вещество (В.В . Добровольский, А. Кабата-Пендиас, Н. Bowen, В.А. Петрухин и
др.). Это соответствует 4 --- 5 КК, что определяет возможность ее биогенной
аккумуляции в почвах. Больше Cu в бобовых, сложноцветных и лишайниках,
меньше --- в деревьях, злаках, однако дифференциация по родам и видам не
велика. Так, в золе растений различных семейств Казахстана кларки
концентрации Cu колеблятся от 1 до 2,5 --- 3.
Фоновые содержания Cu в почвах обычно меньше кларка и для валовой формы
c оставляют 20 --- 30 мг/кг (Кабата-Пендиас, Петрухин и др.).
У животных Cu участвует в кроветворении, входит в состав ферментов. Кровь
моллюсков, пауков, раков и некоторых других беспозвоночных голубая, ее
красящий пигмент гемоцианин содержит Cu. Дефицит и избыток Cu установлен и
у растений, и у животных.
Наиболее энергично Cu мигрирует в сернокислых ландшафтах, например, на
участках зон окисления сульфидных руд, где образуется ее легкорастворимый
сульфат --- медный купорос (CuSO4). Поэтому здесь распространены купоросные
ручьи и озера с водой зеленовато- голубого цвета, рН 1,5 --- 3,5, содержанием Cu
до 20 мг/л (например, в районе Гайского месторождения на Южном Урале,
рудопроявления Жорга в Центральном Казахстане и др.). Однако такая миграция
непродолжительна: уже на расстоянии нескольких сот метров сернокислые воды
нейтрализуются и на щелочном барьере D1 --- D2 осаждаются вторичные
минералы Cu. Она также сорбируется глинами, гидроксидами марганца, гумусом
(сорбционный барьер G1 --- G2). В результате образуются аномалии Cu в почвах,
континентальных отложениях, растениях. Медь здесь активно вовлекается в
биологический круговорот, появляются организмы, обогащенные Cu и другими
халькофильными металлами. Однако контрастность биогеохимических аномалий
Cu у большинства видов растений, как правило, невелика, т . к . в пределах
аномальных зон они поглощают Cu по барьерному типу --- высокие содержания в
почвах и породах не сопровождаются адекватным увеличением ее содержания в
растениях (А.Л. Ковалевский). Лишь отдельные виды поглощают Cu по
безбарьерному типу --- полевица белая, кровохлебка, вейник, узлы стеблей и
корни трав, кора березы и лиственницы, мхи и лишайники (М.А . Глазовская, А.Л.
Ковалевский).
В гумидных ландшафтах со слабокислыми водами миграция Cu значительно
слабее из- за невысокой ее подвижности в кислородных водах, активной сорбции
органическим веществом и глинистыми частицами. Медь здесь частично
выщелачивается из почв, в почвах подзолистого ряда установлено элювиально-
иллювиальное ее распределение, особенно характерное для подвижных
воднорастворимых, органо- минеральных, непрочносорбированных форм (для
валовых содержаний R обычно не более 1,5, для подвижных форм --- 1,5 --- 2,5).
Систематическое положение растений слабо влияет на поглощение Cu.
Исследования М.А. Мальгина на Алтае показали, что в древесных и травянистых
растениях содержания Cu близки (соответственно в среднем для листьев 8,4 и 9,1
мг/кг на сухое вещество). Среди деревьев и кустарников слабыми
концентраторами (примерно в 1,5 раза) являются калина обыкновенная, береза
бородавчатая, осина обыкновенная, а среди трав --- виды из семейств лютиковых
(борец высокий, пион уклоняющийся, лютик едкий) и лилейных (чемерица белая,
купена лекарственная).
Особенно бедны Cu торфяники, почвы на флювиогляциальных и аллювиальных
песках. Например, в Белорусском Полесье содержание Cu в почвах не превышает
10 мг/кг, что в 5 раз меньше кларка литосферы. В таких ландшафтах животные и
растения болеют, эффективны медные удобрения и медная подкормка. На
осушенных торфяниках из- за дефицита Cu развивается "белая чума" (хлороз,
подсыхание листьев и другие симптомы), которую ликвидируют медные
удобрения.
В степных и пустынных ландшафтах с нейтральными и щелочными водами и
почвами Cu малоподвижна. Это определяет более высокие ее содержания в
черноземах и каштановых почвах. Так, в черноземах Среднерусской
возвышенности, Казахстана, Западной Сибири и Алтая Cu в 3 --- 4 раза больше,
чем в Полесье. Распределение Cu в степных почвах равномерное, иногда
отмечается слабая биогенная аккумуляция (R 1,3 --- 1,5) и сорбция подвижных
форм в гумусовом горизонте. В солонцах установлена ее концентрация в
иллювиальных (солонцовых) горизонтах (В.В. Добровольский, Н.С. Касимов и
др.).
В ландшафтах кальциевого класса латеральная миграция Cu слабая. В содовых
ландшафтах (лугово-болотных, солонцовых, солончаковых) подвижность Сu
возрастает, она активнее участвует в биологическом круговороте, появляются
растения- концентраторы меди --- полыни, некоторые виды маревых, она начинает
накапливаться в почвах подчиненных ландшафтов. Так, в содово- солончаковых
ландшафтах на юго- западе Центрального Казахстана коэффициент латеральной
дифференциации (L) валовой Cu достигает 5 --- 8, а подвижной --- 8 --- 15 (Н.С.
Касимов). При этом, как показали исследования в заповеднике "Михайловская
целина", баланс форм нахождения меди в подчиненных лугово-болотных почвах
по сравнению с автономными черноземами и каштановыми почвами изменяется в
сторону уменьшения сорбированных (с 55 --- 60% до 20%) и возрастания органо-
минеральных форм Cu (с 35 --- 40% до 75%).
Медь в ноосфере. Медь --- один из древнейших и важнейших металлов
цивилизации, с очень высокой технофильностью (1.109). Источники поступления
Cu в ландшафты --- разработка сульфидных медных месторождений, производство
цветных металлов, электротехническая промышленность, городские сточные
воды, медные биоциды. Она является одним из основных поллютантов.
По сравнению с другими элементами глобальный баланс меди один из наиболее
сильно измененных техногенезом. По расчетам А.Х.Остромогильского и др., в
1990 г . поступление Cu в океан с речным стоком и из атмосферы достигло 300
тыс. т/год, из которых треть антропогенного происхождения. Как Fe, Mn, Zn и Cr,
Cu большей частью связана с крупнодисперсным аэрозолем (А .З. Миклишанский).
Поэтому дальность атмосферного переноса Cu от техногенных источников, как
правило, невелика и составляет первые километры, в пределах которых она
накапливается в верхних горизонтах почв и растениях. Коэффициенты
техногенной концентрации (Кс) по сравнению с фоном для природных сред по
различным источникам ориентировочно приведены в таблице 30.1.
Таким образом, наиболее контрастные техногенные аномалии образуются в
компонентах, обогащенных подвижными формами Cu: атмосферных осадках,
поверхностных водах, растениях. В почвах и донных отложениях Cu
концентрируется как в валовой, так и подвижной формах. В донных отложениях
зоны влияния промышленных городов образуются техногенные потоки рассеяния.
По Ю. Е. Саету и Е.П . Янину, аномалии Cu в них имеют среднюю контрастность
--- Кс 5 --- 20, увеличиваясь до 25 --- 30 в городах с тяжелым машиностроением,
электротехнической и химической промышленностью.
В агроландшафтах медные препараты используются для борьбы с вредными
насекомыми. Они широко применяются для опрыскивания виноградников, что
создает опасность медного загрязнения почв, растений и вод. В Молдове для
борьбы с медным загрязнением Н .Ф. Мырлян предложил создавать на пути
миграции сульфатов Cu искусственные карбонатные геохимические барьеры.
Никель --- Ni (28; 58,69). Кларк Ni 5,8.10-3%, это сидерофильный элемент
земных глубин. Из 53 его собственных минералов большинство образовалось из
магм и гидротерм. Наиболее высокие содержания Ni в ультраосновных породах
(20 --- 30 КК), в кислых породах его мало (0,1 --- 0,3 КК). Среди осадочных пород
больше в глинах и сланцах (1 --- 2 КК) и значительно меньше в песчаниках,
известняках и доломитах (0,1 --- 0,3 КК). В земной коре он образует силикаты,
карбонаты, оксиды, сульфиды и арсениды. При выветривании сорбируется
глинами, оксидами Fe и Mn.
Никель в биосфере. Биофильность Ni довольно низкая, но все же больше, чем у
его главного спутника --- Fe. Среднее содержание Ni в золе наземных растений
близко к его кларку в литосфере или немного ниже (3 --- 5.10-3%). В фоновых
условиях систематическое положение слабо влияет на поглощение Ni растениями.
Таблица 30.1
Фоновые и аномальные параметры распределения меди
В биосфере наиболее распространены соединения, в которых он находится в
форме катиона Ni2+. В сильнощелочной окислительной среде возможна и более
высокая
степень
окисления
+3. Никель
обладает
средними
комплексообразующими свойствами, в основном образуя комплексы с
низкомолекулярными органическими веществами. Из вод Ni2+ адсорбируется
гидроксидами Fe и Mn, глинистыми илами. В поверхностных водах подавляющая
часть Ni переносится во взвешенном состоянии, в озерах и водохранилищах
существенное значение приобретают и растворенные формы. Например, в
Волжских водохранилищах доля растворенных форм достигает 50 --- 70%.
В почвах мира содержание Ni примерно в 1,5 --- 2,5 раза меньше кларка и , по Х.
Шаклетту и Дж. Борнгену, составляет в среднем 2.10-3%. Интервал фоновых
содержаний 1,5 --- 5.10-3% или несколько выше. Сумма подвижных форм обычно
не превышает 20 --- 30% от валового содержания.
В гумидных ландшафтах Ni мигрирует слабее, чем многие другие тяжелые
металлы из- за его связывания глинами, оксидами F
е и Mn, органическим
веществом и сравнительно малой доли подвижных форм. Содержание Ni в
ландшафтах зависит от литологии пород, меньше всего Ni (0,2---0,3 КК) в
таежных ландшафтах на песках (Мещера, Полесье).
Коэффициенты биологического поглощения в растениях обычно меньше 1, что
определяет отсутствие или слабую биогенную аккумуляцию его в верхних
горизонтах почв. Деревья богаче Ni, чем травы (за исключением лишайников). По
И.Г. Побединцевой, среднее содержание Ni в золе трав Тульских засек 5,1.10-3%,
а в золе деревьев --- 11.10-3%. Слабыми концентраторами являются сосна, дуб,
береза, осина.
В профиле почв как валовой, так и подвижный Ni распределены не контрастно,
лишь в иллювиальных горизонтах местами он слабо накапливается (R обычно не
более 1,5). Латеральная миграция более контрастна: Ni выносится из кислых почв
и может накапливаться в донных отложениях местных водоемов (L = 1,5 --- 3).
На ультраосновных породах формируются природно- аномальные "никелевые"
ландшафты. В почвах и породах здесь содержится до 20 --- 30 КК Ni, растения его
интенсивно поглощают, что может закрепляться наследственностью. Так, в
ландшафтах на ультраосновных породах Восточной Кубы особенно сильными
концентраторами Ni являются эндемичные виды растений (
М. Бойо).
Коэффициенты биологического поглощения здесь почти на порядок больше, чем в
ландшафтах с околокларковыми содержаниями металла. Радиальная
дифференциация Ni в ландшафтах ультраосновных массивов носит ярко
выраженный литогенный характер --- с максимумом в почвообразующей породе.
Латеральная миграция в этих ландшафтах малоконтрастна (И .П. Гаврилова, И.Г.
Побединцева).
В степных и пустынных ландшафтах содержание Ni в почвах также
определяется специализацией почвообразующих пород и , как правило, близко к
кларку. В нейтральной и слабощелочной среде он малоподвижен, в растениях не
накапливается (КК = 0,3 --- 0,7). Однако некоторые древесные породы (береза,
сосна), как и в гумидных ландшафтах, обогащены Ni (КК = 1,2 --- 1,5). В
черноземах, каштановых почвах и солонцах Ni (особенно ЭДТА-растворимые
формы) слабо концентрируется в иллювиальных текстурных и карбонатных
горизонтах (R = 1,2 --- 1,8). Латеральная дифференциация Ni в степях и пустынях
слабая. На возможность более активной миграции в сильнощелочной среде
(возможно в форме [Ni(OH)3]-) указывает его аккумуляция (КК = 2 --- 3) в
некоторых видах растений на солонцах (Т.М. Белякова, А.Н. Гусейнов).
Никель в ноосфере. Никель токсичный и канцерогенный элемент у животных.
Он влияет на поглощение железа и кроветворение, связывается в ферментах.
Избыток элемента отрицательно влияет на печень и почки, вызывает
профессиональные раковые заболевания.
Таблица 30.2
Фоновые и аномальные параметры распределения никеля
Источником Ni служат добыча сульфидных и силикатных никелевых руд,
производство сплавов и гальваника, химическая промышленность, производство
аккумуляторов, сжигание мазута и др. В последние десятилетия производство и
потребление Ni опережало рост населения. Техногенная эмиссия на 180%
превышает природную поставку никеля с эрозией, дефляцией, речным стоком, что
делает его одним из опасных загрязнителей.
Воздушная миграция техногенного Ni ограничивается его преимущественной
концентрацией в средне- и крупнодисперсном аэрозоле. Поэтому в рядах
зональности выпадений из атмосферы, по Ю. Е. Саету, техногенные аномалии Ni
характерны для внутренних зон вокруг источника загрязнения в радиусе 2 --- 3 км.
Контрастность техногенных аномалий Ni в воздухе, атмосферных осадках,
поверхностных водах, донных отложениях и почвах, как правило, меньше, чем у
других тяжелых металлов и составляет n --- 10n (табл. 30.2). В техногенных
Рис. 30.1. Аномалия растворимых форм никеля в снеговых водах г.Тольятти. Содержание Ni (мкг/л): 1
--- < 0.5; 2 --- 0.5-1; 3 --- 1-2; 4 --- 2-4; 5 --- 4-6; 6 --- берег Куйбышевского водохранилища; 7 ---
промышленные и жилые зоны; 8 --- азотный завод (по Н.С. Касимову).
ландшафтах максимальные содержания установлены в донных отложениях
городов с многопрофильной, особенно химической, промышленностью,
водотоках, дренирующих свалки промышленных и бытовых отходов, где Кс
достигает нескольких десятков единиц. В отличие от фоновых вод, в которых Ni
мигрирует в основном со взвесью (50 --- 70%), в техногенных ландшафтах доля
взвеси уменьшается до 30 --- 40% (Е.П. Янин, Ю.Е. Сает). Так, в г. Тольятти
(Ставрополь- на-Волге) вокруг азотных заводов установлены контрастные
техногенные ореолы растворенного Ni в снеговых водах (рис. 30.1).
"Никелевые" города --- Мончегорск, Норильск, Орск, а также центры черной
металлургии, тяжелого машиностроения и химической промышленности ---
Донецк, Запорожье, Актюбинск, Мариуполь, Ставрополь- на-Волге (в Канаде ---
Садбери и др.). По А.В. Дончевой, вокруг комбината "Североникель" в радиусе 3
--- 5 км сформировались техногенные модификации северотаежных ландшафтов с
содержаниями Ni, превышающими фоновые значения в десятки и сотни раз (рис.
30.2). Это ведет к угнетению растений, почвенной мезофауны и микроорганизмов.
Воздействие комбината на ландшафты проявляется в радиусе 15 --- 18 км.
Свинец --- Pb (82;207,2). Кларк Pb 1,6.10-3%, он тяготеет к верхней части
земной коры --- гранитному и осадочному слоям. Свинец типичный
халькофильный элемент, известно около 80 его минералов --- сульфидов (галенит
--- PbS), сульфатов (англезит --- PbSO4), карбонатов (церуссит --- PbCO3) и др. В
соединениях Pb находится в двух- и четырехвалентной формах, в биосфере более
распространена первая.
Свинец в биосфере. Как и у других тяжелых металлов, миграция Pb тесно
связана с щелочно- кислотными условиями. В нейтральной и щелочной среде его
соединения [Pb(OH)2]о , [Pb(OH)3]- малоподвижны, в кислой среде он хорошо
мигрирует в катионной форме. Свинец легко образует комплексные соединения с
серо-, фосфор-, кислород- и азотсодержащими лигандами. Среди подвижных
неорганических лигандов преобладает [PbOH]+ , а органических ---
лимоннокислые и в меньшей степени фульватные комплексы (
Линник,
Набиванец). Значительную опасность для водных организмов представляет
метилирование свинца --- превращение минеральных его форм в более подвижные
и токсичные органические в процессе мобилизации из донных отложений.
В природных водах преобладает взвешенная форма Pb, среднее содержание
которой в поверхностных водах, по Л.В. Бурцевой и др., составляет 150 --- 180
Рис. 30.2. Загрязнение никелем в сфере воздействия комбината "Североникель". 1 --- поставка на
поверхность земли. Содержание: 2 --- в почве, 3 --- в снеге (по А.В. Дончевой, с изменениями).
мкг/л , а растворенной лишь 1,5 --- 2,0 мкг/л .
В золе наземных растений в среднем 3 --- 4.10-3% Pb, что равно 2 --- 2,5 КК и
примерно в 2 --- 4 раза выше, чем считалось 20 --- 30 лет назад. Коэффициенты
биологического поглощения в фоновых ландшафтах обычно близки или немного
превышают единицу. На обогащенных Pb породах биогенное накопление выше,
при этом корни и кора деревьев поглощают его по безбарьерному типу, а хвоя,
ветви и ствол --- по барьерному (рис. 30.3).
Кларк Pb в почвах легкого гранулометрического состава составляет примерно
10 мг/кг, в суглинистых и глинистых --- 20 --- 25 мг/кг, что немного выше кларка
литосферы. В почвах он связан с глинистыми минералами, гидроксидами Fe, Mn и
Al, органическим веществом, карбонатами. Среди тяжелых металлов он наименее
подвижен.
В гумидных ландшафтах свинец мигрирует в кислой среде в виде истинно
растворимых катионных форм, со взвесями, коллоидами и органическим
веществом и более доступен растениям. По Д.С . Голоду, в сухой фитомассе
лесных растений Белоруссии содержание Pb в несколько раз выше (7 --- 15 и 2
мг/кг) среднего для растений континентов, по А. Кабате-Пендиас. Концентрируют
Pb лишайники, мхи, плауны, а среди деревьев --- ель, береза, осина, дуб, сосна,
особенно их корни, кора и старые ветви. В лесах биогенная аккумуляция Pb ведет
к его накоплению в опаде, в меньшей степени --- в гумусовом горизонте почв. В
профиле подзолистых почв установлена слабая биогенная, иногда элювиально-
иллювиальная дифференциация металла. Как правило, коэффициенты радиальной
дифференциации его валовых форм в гумусовых и иллювиальных горизонтах не
превышает 1,5 --- 2, а подвижных --- 2 --- 3. По Elspab, в бурых лесных почвах
Германии обменные формы Pb составляют 2 --- 3%, 40 --- 45% --- органо-
минеральные, силикатные и прочно- сорбированные формы --- 50 --- 55%. Это
определяет менее активную, по сравнению с другими тяжелыми металлами,
радиальную и латеральную миграцию Pb в гумидных ландшафтах. Основные
геохимические барьеры для Pb --- щелочной, сорбционный (гидроксиды Fе и Mn),
в меньшей мере --- биогеохимический.
Рис. 30.3. Зависимость между содержанием свинца в почвах и золе сосны
обыкновенной на редкометальном месторождении Сибири: 1 --- корни, 2 --- кора,
3 --- хвоя, 4 --- ветви (по А.Л . Ковалевскому).
В степях и пустынях миграция Pb затруднена образованием слаборастворимых
карбонатов. На карбонатном фоне биогеохимическая специализация по
семействам, родам и видам выражена слабо. Только злаки (типчак, ковыль
сарептанский и др.) и полынь холодная концентрируют Pb (3 --- 5 КК).
Минимальны содержания в растениях семейства маревых (Н .Н. Васильева, Н.С.
Касимов). Это определяет его слабую биогенную аккумуляцию в гумусовых
горизонтах степных почв (Rвал = 1,2 --- 1,5; Rподв. = 1,5 --- 2). В катене из
типичных черноземов и торфяно- глеевых почв на покровных суглинках в
гумусовых горизонтах преобладают органо- минеральные формы Pb (табл. 30.3).
Таблица 30.3.
Баланс
подвижных форм Pb (%) в
почвах
заповедника
"Михайловская целина" (по Н .С. Касимову, А.Н . Геннадиеву, М.С . Лычагину)
В карбонатных горизонтах резко увеличивается доля легкоподвижных
водорастворимых и карбонатных форм, что создает резерв для их мобилизации
при сезонном подкислении среды за счет углекислоты. В подчиненных почвах
накапливаются непрочносорбированные формы, указывая на латеральную
миграцию Pb в коллоидной и взвешенной формах (Lподв. = 2-3).
Дефицит Pb в биосфере не известен, избыток (сотни и тысячи КК) характерен
для ландшафтов рудных месторождений, где образуются многочисленные
сульфаты, карбонаты, фосфаты, оксиды и другие вторичные его минералы. В
больших количествах Pb ядовит, причем низшие животные менее чувствительны,
чем высшие. С избытком Pb связывают рассеянный склероз, миалгию, другие
болезни населения, болеют в таких ландшафтах и домашние животные.
Свинец в ноосфере. Свинец энергично извлекается из недр, технофильность его
очень высока. Это давно известный и широко используемый металл (производство
труб, аккумуляторов, боеприпасов, красителей, в качестве присадок к бензину,
сплавов и т .д.). В то же время он один из основных токсикантов, образующий
контрастные техногенные аномалии (табл. 30.4). Загрязнение Pb происходит
главным образом при сжигании нефти и бензина (50% антропогенной эмиссии),
выплавке цветных и черных металлов, добыче полиметаллических руд. Максимум
техногенной эмиссии Pb в атмосферу был в конце 70-х годов, когда его
поступление значительно превысило природное. После ограничения
использования Pb при этилировании бензина, его выбросы снизились в 2 --- 3
раза. Темпы роста глобального стока Pb также уменьшились, хотя его поставка
реками в океаны по- прежнему увеличивается за счет возрастания роли других
(кроме автотранспорта) источников загрязнения (
Виженский, Петрухин).
Автотранспорт остается главным источником эмиссии Pb в развивающихся
странах, где не соблюдаются или отсутствуют ограничения на использование
Почвы,
горизонты
Типичные черноземы
Торфяно-
глеевая почва,
Ап
Формы
нахождения
A1
Вса
Водно-растворимая
и карбонатная
15
45
20
Органо-минеральная
60
50
45
Сорбированная
25
5
35
Рис. 30. 4. Коэффициенты техногенной
трансформации (КТ) воздушной миграции свинца в зоне
влияния свинцового комбината в Приморском крае (по
В.С. Аржановой и П.В. Елпатьевского). Зоны
техногенной трансформации параметров: I ---
умеренной, II --- сильной, III --- интенсивной. 1 ---
дожди, 2 --- сухие пылевые выпадения, 3 --- снеговые
воды.
этилированного бензина.
Таблица 30.4.
Фоновые и аномальные параметры распределения свинца
Выбросы автотранспорта создают вблизи шоссейных дорог локальные и мало-
контрастные аномалии подвижных форм Pb в воздухе, растениях и почвах (Е.М.
Никифорова, Д.Ж. Бериня, А .И. Обухов и др.). В почвах обочин шоссе
техногенные аномалии Pb формируются обычно в слое 0 --- 5 см и
прослеживаются на расстояние до 50 --- 100 м . Загрязнение Pb зависит от
плотности движения автотранспорта, преобладающего направления ветра,
особенностей рельефа, типа автомобилей, скорости их движения, наличия
защитных лесополос. В умеренном климате важное значение для миграции и
концентрации Pb в почвах придорожных зон имеет состав основания дороги и
применяемых противогололедных смесей и солей. Так, карбонатные породы ведут
к созданию нейтральной и слабощелочной обстановки в почвах --- щелочного
барьера для Pb, хлориды способствуют миграции свинца от полотна дороги,
особенно с талыми водами, в которых содержание Pb может в сотни раз
превышать фон (Е.И. Александровская, У. Фёрстнер, Г. Уиттмен).
В городах техногенные аномалии Pb вдоль улиц сливаются, образуя обширные
зоны загрязнения. Особенно сильно (на
порядок и более) загрязнены атмосфера,
почвы и растения вблизи автозаправочных станций, разделительных полос,
растущие вдоль улиц деревья, особенно их сухие части. В России в связи с
сокращением производства в последние годы выбросы Pb снижаются, кроме
городов (Владивосток, Москва, Якутск, Петербург и др.), где рост автомобилей
ведет к увеличению концентраций Pb в атмосфере.
Особенно контрастные техногенные аномалии сульфидов и сульфатов Pb
образуются вокруг комбинатов по производству цветных металлов. В отходах
свинцовой плавки, шлаках очистных сооружений, гальванических стоках его
содержание достигает сотен и тысяч кларков концентрации. Почти такая же
загрязненность золы твердых бытовых отходов, заводов по сжиганию мусора,
выбросов некоторых химических предприятий.
Техногенные ландшафты в сфере влияния производства Pb детально изучены
В.С. Аржановой и П.В. Елпатьевским в пос. Рудная Пристань Приморья. Здесь
происходит техногенная геохимическая трансформация практически всех
компонентов ландшафта: содержания Pb в атмосферных осадках, поверхностных
водах, снеге, растениях и почвах, щелочно- кислотных условий миграции с
формированием сернокислых ландшафтов (рис. 30.4). Техногенная геохимическая
трансформация ландшафтов связана с аэральной поставкой Pb, которая суммарно
для растворимых и нерастворимых форм превышает фоновые значения в 10 --- 15
раз. В техногенном ландшафте величина его поставки сопоставима с Fe и в
несколько раз превышает поступление Zn, Mn, Cu --- элементов со значительно
более высокими кларками. Следовательно, наряду с ожелезнением происходит
" плюмбизация" ландшафта. По абсолютной величине аэральной поставки
элементы образуют следующий ряд (мг/м2. год):
Pb322 Fe321 Zn81 Mn19 Cu11 Cd2.
Особенно обогащены Pb верхние горизонты почв (рис. 30.5). Доля подвижных
форм Pb в гумусовых горизонтах измененных техногенезом бурых лесных почв
Приморья достигает 94 --- 98% от валового содержания, что создает угрозу для
организмов.
Максимально загрязнены свинцом почвы городов Рудная Пристань в
Рис. 30.5. Коэффициенты концентрации свинца в дождевых и лизиметрических почвенных водах
относительно вод местного стока в фоновых и техногенных буроземах Дальнего Востока (по
В.С. Аржановой, П.В. Елпатьевскому).
Приморском крае, Ревда в Свердловской области, Глубокое в Ростовской области,
Свирск в Иркутской области, Медногорск в Оренбургской области --- от 320 до
1800 мг/кг.
Контрастные аномалии Pb образуются также в илах рек и морей, на берегах
которых расположены промышленные города с предприятиями, загрязняющими
окружающую среду Pb. Коэффициенты аномальности по сравнению с фоном здесь
достигают десятков и сотен единиц. Возрастает доля подвижных форм
нахождения Pb --- главным образом непрочно сорбированных коллоидными
частицами и аморфными гидроксидами Fe и Mn, а также карбонатных форм (М.А.
Глазовская, В .Б. Горюнова, Е.П. Янин и др.).
В агроландшафтах опасность загрязнения сельскохозяйственной продукции Pb
возникает при использовании в качестве удобрений промышленных и бытовых
отходов в виде компостов, осадков сточных вод и др., в которых его содержание в
несколько десятков раз выше, чем в навозе (А.И . Ачкасов). Велика опасность при
выращивании сельскохозяйственной продукции вдоль автомагистралей и вблизи
промышленных зон.
Для глобальной и региональной воздушной миграции Pb важна его
преимущественная концентрация (40 --- 70%) в паро- газовой субмикронной
фракции аэрозоля (А.З. Миклишанский). Поэтому, по сравнению с другими
тяжелыми металлами, он образует наиболее протяженные техногенные воздушные
потоки рассеяния вокруг промышленных предприятий (Е.П. Сорокина, Ю.Е .
Сает). По В.В. Добровольскому, аэрозоли и пыль атмосферы в несколько десятков
раз обогащены Pb по сравнению с кларком в гранитном слое земной коры. За
последние 50 --- 60 лет это привело к увеличению глобального фона Pb в
природных индикаторах загрязнения --- снеге и льдах Гренландии и Антарктиды в
3 --- 4 раза по сравнению с доиндустриальным периодом. В верховых торфяниках
Северного полушария в приповерхностных горизонтах в 5 --- 20 раз больше Pb,
чем в более глубоких слоях (О.П. Добродеев, С.И. Баденкова).
М.А. Глазовская предложила критерии классификации почв по опасности
загрязнения Pb. К ним относятся строение верхней части почвенного профиля,
щелочно- кислотные и окислительно- восстановительные условия, содержание
гумуса, гранулометрический состав и связанная с ним емкость поглощения и
другие. Геохимические ассоциации почв со сходной ответной реакцией на
определенные модули техногенного привноса токсичных элементов названы
Глазовской технопедобиомами, а по отношению к загрязнению свинцом --- Pb-
педобиомами. Потенциальная опасность интоксикации почв соединениями свинца
наиболее высока для ассоциации сильнокислых почв с периодически
восстановительным режимом. Она значительно меньше для ассоциации
умереннокислых почв с окислительным режимом. Наименее опасно загрязнение
Pb для слабощелочных и щелочных почв, где его подвижность минимальна.
Индий --- Jn (49; 114,82). Это типичный редкий и рассеянный элемент с
кларком 1,4.10-5%. Геохимически он близок к Zn, характерна также его связь с
Sn. Собственных месторождений не образует, его извлекают из цинковых
концентратов: в сфалерите содержание Jn достигает 0,1% и даже 1%. Сульфидные
месторождения Тихоокеанского рудного пояса относительно обогащены Jn. В
биосфере он рассеивается, технофильность его значительна, но поведение в
техногенных ландшафтах практически не изучено.
Кадмий --- Cd (48; 112,411). Как и Jn, это также типичный редкий и
рассеянный элемент с почти одинаковым кларком --- 1,3.10-5%. Но в силу
широкого применения в промышленности и высокой токсичности его миграция и
концентрация изучены значительно лучше. Это типичный катионогенный
халькофильный элемент, по своим свойствам близкий к Zn, но подвижнее его в
кислых средах и с большим сродством к сере. В своих соединениях Cd обычно
двухвалентен. Среди горных пород слабыми концентраторами Cd являются
гидротермалиты и глинистые сланцы. В сфалерите (ZnS) он накапливается до 0,5
--- 1%.
Кадмий в биосфере. В природных водах его миграция контролируется щелочно-
кислотными условиями. В окислительной кислой, слабокислой и нейтральной (рН
< 7) средах Cd2+ подвижен в сильнощелочной среде существуют менее
растворимые нейтральные и анионные формы --- CdCO3, Cd(OH)2о , Сd(ОН)3-
(Линник, Набиванец). Кадмий менее активный комплексообразователь, чем
многие другие тяжелые металлы. Преобладают гидроксо- и карбонатные
комплексы, роль фульватных комплексов значительно меньше. Последние
образуются преимущественно в щелочной среде. В поверхностных водах Cd
мигрирует в основном в растворенном состоянии, взвешенные формы, как
правило, не превышают 20 --- 30%, но в некоторых реках их содержание
увеличивается до 70 --- 80% (например в Миссисипи).
Таблица 30.5.
Фоновые и аномальные параметры распределения кадмия
Биофильность Cd невелика из- за ядовитости, все же среднее его содержание в
золе наземных растений составляет 3 --- 7 мг/кг, т . е . 20 --- 50 КК (табл. 30.5). Это
свидетельствует о его подвижности и доступности для растений. Известны виды-
концентраторы кадмия --- салат- латук, шпинат, морковь, картофель.
Кларк Cd в почвах --- 0,3 --- 0,5 мг/кг. Среди почв мира наиболее богаты им (0,7
--- 0,8 мг/кг) субтропические желтоземы и красноземы (за счет сорбции
гидроксидами Fе и Mn), а также бурые лесные почвы (0,5 --- 0,6 мг/кг) Западной
Европы и Северной Америки, что вызвано, по- видимому, техногенным
загрязнением этих промышленных регионов.
В кислых и слабокислых средах гумидных ландшафтов Cd энергично мигрирует
в катионной форме, выносится из почв и достаточно активно поглощается
растениями. В лесных ландшафтах установлена контрастная элювиально-
иллювиальная дифференциация кадмия в профиле дерново- подзолистых и бурых
лесных почв, где Cd концентрируется на щелочных (D2) и сорбционных (G2)
геохимических барьерах (В.С. Аржанова, П.В. Елпатьевский). По R. Elspab, в
бурых лесных почвах Германии среди тяжелых металлов Cd наиболее подвижен
--- водорастворимые, обменные, органо- минеральные и непрочносорбированные
его формы составляют до 88% от валового содержания.
В степях и пустынях щелочная среда неблагоприятна для миграции Cd. Но даже
в этих условиях доля миграционно- способных форм значительна. Так, в типичных
черноземах заповедника "Михайловская целина" до 80 --- 90% подвижного Cd
приходится на водорастворимые, карбонатные, обменные и аморфные формы, в то
время как непрочно сорбированные кислотно-растворимые формы практически
отсутствуют (Н .С. Касимов, А.Н. Геннадиев, М.Ю. Лычагин). Это определяет
возможность латеральной миграции водорастворимых и карбонатных соединений
Cd в гидрокарбонатно-кальциевых склоновых водах лесостепных ландшафтов с
накоплением в подчиненных позициях (L = 2,5 --- 3,0).
Кадмий в ноосфере. Кадмий --- один из наиболее токсичных тяжелых металлов,
обладающий канцерогенными свойствами. Среди природных источников
поступления кадмия в окружающую среду основное значение имеют каменный
уголь, полиметаллические руды, фосфориты. Загрязнение кадмием происходит
при производстве и обработке цветных металлов и стали (кларк концентрации в
гальванических осадках --- n.1000), сжигании угля и нефти, внесении
минеральных удобрений. Существенна в загрязнении среды роль автотранспорта,
производства красителей и химических реактивов, аккумуляторов, сжигания
мусора. Жесткое природоохранное законодательство и применение экологически
более чистых технологий привело в последние два десятилетия к существенному
снижению выбросов и стоков Cd в Западной Европе (рис. 30.6). Особенно сильно
изменилась структура загрязненных Cd сточных вод. В начале 70-х годов их
загрязнение определялось главным образом производством Zn, стали и
фосфорных удобрений, а в конце 80-х уже до 75% поступления Cd в сточные воды
в бассейне Рейна стало связано с производством удобрений.
В техногенных ландшафтах Cd наряду с W, Sb и Hg образует наиболее
контрастные аномалии в пылевых выпадениях из атмосферы, где его коэффициент
концентрации относительно фона в среднем равен 600 (Ю.Е. Сает, Р.С .
Смирнова). Особенно контрастны техногенные аномалии Cd в промышленных
городах. Так, его среднее содержание в почвах 30 наиболее загрязненных городов
России составляет около 60 КК, а в аномальных зонах достигает 400 --- 500 КК.
Рис. 30.6. Эмиссия кадмия от воздушных (1) и водных (2)
источников в бассейне Рейна, тонны в год (по
W. Stiqliani, S. Anderberq).
Волосы людей, занятых в металлургии, содержат в 220 раз больше Cd, чем волосы
жителей сельской местности (Б.А. Ревич).
Техногенной воздушной миграции Cd способствует его преимущественное
нахождение (80 --- 85%) в паро- газовой субмикронной и мелкодисперсной
фракциях аэрозоля. Поэтому аномалии подвижных форм Cd обнаруживаются в
верхних горизонтах почв наветренных склонов в 5 --- 8 км от металлургических
заводов. Так как его растворимость зависит от рН, то особенно благоприятны для
его концентрации на щелочном геохимическом барьере карбонатные почвы и
породы. Такие "оторванные" техногенные аномалии детально изучены в Болгарии
Р. Пениным в районе Радомирского металлургического комбината.
Для Cd типична безбарьерная зависимость между его содержанием в почвах и
растениях. Поэтому подвижность Cd в кислой среде гумидных ландшафтов
создает опасность загрязнения растений. Особенно отчетлива такая линейная
корреляция в надземных органах: листья шпината, зерна злаков и т . п . на
загрязненных почвах поглощают Cd активнее, чем корни, например, клубни
картофеля, хотя концентрации Cd в корнях растений фоновых ландшафтов обычно
превышают его содержания в надземных частях растений на порядок и более
(А.Кабата-Пендиас).
Высокая концентрация и подвижность Cd в отходах разнообразных производств
определяют его миграцию в аквальные ландшафты. В реках, озерах,
водохранилищах промышленных городов Cd аккумулируется в илах, рыбе, водной
растительности, бентосе и планктоне. Для организмов особенно опасен
растворенный Cd, доля которого в загрязненных водоемах составляет 50 --- 70%,
что значительно больше, чем у других тяжелых металлов (Ю .Е. Сает, Е.П. Янин).
В илах Cd легко сорбируется органическими и неорганическими лигандами и
также легко десорбируется, вновь поступая в воды. Именно поэтому особенно
опасна его вторичная мобилизация в промышленных регионах из загрязненных
донных отложений дельт и эстуариев (Рейн, Шельда, Маас, Эльба и др.).
У животных высокие концентрации Cd ведут к снижению численности,
деформациям скелета, угнетению иммунной и репродуктивной функций и другим
патологиям. Токсичность Cd во многом зависит от форм его нахождения и
доступности для организмов. Растительноядные животные содержат обычно
больше Cd, чем хищники, что связывают с более доступной формой его
нахождения в растительной пище. Так, в Швеции печень и почки глухаря,
рябчика, тетерева содержат Cd на 1 --- 2 порядка больше, чем эти же органы
филина, совы, беркута и других хищников (А. Франк). Особенно подвержены
загрязнению гидробионты, для которых токсичные эффекты начинают
проявляться даже при относительно слабом загрязнении водоемов (у рыб при 1
мкг/л). Для экологического состояния био- и зооценозов благоприятно, что Cd не
накапливается по трофической цепи (И.Г. Пушкарь и др.).
Наряду с промышленностью в загрязнении Cd существенна роль и сельского
хозяйства, т . к . он является одним из основных элементов- примесей фосфорных
удобрений. По степени концентрации в них (5 --- 10 КК) Cd обычно следует за As
и F. Согласно Ю.Е. Саету и А.И. Ачкасову, контрастность агрогенных аномалий
Cd в почвах и растениях агроландшафтов значительно ниже, чем в промышленных
районах, но подвижность Cd в кислых почвах способствует в сотни и тысячи раз
более эффективному потреблению его растениями, чем слабоподвижного Р.
Поэтому, несмотря на снижение промышленных выбросов и стоков Cd, рост
применения фосфорных удобрений во многих странах ведет к прогрессирующему
загрязнению Cd сельскохозяйственных земель (Stigliani, Anderberg). В лесных
ландшафтах кислые дожди и связанное с ними подкисление почв также
способствуют вторичной мобилизации Cd из загрязненных почв. Все это
увеличивает опасность дальнейшего загрязнения водоемов этим токсикантом.
Наряду со Hg загрязнение Cd приводит к тяжелым заболеваниям населения (итай-
итай и др.).
Ртуть --- Hg (80; 200,59). Это один из самых редких элементов --- по различным
оценкам кларк Hg составляет 3 --- 9.10-6%. Более высокие концентрации
характерны для осадочных пород --- глин, сланцев (до 40.10-6%). В большинстве
природных объектов Hg рассеяна и только из гидротерм образуются
месторождения, приуроченные главным образом к ртутно- сурьмяным провинциям
Средиземноморского и Тихоокеанского рудных поясов. Ртуть --- халькофил, из 16
ее минералов наиболее распространена киноварь (HgS). По сравнению с другими
тяжелыми металлами важную роль в геохимии Hg играет миграция в газообразом
состоянии.
А. А. Сауков предположил, что благодаря упругости паров Hg вокруг ртутных и
ртутьсодержащих месторождений образуются ее газовые ореолы. Этот прогноз
подтвердился, высокочувствительные методы определения паров Hg позволили
быстро производить измерения на больших площадях. Ртутные фотометры
установлены на автомашинах, имеются и пешеходные их варианты. Доказано, что
в газовых ореолах Hg может быть в атомарном состоянии, в форме сульфидов,
различных комплексов хлоридов, ртутьорганических соединений (метилртуть).
Ртутные газовые ореолы формируются и в отложениях, перекрывающих рудные
тела. Поэтому поверхностные газортутные съемки эффективны при поисках
погребенных руд многих металлов. Эти методы могут использоваться и при
поисках нефти.
Ртуть в биосфере. Источником Hg для биосферы служат мантия, магма и
горные породы земной коры, из которых она возгоняется при нагревании. По
зонам глубинных разломов, рифтам, через вулканы ртутьсодержащие газы
поступают в ландшафты. Разработана методика индикации глубинных разломов,
прогнозирования землетрясений, поисков ртутных и других месторождений по
ореолам Hg в почвенном и приземном воздухе. "Ртутное дыхание земной коры" ---
важное научное открытие Н.А. Озеровой, А.И. Фридмана и В.З. Фурсова.
В природе для Hg характерны элементарная, одно- и двухвалентные формы,
которые зависят от рН и Еh среды. В окислительной нейтральной и
слабощелочной обстановке преобладает Hg2+, в кислых восстановительных
условиях начинает доминировать элементарная Hg. Важнейшими особенностями
геохимии Hg являются образование соединений с серой, органо- минеральных
комплексов, летучесть элементарной ртути, метилирование --- перевод
элементарной Hg абиотическим путем и микроорганизмами в более подвижные
органоминеральные и неорганические формы. В широком диапазоне рН
преобладают катионные и нейтральные формы Hg. Ртуть --- хороший
комплексообразователь, особенно велика роль гумусовых кислот. По
устойчивости гуматных и фульватных комплексов Hg занимает первое место
среди тяжелых металлов.
В природных водах Hg мигрирует в растворенной и взвешенной формах,
данные об их соотношении противоречивы. По Е.П. Янину, среди тяжелых
металлов Hg отличается высокой долей истинно растворимых форм. В то же
время адсорбция на коллоидных частицах способствует переносу во взвешенном
состоянии, что особенно характерно для загрязненных водоемов, где доля
взвешенных форм достигает 80 --- 90%. Фоновые содержания растворенной Hg в
пресных поверхностных водах составляют 0,05 --- 0,1 мкг/л , а взвешенных форм
--- 0,1 --- 0,2 мг/кг (табл. 30.7).
Как и другие элементы конца Периодической системы, Hg ядовита. Благодаря
подвижности она до определенных пределов легко поглощается растениями и по
биофильности близка к другим халькофилам --- Cu, Pb. Фоновое содержание Hg в
наземных растениях колеблется в широком диапазоне, но, по- видимому, не
превышает 0,1 мг/кг сухой массы. В зерне злаковых культур в среднем 0,01 мг/кг
Hg (А. Кабата-Пендиас).
Кларк Hg в почвах мира составляет 0,05 --- 0,1 мг/кг (Х. Шаклетт, А. Кабата-
Пендиас и др.), что дает достаточно высокий коэффициент биологического
поглощения (кларк концентрации в золе), близкий к 10. Это определяет
возможность биогенной аккумуляции Hg в гумусовых горизонтах, т. е . не все ее
концентрации в почвах имеют техногенное происхождение. В донных осадках
незагрязненных водоемов содержание Hg примерно равно или несколько выше
кларка почв --- 0,1 --- 0,2 мг/кг (У. Фёрстнер, Е.П. Янин).
Ртуть в ноосфере. Токсичность Hg, ее повсеместное распространение в
промышленных и урбанизированных районах, разнообразие форм нахождения и
источников загрязнения определили интерес к ее геохимии в ноосфере.
Таблица 30.7
Фоновые и аномальные параметры распределения ртути
Оценки соотношения природных и техногенных источников Hg противоречивы.
По Е.П. Янину, от дегазации горных пород и почв, выветривания, вулканической
деятельности, эрозии, пожаров и др. природных источников ежегодно поступает
40 --- 50 тыс. тонн, а от выплавки Hg, химической, электротехнической,
приборостроительной промышленности и др. техногенных источников --- 19 --- 29
тыс. тонн. Природные процессы определяют глобальный круговорот Hg,
техногенез --- локальный и региональный, ведущие к загрязнению ландшафтов.
Максимальные концентрации Hg в пылевых выбросах характерны для
коксохимического производства, изготовления масляных красок (n.1000 кларков
концентрации) и особенно для промышленных площадок заводов по производству
карбида кальция, ацетилена, ацетальдегида (до миллиона кларков концентрации в
г . Темиртау). Значительная часть Hg в аэрозолях сосредоточена в паро- газовой
фракции, поэтому лишь 5 --- 10% ее выброса оседает в радиусе 3 --- 5 км от
заводов и почти 60% выпадает на удалении 70 --- 100 км (Е.П. Янин).
Контрастность ореолов рассеяния Hg вокруг других производств обычно не
превышает нескольких десятков или первых сотен кларков концентрации.
Контрастные техногенные ореолы Hg образуются во всех компонентах
ландшафта --- воздухе, атмосферных осадках, водах, снеге, почвах, растениях и
животных. Ее содержания нередко превышают предельно допустимые
концентрации, вызывая болезни животных и человека. Особенно опасны сбросы в
водоемы ртутьсодержащих сточных вод, с чем связаны известные случаи
отравления населения (Минамата, Ниигата, Ок-Ридж и др.).
В техногенных ландшафтах Hg активно мигрирует и поступает в конечные
бассейны стока, накапливаясь в водах, водных организмах, донных отложениях.
Ртутному загрязнению компонентов биосферы, особенно водоемов, посвящено
большое количество работ (У. Фёрстнер, В. Саломонс, С. Митра и др.). Один из
первых опытов комплексного изучения геохимии Hg в ландшафтах
промышленных городов (Темиртау, Саранск, Подольск) принадлежит Е.П. Янину.
Ртуть является типоморфным элементом практически любых техногенных
аномалий, поскольку поступает в окружающую среду с выбросами, стоками и
отходами самых разнообразных производств. Почти во всех промышленных
городах образуются аномальные зоны Hg в различных компонентах ландшафта,
население постоянно испытывает воздействие этого металла. При этом
трансформируются формы нахождения Hg --- при общем преобладании
растворенных форм резко возрастают доли взвешенных форм, играющих важную
роль в формировании техногенных потоков рассеяния в донных отложениях.
Особую опасность для водоемов представляет метилирование Hg, что
способствует ее включению в пищевые цепи водных экосистем. Доля метилртути
в илах обычно менее 1% от общего ее содержания, но в биогеохимической цепи
она увеличивается до 20 --- 30% в бентосе и высших растениях и 70 --- 80% в
рыбах (Е.П. Янин).
Изучение динамики поведения Hg на юге Швеции в районах с особенно
интенсивными кислотными дождями показало, что подкисление почв повышает
мобилизацию Hg из слабозагрязненных и даже фоновых почв, ведет к
поступлению ее повышенных количеств в реки и озера, где она концентрируется в
растениях и рыбах (H. Hultberg).
Техногенные аномалии Hg в почвах и растениях агроландшафтов формируются
под влиянием промышленных выбросов, использования в качестве удобрений и
мелиорантов твердых отходов, мусора, полива поверхностными водами,
загрязненными ртутью. Особенно подвержены ртутному загрязнению пойменные
агроландшафты вблизи промышленных городов. Такие ландшафты изучены Е.П.
Яниным в долине реки Нуры, где для орошения используются загрязненные Hg
стоки г . Темиртау. В орошаемых каштановых почвах в отличие от
приповерхностных атмотехногенных аномалий Hg концентрируется не в верхнем
горизонте, а мигрирует по профилю, возможно в виде фульватных комплексов,
осаждаясь на сорбционном барьере в уплотненном горизонте на глубине 20 --- 50
см. Концентрации Hg в этих почвах в среднем на порядок выше, чем в орошаемых
незагрязненных почвах, и в 30 --- 70 раз выше ее содержаний (0,03 мг/кг) в
фоновых почвах. Это ведет к накоплению Hg в сельскохозяйственной продукции,
особенно в листьях капусты (0,18 мг/кг влажной массы), яблоках, моркови,
картофеле (0,03 --- 0,04 мг/кг), что соответственно в 9 и 2 --- 3 раза выше
предельно допустимых концентраций.
Серебро --- Ag (47; 107,8682). Кларк Ag 7.10-6%. Это халькофильный элемент,
образующий 54 минерала, из которых 47 гидротермальные. С этими процессами
связано и образование серебряных руд.
Серебро в биосфере. Геохимия Ag в биосфере изучена слабо. Известны его
концентрации в углях, глинах и других осадочных породах. Ag достаточно
активно мигрирует в природных водах. Биофильность Ag значительна --- близка к
СаиК.
Серебро входит в группу элементов интенсивного и среднего биологического
накопления, его средний коэффициент биологического поглощения у наземных
растений 14.
Среднее содержание Ag в почвах мира близко или немного превышает его
кларк в литосфере (0,05 --- 0,1 мг/кг). Для серебра типична слабая биогенная
аккумуляция в гумусовых горизонтах почв и осаждение на сорбционном и
сульфидном барьерах.
По С.Л. Шварцеву, среднее содержание Ag в грунтовых водах гумидных
ландшафтов 0,25 мкг/ л . Как и другие тяжелые металлы, Ag подвижно в кислых
почвах и водах, многие виды деревьев (береза, сосна) его концентрируют. По Н.П.
Солнцевой, на Среднем Урале концентраторами Ag на основных породах
являются мхи (300 --- 400 КК), а на кислых --- лишайники (80 --- 90 КК) при
фоновых содержаниях в золе растений 3 --- 6 КК.
В степных ландшафтах Ag слабо подвижно. В водах степей и пустынь среднее
содержание Ag --- 0,44 мкг/л . Это указывает на его способность к испарительной
концентрации, возможно в виде анионных сульфатных комплексов. В
сильнощелочной содовой среде его подвижность возрастает, по- видимому, за счет
образования растворимых карбонатных анионных комплексов. Это проявляется в
более активном поглощении Ag видами из семейств сложноцветных и маревых,
растущих на солонцеватых почвах, солонцах и солончаках по сравнению со
злаками и лугово- степным разнотравьем автономных позиций с более
нейтральными почвами. В Мугоджарах и Центральном Казахстане кларки
концентрации Ag в золе растений образуют следующий ряд: древесные и
кустарниковые породы (1 --- 2) < злаки (1 --- 3) < маревые (6 --- 10) <
сложноцветные (10 --- 20). Среди сложноцветных концентраторами Ag являются
полыни селитряная и холодная (15 --- 30 КК). В содовых ландшафтах его
поведение отлично от других катионогенных элементов, например Zn, не
образующих содовых комплексов (Н.С. Касимов).
Серебро в ноосфере. Серебро --- один из наиболее дефицитных элементов,
технофильность его высокая. Источник Ag --- гидротермальные месторождения,
как собственно серебряные, так и полиметаллические. Техногенные выбросы Ag
--- одни из наиболее контрастных по сравнению с фоном. Особенно много его в
шламах очистных сооружений, гальванических стоках, шламах от производства
красителей и химреактивов, в золе твердых бытовых отходов (n.100 --- n.1000
КК).
Данные о распределении Ag в аэрозолях, атмосферных осадках, почвах и
растениях техногенных ландшафтов немногочисленны. Техногенные аномалии в
этих средах имеют слабую и среднюю контрастность (n --- n.10).
Приемником потоков Ag в промышленных городах служат аквальные
ландшафты, где обнаружено особенно сильное загрязнение донных отложений.
Самые контрастные аномалии в них характерны для городов с многопрофильным
машиностроением и химической промышленностью (Кс относительно фона 400 ---
900), научных центров физического и радиотехнического профиля, районов
свалок бытовых и промышленных отходов (Кс=200), небольших городов, где
производятся грампластинки, имеются вторичная переработка цветных металлов и
ткацкие фабрики (Ю .Е. Сает, Р. Пенин, Е.П. Янин и др.). Токсичность Ag для
организмов не изучена.
Висмут --- Bi (83; 208,9804). Это один из наиболее слабо изученных элементов.
Оценки его кларка отличаются в 19 раз (по А.П. Виноградову --- 9.10-7%, по С.Р.
Тейлору --- 1,7.10-5%). Висмут редкий, но не рассеянный элемент --- как и другие
халькофилы, он отличается хорошей способностью к минералообразованию,
известно более 90 его минералов, в основном гидротермальных. В зонах
окисления висмутовых руд встречаются и гипергенные минералы.
Геохимия Bi в биосфере почти не изучена. В природных водах он ведет себя
как катионогенный элемент, его среднее содержание составляет менее 0,1 мкг/ л . В
растениях среднее содержание Bi, по Г. Боуэну, не превышает 0,02 мг/кг сухой
массы, в почвах --- 0,2 мг/кг.
В техногенных ландшафтах Bi образует довольно контрастные аномалии.
Особенно обогащены Bi пыль редкометальных (Mo --- W) горнообогатительных
комбинатов, золы твердых бытовых отходов (n.1000), пыли цехов переработки
цветных металлов (n.100). В почвах он обычно накапливается слабо, но образует
аномальные концентрации (n.10) в донных отложениях городов, где выбросы и
стоки обогащены Bi (Ю.Е. Сает, Е.П. Янин). В организме человека он может
накапливаться в эмали зубов, волосах, ногтях. Возможны висмутовые токсикозы
человека и животных. Технофильность Bi исключительно велика --- такая же, как
у самих технофильных металлов (3.109).
30.2. Анионогенные элементы подвижные и слабоподвижные
в окислительной обстановке и инертные в восстановительной ---
V,U,Mo,Se,Au,Re
По классификации В.М. Гольдшмидта V и U относятся к литофильной группе,
Мо и Re --- к сидерофильной, Se и Ag --- халькофилы.
Ванадий --- V (23; 50,9415). Кларк V --- 9.10-3%. Среди изверженных пород им
обогащены базальты, среди осадочных --- глины и глинистые сланцы. В
магматических породах он изоморфно замещает Fe и Ti в их минералах (особенно
в титано- магнетитах). Ванадий --- поливалентен, его геохимия зависит от степени
окисления (+2, +3, +4, +5) и кислотности среды.
Ванадий в биосфере. В поверхностных водах практически весь V (90-98%)
сосредоточен во взвеси (среднее содержание в водах растворенных форм 1,1
мкг/л , взвешенных --- 120 мкг/л), что во многом определяет его слабую водную
миграцию. Для растворенного V наиболее характерны анионы и гидроксоанионы
VO-3, HVO2-4 , [VO2(OH)2]-, в сильно кислых водах он может мигрировать в виде
[VO (OH)]+ . В резковосстановительных условиях он слабоподвижен (V3+). На
восстановительных и сорбционных барьерах V концентрируется в торфах,
битумах, нефтях, углях (до нескольких десятков КК в золах).
Комплексообразование с фульвокислотами и гуминовыми кислотами
увеличивает подвижность V в гумидных ландшафтах. Однако в целом в кислых и
нейтральных водах и почвах этих ландшафтов V малоподвижен, что определяет
его низкий кларк концентрации в золе древесных растений (в среднем 0,5 КК).
Известны случаи его накопления в опаде (И.Г . Побединцева, Н.П. Солнцева). В
почвах V распределен слабоконтрастно, возможна его сорбция гидроксидами Fe,
которые наряду с P часто содержат примесь V, а также илистыми частицами в
иллювиальных горизонтах (R = 1,2 --- 1,5). B песчаных почвах например в
Мещере, коэффициенты радиальной дифференциации (R) в гумусовых горизонтах
возрастают до 3 --- 5 (И.А. Авессаломова). Латеральная миграция в лесных
ландшафтах также малоконтрастна (L до 1,5 --- 1,8), что определяет
незначительную концентрацию V в озерных и болотных рудах.
В щелочной окислительной среде степей и пустынь V переходит в
пятивалентное состояние, образует ванадат- ион VO43-, напоминающий фосфат-
ион РO43-
. Однако V подвижнее P --- ванадаты растворимее фосфатов, и он не
дефицитен или менее дефицитен для организмов, чем Р.
В районах с сухим климатом на урановых и ванадиевых месторождениях, а
также в местах распространения осадочных пород, обогащенных V (углеродистых
сланцев и др.), значительна водная миграция V, он концентрируется на щелочных
(D3, D4) и испарительных (F3, F4) барьерах. Здесь распространены желтые и
зеленые ванадаты K, Ca, Cu, U и других металлов. В солончаках данные минералы
содержатся в гипсовых горизонтах.
В лесостепных и степных ландшафтах Казахстана в результате латеральной
миграции V накапливается на восстановительных барьерах в глеевых горизонтах
луговых почв (L=2 --- 3). Особенно подвижен V в содовых солонцах и солончаках.
По Н.С. Касимову, его кларки концентрации в золе растений Казахстана
возрастают в ряду: злаки (0,1 --- 0,2 КК) < деревья и кустарники (0,1 --- 0,3 КК) <
сложноцветные (0,3 --- 0,8 КК) < маревые (0,4 --- 1,5 КК).
Ванадий в ноосфере. По технофильности V близок к Ti и Al. Основными
техногенными источниками ванадия служат ТЭЦ, работающие на мазуте, и
сталеплавильные заводы. Атмосферный воздух и пыли этих предприятий
содержат в десятки и даже сотни раз больше ванадия, чем фоновые территории.
Однако V не относится к приоритетным загрязнителям и в большинстве
промышленных центров не образует контрастных техногенных аномалий. В
почвах и донных отложениях их контрастность обычно не превышает 10.
Уран --- U (92; 238,029). Этот металл занимает 92-ю клетку Периодической
системы элементов и состоит из трех изотопов --- урана-238, урана-235 (главного
источника атомной энергии) и урана-234. Абсолютно преобладает первый,
содержание второго лишь 0,7%, третьего еще меньше. В настоящее время U
относят ко "второй группе редких земель", так называемым "актиноидам". Эти
новые представления были развиты после открытия нептуния, плутония, америция
и других трансурановых элементов. Однако в ландшафтах "редкоземельные
свойства" U практически не проявляются и он ведет себя "по Менделееву", т . е .
как элемент шестой побочной группы Периодической системы, и во многом по
особенностям миграции аналогичен Мо.
История изучения U еще более парадоксальна, чем его детища --- Rа . Открытый
два века назад, в 1789 г ., он долго не находил практического применения, но
когда в 1898 г . был открыт Ra, заинтересовались и U как радиевой рудой. И
только еще через полвека он стал едва ли не самым "модным" элементом, т . к .
началось использование атомной энергии на основе уранового сырья. Геохимия U
изучена детально и всесторонне. Если до "уранового бума" его месторождения
считались редкостью, то ныне они обнаружены на всех континентах во многих
странах. Их образование связано с различными геохимическими барьерами в
магматических, гидротермальных и биосферных системах.
Уран редкий, но не рассеянный элемент, т . к. известно свыше 100 его
минералов, многочисленны и разнообразны месторождения. Кларк U в земной
коре --- 2,5.10-4%. В кислых породах, например гранитах, урана несколько больше
(3,5.10-4%), в базальтах и других основных --- меньше (5.10-5%) и особенно мало
в ультраосновных (3.10-7%). В глинах и сланцах его кларк 3,2.10-4%, в
карбонатных породах --- 2,2.10-4% (рис. 30.7). Эти числа дают представление и о
содержании U в почвах на разных породах, хотя в конкретных почвах и породах
наблюдаются и отклонения от кларков все же не очень значительные. Так, в
большинстве почв содержится n.10-4 --- n.10-5 U, даже в районах урановых
месторождений не более 0,0n%.
Основное значение в геохимии U играет физико- химическая миграция, он
активно мигрирует в водах биосферы, концентрируется на многих барьерах.
Уран в биосфере. Как и другие элементы конца Периодической системы Hg, Tl,
Pb, уран ядовит, его кларк в живом веществе 8.10-7%. Поэтому биогенная
миграция в целом не играет существенной роли в геохимии U, однако некоторые
водоросли способны его концентрировать, с чем связывают образование
ураноносных глин и сланцев.
В биосфере уран находится в четырехвалентном (U4+) и шестивалентном (U6+)
состояниях. Четырехвалентный U аналог Th и в ланшафтах малоподвижен.
Главный его минерал уранинит (UO2) плохо растворим. Это относится и к другим
Рис. 30.7. Кларки концентрации урана (по А.И.Перельману). Условные обозначения см. к рис. 28.1.
минералам четырехвалентного урана, число которых невелико. Шестивалентный
уран образует двухвалентный катион уранил --- UO2+2, похожий на другие
двухвалентные катионы, в частности на Са2+ (хотя есть и отличия). Некоторые
соли уранила хорошо растворимы, как, например, сульфат уранила (UO2SO4),
другие труднорастворимы --- уранованадаты, фосфаты, силикаты.
Уранил способен входить в состав комплексных анионов, например в
бикарбонатуранил и трикарбонатуранил --- [UO2(CO3)2]2-, [UO2(CO3)4]3-
.
Известны и растворимые комплексные органические соединения уранила, его
миграция с фульвокислотами. Поэтому U6+ во многих ландшафтах подвижен.
Миграция урана в форме UO2+2 и его комплексов особенно разнообразна,
характерна как для кислых, так и для нейтральных и щелочных вод. Его главные
спутники --- Ca, K, Mg, P, S, V, Se, Mo, Re, частично Ag, As.
В водах ландшафта обычно содержится n.10-7 --- n.10-5 г/л U, коэффициент его
водной миграции в коре выветривания, реках и прочих окислительных
обстановках --- n, реже 0,n. По интенсивности миграции U здесь аналогичен Ca,
Na, Mg, F, Sr, Zn, Mo, Se, Au. В бескислородной среде, при наличии органических
веществ, сероводорода происходит восстановление U
6+доU
4+, который
аналогичен Th, Zr и другим инертным элементам. Это позволило сформулировать
основной закон миграции U в водах биосферы: уран интенсивно мигрирует в
окислительной среде --- как Ca, Mg и другие двухвалентные металлы (Кх = n) --- и
очень слабо в резко восстановительной, как Th, Zr и другие инертные элементы
(Кх = 0,0n). Поэтому U отличается высокой контрастностью миграции и
осаждается на восстановительных сероводородном (
В) и глеевом (
С)
геохимических барьерах (А.И. Перельман).
В гумидных ландшафтах содержание U в водах низкое --- n.10-7 --- n.10-6 г/л . В
элювиальных (автоморфных) почвах он во многом ведет себя аналогично Са: как
и Са выщелачивается из подзолистых, красноземных, буроземных, серых лесных и
других почв, а также из коры выветривания. Выщелоченный U концентрируется в
депрессиях рельефа, в болотах на глеевом и сорбционном барьерах (С2, С3, G2,
G3). Особенно это наглядно на рудных полях урановых месторождений в зоне
тайги и лесотундры (рис. 30.8).
В аридных ландшафтах U в почвах малоподвижен и радиоактивное равновесие
в них часто сохраняется. Поэтому в степях и пустынях о радиоактивности почв
можно судить на основе гаммаспектрометрии (этим способом были открыты
многие урановые месторождения в южных районах СССР). Однако кислородные
грунтовые и подземные воды в аридных ландшафтах выщелачивают U из горных
пород, содержание U в них достигает n.10-5 г /л --- n.10-6 г/л , возможна его
испарительная концентрация до n.10-4 г/л , накопление в засоленных почвах,
соленых озерах (рис. 30.9). В сухих степях и пустынях даже вне рудных полей
урановых месторождений местами в почвах образуются желтые минералы уранила
--- уранованадаты (карнотит и тюямунит), а также силикаты уранила. Их тонкие
пленки на гранях почвенных отдельностей нередко создавали ложное впечатление
об ураноносности района, имелись случаи, когда уранованадаты принимались за
самородную серу. Эти явления встречаются там, где горные породы содержат
повышенное количество подвижного U (легко извлекаемого двухпроцентной НСl
и содой).
На рудных полях урановых месторождений во всех ландшафтных зонах почвы,
воды, континентальные отложения и отчасти организмы обогащены этим
металлом. Ядовитость U, высокая радиоактивность таких ландшафтов, вероятно,
сильно влияли на эволюционный процесс (отбор на химической и радиационной
основе? Центры видообразования?). Данный вопрос заслуживает специальных
исследований биологов и биогеохимиков.
В ходе геологической истории содержание U в земной коре уменьшалось за
счет радиоактивного распада. С этим процессом связано накопление в горных
породах части Pb и He, образование Ra. Радиоактивный распад U и других
радиоактивных элементов играет важную роль в энергетике земной коры,
оформилось особое научное направление --- ядерная геотермика.
Для поисков месторождений урана используют геохимические методы.
Уран в ноосфере. Использование U в качестве атомного сырья определило его
большое значение в ноосфере, быстрый рост добычи за последние полвека
(технофильность довольно высокая --- 1,2.106, близка к As, Se, Co, P, Cr).
Урановые рудники и урановые месторождения, которые разведывались, но не
были введены в эксплуатацию, могут активно загрязнять ландшафт. Источниками
радиации в обоих случаях служат не только рудные выходы на поверхности, но и
штабели руды, отвалы. Урановая руда, как правило, содержит не более 0,2%
урана, она содержит также радий-226, иногда Th. Таким образом,
промышленность использует менее 1% горной массы, остальная идет в отвал,
образуя терриконы, которые также могут быть источником радиации. Большое
экологическое значение в некоторых регионах имеет развевание руды и отвалов,
радиоактивная пыль может распространяться на десятки километров.
Многие угли содержат повышенные количества U, но даже и при фоновых его
содержаниях угли в районах тепловых электростанций могут быть источниками
повышенной радиации в ландшафтах. Н.А. Титаева в качестве примера приводит
Назаровскую ГРЭС в КАТЭКе, которая в течение 20 лет работала без достаточной
очистки дымовых газов. Содержание U и Th в углях здесь типичны для многих
буроугольных бассейнов: U = 5,2 --- 5,8.10-4%, Th = 5,0 --- 8,8.10-4%.
Концентрация Th в золе возрастает в 2, Ra в 2 --- 7,5 раза, концентрация U не
изменяется. Это свидетельствует, что основная масса урана выбрасывается в
Рис. 30.8. Уран в гумидных ландшафтах (по А . И. Перельману).
атмосферу. Зольные выпадения на поверхности почв имеют резкощелочную
реакцию (рН = 10 --- 12), а дымовые газы являются источником кислых осадков.
Источниками U для ландшафтов могут служить также минеральные удобрения,
среди которых главными носителями U являются фосфориты. Концентрация U в
них часто на порядок выше по сравнению с почвами, однако экологическая
опасность этого источника в целом невелика.
Исключительно актуальны экологические аспекты геохимии U, связанные с
радиоактивным загрязнением среды. Важны и проблемы захоронения
радиоактивных отходов.
При оценке радионуклидного загрязнения от аварий на атомных станциях
важное значение имеют ландшафтно- геохимические барьеры, локализующие
загрязнение. Так, в Чернобыльской зоне наибольшее значение имеют
сорбционные (глинистые и суглинистые породы, органогенные горизонты почв,
торфа на фоне преобладания песчаных пород и почв) и глеевые (глеевые
горизонты в заболоченных почвах) геохимические барьеры (В.С . Давидчук и др.).
Молибден --- Мо (42; 95,94). В земной коре Мо встречается в главных
валентных состояниях +4 и +6. Соединения шестивалентного Мо --- производные
молибденовой кислоты (H2МоO4) --- хорошо растворимы, особенно в щелочной
среде (в кислой среде их миграционная способность может резко снижаться).
Соединения четырехвалентного Мо растворимы плохо. Важнейшими осадителями
этого металла из вод служат сероводород и его производные, а главный рудный
минерал молибденит --- сульфид молибдена (МоS2). Кларк Мо --- 1,1.10-4%,
повышенные содержания характерны для кислых магматических пород и
осадочных пород, обогащенных органическим веществом.
Молибден в биосфере. Здесь его геохимия тесно связана с анионогенными
свойствами и высокой биофильностью (как у Са и К). В ландшафтах он мигрирует
главным образом в виде молибдат- иона МоO42-, подвижного в окислительной
нейтральной и щелочной среде и малорастворимого в кислой.
В растениях Мо участвует в азотном обмене, азотфиксации бактериями, входит
в состав ферментов. В ландшафтах известен как его избыток, так и дефицит.
Молибден относится к группе интенсивного и среднего биологического
Р ис. 30.9. Уран в аридных ландшафтах ( по А . И . Перельману).
накопления. В золе растений его среднее содержание 1,6.10-3%, что дает средний
кларк концентрации 16. То есть растения мало чувствительны к его повышенному
содержанию. Более восприимчивы к избытку Мо животные, у которых при этом
развивается молибденозис --- расстройство пищеварения, потеря веса, поражение
шерсти и другие заболевания. Им подвержены в районах молибденовых
месторождений овцы и крупный рогатый скот (Россия, Англия, Канада, США,
Швеция и др.). В Армении у населения установлена "молибденовая подагра",
вызванная уменьшением соотношения Cu и Mo в крови (В.В. Ковальский).
Особенно подвержены молибденозису ландшафты с карбонатными почвами, в
которых Мо подвижен, доступен растениям и через воду и корма поступает в
организмы животных и человека.
Миграция молибдена в ландшафтах и его доступность растениям определяются
щелочно- кислотными и окислительно- восстановительными условиями.
В гумидных ландшафтах с кислыми, слабокислыми и нейтральными водами и
почвами Мо малоподвижен, т . к . легко сорбируется гидроксидами Fe и Al,
фиксируется Р, осаждается на восстановительных барьерах в глеевых горизонтах
луговых и болотных почв. Воды здесь относительно бедны Мо (среднее по С.Л .
Шварцеву 1,4 мкг/л), растения страдают от его недостатка (особенно бобовые,
томаты), необходимо внесение молибденовых микроудобрений (
Полесье,
Мещера). Известкование кислых почв способствует переводу малодоступного
растениям Мо в более подвижную форму. Все же на кислых почвах биологическое
поглощение Мо достаточно активно, например, в золе древесных и кустарниковых
растений Мещеры его кларк концентрации достигает 10 --- 15, а по отношению к
местным породам --- 20 --- 25. Концентрируют Мо в Мещере тополь и дуб (КК >
10) (И.А. Авессаломова).
Из- за слабой подвижности в кислой среде радиальная дифференциация Мо в
лесных почвах малоконтрастна. На песках проявляется его биогенная
аккумуляция в гумусовых горизонтах дерново- подзолистых почв. В отличие от
тяжелых металлов, подвижных в кислой среде, Мо практически не выносится при
подзолообразовании. Латеральная миграция Мо в таежных ландшафтах не
выражена.
В региональной миграции Мо с речным стоком преобладают взвешенные
формы (в реках мира примерно 75%), однако доля растворенных форм может
достигать 60% (реки Черноморского бассейна), т . е . больше, чем у многих других
элементов (И.И. Волков, Г.С. Коновалов).
В щелочной окислительной среде аридных ландшафтов Мо более подвижен,
участвует в испарительной концентрации и латеральной миграции. По С.Л.
Шварцеву, его среднее содержание в грунтовых водах в аридных областях в 3,5
раз больше (4,7 мкг/л), чем в гумидных.
Во многих районах почвы степей и пустынь обогащены Мо, что связано с
несколькими факторами. Так, относительно высокое содержание Мо в лёссах
Русской равнины, морских отложениях Прикаспия, четвертичных отложениях
Приуралья способствует его концентрации в почвах (литогенный фактор). В
Барабе, Кулунде, многих районах Казахстана и Монголии накопление Мо в почвах
связано с процессами локальной и региональной миграции и испарительной
концентрации из обогащенных грунтовых и подземных вод. Большую роль здесь
играют процессы содового выщелачивания из почв и пород. Наибольшая
подвижность характерна для солонцовых ландшафтов, где виды из семейств
Рис. 30.10. Молибден в золе растений
М угоджар и Центрального Казахстана (по
Н . С . Касимову) I - древесные растения (5),
II - злаки (П), III - маревые (14), IV -
сложноцветные, полыни (9). В скобках
число видов (всего более 1000 проб).
сложноцветных (особенно полыни), маревых и злаков (чий, типчак) являются
концентраторами Мо. Древесные и кустарниковые растения (береза, осина, ива),
растущие на нейтральных и слабокислых осолоделых и торфяно- глеевых почвах,
как и в гумидных ландшафтах, обеднены Мо (рис. 30.10), несмотря на его
концентрацию в этих почвах (L=3 --- 5; n --- n.10 КК), в которых он осаждается на
кислых и глеевых геохимических барьерах (Н.С . Касимов, А.И. Перельман, С.И.
Сотникова).
В пустыня и сухих степях, кроме литогенного фактора, основными причинами
формирования молибденовых аномалий служит испарительная концентрация в
солончаках, особенно сульфатных, где его содержание в солевых горизонтах
достигает 3 --- 5, а иногда и более кларков
концентрации. Характерно осаждение Мо
на
сероводородном барьере
в
гидротроилитовых горизонтах соровых
солончаков, накопление в соляных озерах.
Молибден, поступающий с речным
стоком в океан, слабо накапливается в морской воде, талассофильность его такая
же,какуU,Sn,Li,F.
Молибден в ноосфере. Технофильность Мо высокая, как у Zn и S, но так как он
не относится к наиболее опасным токсикантам, его поведение в техногенных
ландшафтах изучено слабее, чем тяжелых металлов.
Источники поступления Мо в окружающую среду довольно разнообразны.
Наиболее интенсивное воздействие на ландшафты оказывают горно-
металлургические молибденовые комбинаты (
например, Тырныауз в
Приэльбрусье), в пылях которых содержание Мо достигает нескольких сот и даже
тысяч кларков концентрации. На машиностроительных заводах его много в пыли
цехов по обработке черных металлов, инструментальных цехов (n.100 КК).
Производство керамзита, перлита, масляных красок, выплавка Al и Sn, ТЭЦ на
угле и мазуте (n.10 КК) --- тоже важные источники техногенной эмиссии Мо.
Вблизи источников загрязнения в почвах, растениях и донных отложениях
формируются техногенные аномалии Мо, контрастность которых значительно
меньше, чем у других тяжелых металлов. Из- за своей подвижности Мо не
образует контрастных техногенных ореолов даже в донных осадках, куда он
поступает с местным стоком (за исключением участков сероводородных
геохимических барьеров в илах, где концентрируется).
Селен --- Se (34; 78,96). Этот ближайший сосед серы в Периодической системе
очень похож на нее по химическим свойствам. Как и сера, Se --- анионогенный
элемент с переменной валентностью. Для него характерны селеноводород (H2 Se),
селенистая (H2SeO3) и селеновая кислоты (H2SeO4) --- аналоги H2S, H2SO3 и
H2SO4. Соли селеновых кислот --- селениды, селениты и селенаты --- аналогичны
сульфидам, сульфитам и сульфатам. Однако в биосфере Se мигрирует менее
интенсивно, чем S, что объясняется более легкой восстанавливаемостью его
соединений. Во многих системах, где S находится в подвижной сульфатной
форме, Sе может быть только в малоподвижной форме элементарного селена или
селенидов.
Cпособность к концентрации у Se значительная, и , несмотря на низкий кларк
(5.10-6%), он образует 38 самостоятельных минералов, входит в состав сульфидов
и элементарной серы (как примесь).
Селен в биосфере. Источником Sе для биосферы служат изверженные горные
породы, вулканические дымы, гидротермы. Поэтому в районах современного и
древнего вулканизма почвы и осадочные породы нередко им обогащены. Из- за
того что вулканическая сера сильно обогащена Se (до 200.10-6%), пермские
глины, формировавшиеся в эпохи интенсивного вулканизма, содержат в сотни раз
больше Sе , чем другие осадочные породы.
Для растений и животных Sе ядовит, его соли опаснее солей As, но в малых
количествах он необходим для жизни. Известны концентраторы Sе: бобовые
растения, капуста, овес, некоторые грибы. Микроорганизмы, аналогичные
серобактериям, окисляют элементарный селен до селенитов (Seo --- SeO32-). В
целом биофильность Sе довольно высокая, лишь в 2 раза меньше, чем у S
(превышает биофильность K и Cа).
Среднее содержание Sе в почвах земного шара близко к его кларку --- 0,4 мг/кг
(А.Кабата-Пендиас). В растениях фоновые содержания Sе не превышают 10 мг/кг
сухой массы.
В гумидных ландшафтах подвижный Sе мигрирует в форме ионов HSeO3- и
SeO32-, которые сорбируются гидроксидами F
е , глинами, органическим
веществом. Среднее содержание Sе в грунтовых водах 0,8 мкг/л (С.Л . Шварцев).
Cелениты легко восстанавливаются до малоподвижного элементарного Seо и
накапливаются в глеевых горизонтах болотных почв (восстановительный барьер
C2, C3), особенно в присутствии органического вещества. В подзолистых почвах
Sе накапливается вместе с Fе в иллювиальных горизонтах. В кислых ландшафтах
отмечается дефицит Sе у животных ("беломышечная болезнь") и человека. Слабая
миграция Sе определяет его задержку на материках --- он слабо поступает со
стоком в моря и океаны, пути его миграции с S расходятся.
В степях и пустынях в щелочной окислительной среде возможно окисление Seо
и Se2- до SeO32-
. Поэтому в аридных ландшафтах Sе аналогичен S и более
подвижен. Грунтовые и подземные воды здесь в 4 раза им богаче (3,1 мкг/л), чем
в гумидных ландшафтах.
В районах распространения пород, обогащенных Sе , или его месторождений
встречаются селеноносные солончаки с селенатами Nа , где Sе концентрируется на
сульфидном и испарительном барьерах (n.100 --- n.1000 КК, по В.Д.
Сидельниковой).
В некоторых аридных ландшафтах Тувы, Австралии, запада США, почвы
которых обогащены Sе , произрастает особая "селеновая флора" (астрагалы и др.)
с содержаниями Sе до 1000 мг/кг сухой массы (В.В. Ермаков, Ч. Эванс). Питаясь
такими травами, домашние животные заболевают "щелочной болезнью".
Селен энергично мигрирует в кислородных подземных водах (по В.Д.
Сидельниковой, средний Кх = 5). Из них он осаждается на восстановительных
барьерах вместе с U, Mо , Rе (характерная парагенная ассоциация гидрогенных
месторождений урана). Максимальны содержания (n.10 мкг/л) Sе в кислородных
сульфатных и сульфидных водах (С.Р. Крайнов, В.М. Швец).
Селен в ноосфере. Биогеохимическая активность Se определяет его значение
при эколого- геохимических оценках ландшафтов. Основными источниками
техногенного Se являются угольная пыль, шлаки, сульфидные руды (попутная
добыча с Cu и другими металлами), руды U, металлообрабатывающая и
электротехническая промышленность, производство керамики, бумаги. Велико
поступление Se с атмосферными выпадениями (13,7 тыс. т/год).
Средний глобальный модуль техногенного давления Se составляет 0,069 кг/км2
год. Но в Западной и Центральной Европе, Корее этот показатель выше на два
порядка. На территории России техногенное давление Se резко дифференцировано
в зависимости от промышленной нагрузки и плотности населения и достигает
высокого уровня в наиболее освоенной степной зоне Восточно-Европейской
равнины и Западной Сибири.
М.А. Глазовская произвела группировку почв России по эколого- геохимической
устойчивости к загрязнению Sе и потенциальной опасности его техногенного
накопления. Учитывалось наличие или отсутствие в профиле почвы
геохимических барьеров --- концентраторов Se (хемосорбционные ---
торфянистые, грубогумусные и гумусовые горизонты, горизонты ожелезнения,
оглеения, скопления карбонатов, соленакопления).
В зависимости от щелочно- кислотных условий М .А. Глазовская выделила пять
ассоциаций почв по эколого- геохимической устойчивости к накоплению Sе :
--- Очень низкая. Сильнощелочные почвы (рН > 8,5)
--- Низкая. Умеренно щелочные (рН 7,0 --- 8,5)
--- Средняя. Нейтральные и слабокислые почвы (рН 5,5 --- 7,0)
--- Повышенная. Кислые почвы (рН 4,0 --- 5,5)
--- Высокая. Сильнокислые почвы (рН < 4)
Таким образом, эколого- геохимическая устойчивость почв к Sе зональна и
понижается с севера на юг, от зоны тундровых и подзолистых почв к почвам
лесостепи, черноземам, каштановым и бурым пустынно- степным почвам. В
пределах одной зоны в депрессиях рельефа нередко образуются природные и
усиливаются техногенные аномалии Sе .
В техногенных ландшафтах особенно высокие концентрации селена
установлены в съедобных грибах, листьях деревьев, бобовых (n.10 мг/кг сухой
массы), но токсичное действие Sе на растения начинает проявляться при его
концентрациях в сотни и даже тысячи раз меньших. С каждым годом расширяется
информация о дефиците Se в пищевом рационе населения многих стран, с чем
связывают разнообразные заболевания. В качестве необходимого микроэлемента
Se включен во многие витаминные препараты.
Золото --- Au (79; 136,9665). Это очень редкий металл с кларком 4,8.10-7%.
Биофильность Au значительна, известны организмы- концентраторы этого
металла. В ландшафтах золоторудных месторождений оно накапливается и в
растениях, и в животных. При эрозии гидротермальных месторождений Au
образуются его россыпи на склонах и в долинах рек. Однако Au мигрирует не
только механическим путем, осаждаясь в местах понижения скорости потока, но и
в растворенном состоянии. Известны легкоподвижные неорганические анионные
комплексы (хлориды, бромиды, иодиды, цианиды и др.) и органо- минеральные
соединения. Водные потоки рассеяния Au установлены в Забайкалье и на рудных
месторождениях Средней Азии. Подземные воды здесь содержат во много раз
больше золота по сравнению с безрудными территориями. Относительно
обогащены Au и некоторые соленые подземные воды нефтегазоносных бассейнов,
например, на севере Томской области (Au там больше, чем в морской воде).
В целом в кислородных водах Au мигрирует энергично, примерно так же, как
Nа , Cа , Mg, Zn, Sr, F, Mо и другие подвижные элементы. Таким образом, вопреки
имевшимся представлениям об инертности Au (благородный металл) в
окислительных условиях оно не менее энергичный водный мигрант, чем Са (А.И .
Перельман).
В гумидных ландшафтах важной формой нахождения Au в водах являются
комплексы с органическими веществами. Если принять, по С.Л . Шварцеву,
среднее содержание Au в водах зоны гипергенеза 0,025 мкг/л и среднюю их
минерализацию 431 мг/л , то получим коэффициент водной миграции 10---12.
Подобная энергичная водная миграция Au объясняется двумя основными
причинами. Первая --- свойства самого металла, связанные с его положением в
Периодической системе, способностью образовывать растворимые комплексные
соединения. Однако большую роль играет и сверхнизкий кларк Au, определяющий
очень низкое содержание металла в природных водах. При подобном рассеянии
осаждение элемента часто не контролируется законами растворимости: при более
высоком кларке (например, как у Cu) интенсивность миграции Au была бы
намного ниже, во всяком случае не больше, чем у Cu, интенсивность миграции
которой в десятки раз меньше.
Представлениям о слабой миграции золота способствовало его нахождение в
россыпях в самородном состоянии и , следовательно, миграция во взвешенной
форме или путем волочения зерен по дну реки. Однако самородное состояние не
характеризует интенсивность миграции, а свидетельствует только о форме
осаждения, связанной с физико- химическими свойствами золота. Так, осаждение
из вод кальцита не говорит о плохой водной миграции Са, просто свойства Са
таковы, что он осаждается в виде кальцита, а свойства Au --- в самородной форме.
В кислородных водах Au мигрирует в одновалентном состоянии, в виде
различных комплексов и осаждается на восстановительном барьере. Сибирский
геолог М.Ф. Шелковников, много лет изучающий золотые россыпи на севере
Бурятии, пришел к выводу о важной роли мерзлотных процессов в образовании
россыпей. Его исключительно интересные построения позволили А .И.
Перельману предположить, что с распространением мерзлоты связана важная
закономерность размещения россыпей. Давно установлено, что золотые россыпи
характерны для Урала, Сибири, Северного Казахстана, но их нет в Средней Азии
и в других южных районах, хотя коренные месторождения Au там известны. Это
можно объяснить длительной и морозной зимой северных регионов,
благоприятствующей ледоставу на реках (многие месяцы). Как ведет себя Au в
таких условиях? В теплое время года в окислительных условиях оно может
мигрировать в растворенном состоянии, например, в форме органических
комплексов. Речная вода содержит и растворенный кислород, поступающий в нее
из атмосферы. Но зимой ледостав препятствует проникновению в воду кислорода,
а дыхание рыб и других организмов (вплоть до бактерий) постепенно изымает его
из воды. Об этом свидетельствуют заморы, когда рыба в конце зимы начинает
задыхаться под ледяным панцирем. В благоприятных по геоморфологическим
условиям участках речного дна должны возникать восстановительные глеевые
барьеры, на которых может осаждаться самородное Au, формироваться россыпь.
Отсутствие ледяного покрова на южных реках исключает приведенный механизм
формирования восстановительного барьера и осаждение самородного золота.
Наиболее благоприятными с этих позиций для формирования россыпей были
эпохи оледенений четвертичного периода с их очень суровыми зимами. Подобные
условия создавались и в тех районах, где ныне многолетняя мерзлота отсутствует,
например в Северном Казахстане. Эта гипотеза хорошо объясняет и такие факты,
как частичное возобновление отработанных россыпей в Сибири, наращивание
золотинок. Следовательно, концентрацию Au в россыпях нужно рассматривать
также с позиций теории геохимических барьеров. Приведенный физико-
химический механизм образования россыпного Au на восстановительном барьере
не исключает традиционного объяснения его концентрации на механическом
барьере в результате разрушения гидротермальных руд и миграции золотинок во
взвешенном состоянии.
Среднее содержание Au в почвах составляет, по- видимому, 1 --- 2 мкг/кг, но в
районах золоторудных месторождений в почвах установлены сотни и даже тысячи
кларков концентрации металла (Н.А. Росляков).
На энергичную водную миграцию золота указывает и его высокое содержание в
растениях, существование видов- концентраторов (хвощи, конский щавель и др.).
Зола конского щавеля в безрудных районах Аляски содержит 0,1 --- 0,5 мг/кг
золота (Г. Кэннон) --- 20 --- 100 кларков концентрации. Это позволяет отнести Au
к элементам интенсивного биологического накопления.
Существует еще один механизм концентрации Au в биосфере --- сорбция из
растворов, приводящая к образованию его неминеральных форм в глинах, углях и
других породах.
Итак, главные процессы накопления Au в ландшафтах связаны с процессами
восстановления и сорбции. Отсюда очевидна характерная для биосферы
исключительная роль органического вещества в геохимии Au.
Золото в ноосфере. Его технофильность очень высока, выше, чем у Cu, Ag, Hg.
Золото --- один из немногих элементов, концентрируемых человечеством (в
банках).
Рений --- Re (75; 186,207). Рений был открыт немецкими геохимиками И. и В.
Ноддаками в 1925 г ., но предсказан Д.И. Менделеевым еще в 1871 г. По
химическим свойствам он наиболее близок к Мо, менее --- к W, Pt и платиноидам,
Cu, U, Co. Рений один из наиболее редких и рассеянных элементов земной коры с
ориентировочным кларком 7.10-8%.
В биосфере его валентность +4, +7, что определяет важную роль окислительно-
восстановительных реакций в геохимии этого металла. Соединения Re+4
труднорастворимы, а некоторые перренаты --- соли рениевой кислоты HRe
O4(Re+7) --- легкорастворимы.
Рений активно участвует в биогенной и водной миграции. Им относительно
обогащена зола морских водорослей, раков, рыб, в районах урановых
месторождений США --- зола астрагалов.
Характерна связь Rе с органическим веществом --- его содержание повышено в
углеродистых сланцах, бурых углях, битумах, нефтях. Летучесть соединений
определяет возможность воздушной миграции рения при вулканизме (бурые угли
вулканических районов наиболее обогащены Rе).
Водная миграция Re контрастна и аналогична миграции Mo, U, Se --- он
энергично мигрирует в кислородных водах и плохо в водах с восстановительной
средой, осаждаясь, как и эти элементы, на восстановительном барьере. В
гидрогенных месторождениях урана установлен парагенезис U, Mо , Se, V, Re.
Следы Rе также обнаружены в водах угольных шахт.
Океаническая вода содержит 4.10-9 г/л Rе (ReO4 -), что определяет высокую
талассофильность, большую, чем у Na, Mg, U, Mo, F, J.
Рений в ноосфере. Это металл новой техники, его технофильность выше, чем у
большинства металлов, но поведение в техногенных ландшафтах практически не
изучено.
30.3. Катионогенные элементы, подвижные в глеевой обстановке
и инертные в окислительной и сероводородной --- Fe, Mn, Co
По строению атомов, распределению и миграции в земной коре Mn и Co тесно
связаны с главным элементом группы --- Fе . Разновалентность определяет
большую роль окислительно- восстановительных условий в их геохимии (особенно
у Fe и Mn), большое влияние оказывают и щелочно- кислотные условия. Биогенная
миграция также играет важную роль.
Железо --- Fe (26; 55,847). Благодаря высокому кларку (4,65%) и химическим
свойствам Fе играет важнейшую роль в природных и техногенных ландшафтах.
Среди металлов по распространенности оно занимает второе после алюминия
место и четвертое среди элементов земной коры. После F
е(№26)в
Периодической системе нет элементов с высокими кларками. Известно свыше 300
собственных минералов F
е --- оксидов, сульфидов, силикатов, карбонатов,
фосфатов и др.
Высоки содержания Fe в каменных метеоритах (25%), ультраосновных (9,85%)
и основных (8,56%) породах. В кислых породах --- гранитах лишь 2,7% Fe, еще
меньше в песчаных и карбонатных осадочных породах --- менее 1%.
Железо в биосфере. Для геохимии Fe особенно важны окислительно-
восстановительные реакции Fe+2 Fe+3. Катион Fe+2 по свойствам близок к
другим двухвалентным катионам, его миграционная способность высока в кислых
водах и низка в щелочных. Fe+3 подвижен только в сильнокислых средах.
По С.Р. Крайнову и В.М. Швецу, в кислородных околонейтральных водах при
отсутствии или малом содержании в них органических веществ почти все Fе
находится в форме Fe (OH)3о . При рН > 5 окисление и гидролиз неорганических
соединений двухвалентного железа приводят к переходу его из растворенного в
коллоидное состояние. В бескислородных и бессульфидных (глеевых) водах
преобладает Fe+2, а также FeHCO3о , FeSO4 o и FeCO3 o , что создает возможность
его быстрого осаждения на кислородном барьере А6, А7 (Fe+3). Особенно высока
подвижность Fе в сильнокислых и кислых глеевых водах. В сероводородных
водах оно местами находится в растворенном состоянии в форме гидросульфидов
Fe (НS)n2-n. С органическими веществами Fe легко образует устойчивые
фульватные и низкомолекулярные карбоновые комплексы, предохраняющие его от
гидролиза даже в нейтральных средах. Коллоидные гидроксиды Fe в кислой среде
заряжены положительно и сорбируют анионы, а при нейтральных рН ---
отрицательно и сорбируют катионы. Поэтому в кислых и нейтральных средах
парагенезисы элементов в гидроксидах железа разные. В первом случае это P, As,
Mo, Cr, V, во втором --- Mn, Cu, Co, Ni, Pb.
Соотношение взвешенных и растворенных форм Fe в поверхностных водах
зависит от рельефа (
мутность), щелочно- кислотных и окислительно-
восстановительных условий, содержания органического вещества и других
факторов. Реки ежегодно выносят в моря 9,6.108 т Fe, в том числе 98% во
взвешенном состоянии. Поэтому морская вода бедна Fe, талассофильность его
ниже, чем у большинства металлов. Однако воды рек и водохранилищ гумидных
равнин содержат до 10 --- 30% растворенного железа. Гумусовые и другие
органические кислоты имеют в этих ландшафтах определяющее значение для
комплексообразования Fe.
Железо --- важный биоэлемент, оно участвует в образовании хлорофилла при
фотосинтезе, входит в состав гемоглобина, участвует в кроветворении. Окисление
Fe+2 происходит, как правило, при участии микроорганизмов, а при рН < 5 ---
только микробиологическим путем.
Хотя аморфные соединения Fe в почвах составляют лишь первые проценты от
валового содержания, их значение в миграции этого металла велико. Как правило,
они образуются в восстановительных условиях при разрушении (растворении)
окристаллизованных форм. Это в основном оксалатнорастворимые формы,
переходящие в так называемую вытяжку Тамма. Вместе с обменным и
водорастворимым Fe все эти формы часто объединяют в "подвижное железо".
Таким образом, это преимущественно коллоидные, органо- минеральные и
истинно-растворимые формы. Важнейшую роль в мобилизации и миграции
подвижного Fe играют гумусовые кислоты и микроорганизмы.
Несмотря на важную роль в ландшафтах, Fe в связи с высоким кларком не
накапливается биогенным путем в растениях, животных и почвах, т . е .
биофильность его низкая. Исключение составляют железобактерии, для которых
окисление двухвалентного Fe является источником энергии --- дыхательным
актом. С этими процессами связывают образование некоторых железных руд.
Среднее содержание Fe в золе наземных растений 0,3 --- 0,5%, в зерне хлебных
злаков оно изменяется от 25 до 80 мг/кг сухой массы (А. Кабата-Пендиас). При
дефиците железа у растений развивается хлороз. Для сельскохозяйственных
растений в засушливых районах возможна дефицитность Fe, в связи с его низкой
подвижностью в аэрируемых нейтральных и слабощелочных почвах. В
сильнокислых и периодически затопляемых почвах подвижность железа высокая и
растения поглощают его активно. При высоких содержаниях подвижного Fe
(свыше 500 мг/кг) появляются симптомы токсичности.
Миграция железа в гумидных и аридных ландшафтах главным образом из- за
различий рН и Еh не одинакова. В гумидных ландшафтах Fe относительно
подвижно, особенно оно энергично мигрирует в болотных водах и глеевых
почвах, растения здесь обогащены Fе (мхи и др.). При встрече глеевых вод с
кислородом воздуха оно легко окисляется и в виде гидроксидов осаждается на
кислородном барьере А6. Так образуются озерные и болотные железные руды. В
ферраллитных почвах тропиков и субтропиков периодическая миграция Fe во
влажный сезон приводит к формированию кислородных барьеров и , как
следствие, железистых конкреций (до 50 --- 60% Fe2O3), а также гидрогенных
аккумуляций Fe (железистых кирас) в подчиненных ландшафтах. Особенно
Рис. 30.11. Марганец и другие химические элементы
в железистых (1) и марганцевых (2) конкрециях
миоценовых отложений Центрального Казахстана
(по А.И. Перельману, Н.С. Касимову и др.).
обогащены им почвы и коры выветривания на ультраосновных породах,
окрашенные в яркие красные, малиновые и фиолетовые тона. Менее интенсивны
миграция и концентрация Fe в таежных ландшафтах.
На участках окисления сульфидных руд и пиритоносных осадочных пород во
всех климатических условиях за счет окисления пирита формируются
сернокислые растворы, Fe мигрирует энергично, часть его осаждается, образуя
" железную шляпу" месторождений.
В степях и пустынях в щелочной среде железо малоподвижно, его содержание
в водах и организмах низкое. Только при дополнительном грунтовом и
поверхностном увлажнении в оазисах возможно его более активное поглощение
травянистыми и кустарниковыми растениями. Это установлено, например, в
оазисах пустыни Гоби (Монголия), где травы и кустарники содержат до 1500 ---
200 мг железа на кг сухой массы. Обнаружены и концентраторы железа,
например, луки, содержащие в сухой массе до 5000 мг/кг Fe (Н .С. Касимов, А.К.
Евдокимова).
В биосфере велика роль Fe как хромофора: его гидроксиды имеют красную,
бурую, малиновую, оранжевую и другие окраски (
в зависимости от
кристаллической структуры, содержания воды и других причин). Именно с этим
связана красная окраска почв и коры выветривания тропиков, красно-бурые тона
покровных и валунных суглинков.
Железо в ноосфере. Значение Fe в истории цивилизации исключительно,
причем в ноосфере, как и в земном ядре, преобладает металлическое железо. На
его получение затрачивается огромная энергия, ежегодная добыча составляет
сотни миллионов тонн, что на порядок больше, чем его выносится с речным
стоком. Много металла теряется при коррозии. Все же технофильность Fe ниже,
чем у многих металлов, что объясняется не малым его применением, а высоким
кларком. Модуль техногенного давления Fe один из самых больших --- как у Na,
Cl и Ca, он составляет 500 --- 1000 кг/км2. год (Н .Ф. Глазовский). Добывая Fe из
земных глубин, ежегодно переводя большие его количества из техногенных
потоков в природные, человечество способствует "
ожелезнению" ландшафтов
(М.А. Глазовская).
Марганец --- Mn (25; 54,9380). Кларк марганца 0,1%. Известны 179 его
минералов, большая часть которых образовалась при высоких температурах и
давлениях. Обогащены марганцем основные породы, в результате размыва
которых
и дальнейшего
обогащения
образовались многие осадочные марганцевые
руды.
Важнейшее химическое свойство марганца,
определяющее
его
геохимию
---
поливалентность: он может находиться в
восьми степенях окисления --- от 0 до +7, но
для биосферы и ландшафтов характерны
только Mn+2, Mn+3 и Mn+4. Важнейшими
минералами марганца являются оксиды и
гидроксиды (
пиролюзит,
псиломелан,
манганит), карбонаты (родохрозит) и др.
Гидроксиды марганца (гели, дендриты,
конкреции) сорбируют энергично многие химические элементы. Заряженные
отрицательно, они служат сорбционным геохимическим барьером для кобальта,
никеля, свинца, меди, бария и других тяжелых металлов, мигрирующих в
основном в катионной форме, а также для некоторых анионогенных элементов
(молибдена, ванадия). Содержания этих металлов в марганцевых конкрециях
достигают десятков кларков концентрации, значительно больше, чем в
железистых новообразованиях (рис. 30.11). Парагенезисы элементов зависят и от
металлогенической специализации регионов: на рудных полях полиметаллических
месторождений марганцевые конкреции из рыхлых отложений сильнее
концентрируют Pb, Zn, Ni, Co; в районах медного оруденения --- Cu и Mo.
Свойство гидроксидов Fe и Mn избирательно накапливать химические элементы
используется при геохимических поисках рудных месторождений.
Марганец в биосфере. Поведение и формы нахождения Mn в биосфере
определяются в основном соотношением рН и Еh. Несмотря на близость многих
химических свойств, Mn+2 более активный водный мигрант, чем Fe2+. Поэтому
во многих природных системах пути их миграции расходятся: Mn может
находиться в растворе в таких водах, где Fe выпало в осадок. Так, диапазон его
миграции распространяется на нейтральные и слабощелочные среды, где Fe
малоподвижно. В целом Mn2+ лучше мигрирует в восстановительной кислой
обстановке, при повышении рН его миграция ограничивается реакциями
гидролиза. В резкоокислительной щелочной обстановке Mn2+ окисляется до трех-
и четырехвалентного состояния и малоподвижен. Поэтому в биосфере водная
миграция Mn ограничивается кислородными и щелочными геохимическими
барьерами.
В природных водах марганец мигрирует в основном в простой катионной форме
(Mn+2). Среди тяжелых металлов он имеет самую низкую способность к
комплексообразованию, его органические комплексы наименее устойчивы. Доля
закомплексованного растворенного Mn в поверхностных водах обычно не
превышает 25 --- 30% (Линник, Набиванец). Подавляющая часть марганца в
природных водах мигрирует во взвешенном состоянии (более 90%). Способность
к окислению и адсорбции неорганическими лигандами (
кислородный и
сорбционный барьеры) способствуют накоплению Mn в донных отложениях.
Талассофильность Mn низкая, она лишь несколько больше, чем у железа,
кремния.
Биофильность Mn высокая, больше, чем у железа. Это один из наиболее
распространенных микроэлементов. В растениях он влияет на фотосинтез,
дыхание, ассимиляцию азота, у животных --- на рост скелета, размножение.
Известны болезни растений и животных, связанные с дефицитом и избытком Mn в
ландшафтах.
Среднее содержание Mn в золе наземных растений 0,70% (7 КК), т . е. он
относится к элементам среднего биологического накопления. Известны
организмы- манганофилы: некоторые железобактерии, желтые муравьи, береза,
ель, сосна, дуб, многие водные растения (камыш, тростник).
Четко выражена биогенная аккумуляция Mn в почвах --- его кларк в почвах
мира (0,5%) в 5 раз выше кларка литосферы (0,1%). В большинстве почв Mn
аккумулируется в органогенных и ожелезненных горизонтах.
В гумидных ландшафтах (тайге, тундре, влажных тропиках) в характерных для
них кислых почвах и водах и особенно в кислых глеевых ландшафтах
заболоченных аккумулятивных равнин Mn мигрирует энергично. В местах выхода
глеевых вод на поверхность, на контакте глеевых и окислительных горизонтов
заболоченных почв, на дне рек и озер формируется кислородный геохимический
барьер А6, на котором осаждаются гидроксиды марганца (Mn+3, Mn+4) --- черные
коллоидные минералы из группы псиломелана (MnO.n MnO2.H2O) в виде
примазок, дендритов, конкреций. Часто Mn осаждается вместе с Fe, образуя
железо- марганцевые конкреции.
Многие растения гумидных лесных ландшафтов обогащены Mn, занимающим
среди микроэлементов обычно первое место в рядах биологического поглощения
(табл. 7.2). В южнотаежных ландшафтах Валдая средний АMn равен 10,
увеличиваясь до 12 --- 13 во мхах и лишайниках (Е.М. Никифорова). В
заболоченных ландшафтах Мещеры он еще более подвижен и большинство
древесных и кустарниковых растений имеет АMn более 10, на песчаных почвах до
100n (И.А. Авессаломова).
В лесостепи, а также в лесных ландшафтах на карбонатных породах пути
миграции Mn и Fe расходятся. Если Fe в этих ландшафтах даже в болотах
малоподвижно (из- за нейтральной и слабощелочной реакции вод), то на
кислородных барьерах А7 осаждаются гидроксиды Mn без Fe или бедные Fe. Все
же в ландшафтах широколиственных лесов подвижность и интенсивность
биологического поглощения Mn снижаются и средние А Mn обычно не более 3 --- 4
(И .Г. Побединцева). Известны широколиственные деревья- концентраторы Mn
(клен, дуб). В лесных ландшафтах деревья в 5---10 раз богаче Mn, чем травы (за
исключением гидрофитов).
Радиальная геохимическая дифференциация Mn в лесных почвах определяется
двумя геохимическими барьерами: биогеохимическим --- биогенной аккумуляцией
в подстилке и гумусовых горизонтах и кислородным --- на границе
восстановительной и окислительной обстановок в почвах с переменным
окислительно- восстановительным режимом. Биогенная аккумуляция хорошо
выражена в песчаных дерново- подзолистых и серых лесных почвах и наиболее
ярко в почвах на массивно- кристаллических породах (рис. 30.12). На кислородном
барьере в примазках и конкрециях содержание Mn достигает десятков КК. В
ландшафтах на карбонатных породах его миграция значительно слабее, чем на
силикатных.
В кислых и кислых глеевых лесных ландшафтах энергична латеральная
миграция Mn с накоплением в супераквальных ландшафтах.
В степных и пустынных ландшафтах щелочная окислительная среда
препятствует миграции Mn. Черноземы и каштановые почвы обычно содержат
значительно больше Mn, чем дерново- подзолистые и подзолистые почвы (В.Б.
Ильин, М.А. Мальгин). Растения степей и пустынь, как правило, обеднены Mn.
Среди главных степных и пустынных видов нет его концентраторов. Только у
некоторых водных растений и древесных пород, произрастающих в условиях
дополнительного увлажнения (береза, ива) или на кислых горных породах (сосна),
Рис. 30.12. Биогенная аккумуляция марганца: 1 --- дерново-подзолистые глеевые песчаные почвы Мещеры
(по И.А. Авессаломовой), 2 --- дерново-подзолистые почвы на гранитах Среднего Урала (по
Н.П. Солнцевой).
коэффициенты биологического поглощения Mn больше единицы (Н.С. Касимов).
Марганец в ноосфере. Использование Mn в основном связано с Fe, их
технофильность одинакова. Техногенный Mn поступает в ландшафты при
выплавке черных металлов, ферросплавов, производстве сельскохозяйственной
продукции, со сточными водами городов. Однако он не образует контрастных
техногенных аномалий и не оказывает сильного токсического действия на
организмы. Поэтому Mn не относят к числу приоритетных загрязнителей.
Кобальт --- Со (27; 58,9332). Кларк Со 1,8.10-3%. По химическим свойствам он
близок к Ni. В земной коре, как и Ni, он накапливается в ультраосновных породах
(8 --- 10 КК), кислые породы обеднены Со. Известно 28 его минералов, он входит
также в состав минералов As, S, Se и наиболее часто --- Fe и Mn.
Кобальт в биосфере. Наиболее распространены соединения Со+2, обладающие
катионогенными свойствами. В отличие от Ni в биосфере возможно окисление
двухвалентного кобальта до трехвалентного состояния, аналогичного
трехвалентному железу. Соединения Со+3 обладают сильными окислительными
свойствами.
Поведение и формы миграции Со в водах во многом определяются рН и Еh, но
все же в значительно меньшей степени, чем у ряда других тяжелых металлов, т. к .
он менее подвержен гидролизу и вплоть до рН = 9,0 может существовать в виде
свободных ионов Со+2. В сильнощелочных растворах возможны нейтральные и
анионные гидроксокомплексы. Около половины растворенных форм Со находится
в закомплексованном состоянии (гидрокарбонатные и фульватные комплексы),
другая половина --- в свободном состоянии. Среднее содержание Со в грунтовых
водах гумидных областей составляет 0,64 мкг/л , в более минерализованных водах
континентальных областей оно достигает 1,21 мкг/л (С.Л. Шварцев). В водах
резко преобладают взвешенные формы миграции.
Кобальт играет важную роль в организмах, оказывая стимулирующее влияние
на фотосинтез, дыхание, водный обмен, входя в состав витамина В12, влияя на
азотный обмен, содержание хлорофилла и аскорбиновой кислоты, кроветворение.
При недостатке витамина В12 развивается малокровие.
Среднее содержание Со в золе растений континентов составляет 1,5.10-3%, т . е .
0,8 КК. Как и другие тяжелые металлы, он накапливается мхами и лишайниками.
Деревья и кустарники (березы, тополь, дуб, ива) активнее поглощают кобальт,
чем травы. На рудных полях кобальтовых месторождений растут концентраторы
Со. Например, в Африке на медно- кобальтовом месторождении провинции Шаба
(Республика Заир) кобальтофилы содержат 0,5% металла в золе.
Кларк Со в почвах мира 0,8 --- 0,9.10-3%, т . е . почти в 2 раза меньше кларка
литосферы и больше соответствует его содержанию в гранитоидах и осадочных
породах.
В гумидных ландшафтах Со относительно подвижен. Слабая аккумуляция
растениями не препятствует его выносу из верхних горизонтов подзолистых и
дерново-подзолистых почв. В результате кислого выщелачивания Со
относительно накапливается в иллювиальных горизонтах лесных почв (R = 1,5 ---
2,0) и почвах подчиненных ландшафтов (L = 1,4 --- 1,7) (Е.М. Никифорова, И.А .
Авессаломова). Особенно бедны Со песчаные почвы, в таких ландшафтах
Шотландии, Австралии, Белоруссии, Латвии, нечерноземных регионов России
домашние животные болеют акобальтозом. Требуется подкормка и удобрение Со.
Сорбция Со гидроксидами Fe и особенно Mn, глинистыми минералами
(сорбционный барьер G2) ограничивает его водную миграцию в лесных
ландшафтах.
В слабокислой и нейтральной среде серых лесных почв лесостепи миграция Со
ослабевает, отмечается его слабое накопление в гумусовых горизонтах,
усиливается биогенная аккумуляция травами. Для ландшафтов широколиственных
лесов латеральная миграция Со не характерна (И.Г. Побединцева).
В степях и пустынях миграция Со еще больше ослабевает. КК и АСо у
большинства видов степных растений меньше 0,5. Слабо его концентрируют
корни трав (КК = 1 --- 2), а также надземные органы полыни белоземельной и
камфоросмы монпелийской (
М.Д. Скарлыгина-Уфимцева). В профиле
большинства степных и пустынных почв распределение Со не дифференцировано.
Исключение составляют наиболее подвижные (ацетатно-растворимые) формы Со,
которые могут мигрировать из верхней части профиля типичных и выщелоченных
черноземов и накапливаться в иллювиальных карбонатных горизонтах (R = 2,0),
накопление возможно и в лугово- черноземных и торфянисто- глеевых почвах
подчиненных ландшафтов. Органо- минеральные (ЭДТА-растворимые) соединения
Со, преобладающие среди подвижных его форм (70 --- 80%), слабо подвижны в
нейтральной среде черноземных почв (Н.С. Касимов и др.).
Кобальт в ноосфере. Технофильность Со на порядок ниже, чем у Fe. Хотя его
роль в ноосфере значительна, данных о техногенной миграции немного и по
изученности в техногенных ландшафтах Со сильно уступает другим более
токсичным металлам. Источниками техногенного Со для ландшафтов служат
отходы производства красителей (n.1000 КК), пластмасс (n.100), добыча и
производство руд черных, цветных и редких металлов (n.10). Повышенные
концентрации Со токсичны, но он не входит в число приоритетных загрязнителей.
Наиболее контрастны (Кс = 80) техногенные аномалии кобальта в почвах
вокруг предприятий черной металлургии (Ю.Е. Сает и др.). Другие производства
не образуют контрастных и протяженных техногенных кобальтовых ореолов в
почвах и донных отложениях.
Среди культурных растений концентраторами Со являются капуста и картофель
(100 --- 200 мг/кг сухой массы), а деконцентратором --- яблоки (8---16 мг/кг).
Избыток подвижного кобальта отрицательно влияет на рост и метаболизм
сельскохозяйственных растений. Однако это токсическое действие проявляется
лишь при его содержании более 30 --- 60 мг/кг сухой массы, когда фоновые
значения (0,3 --- 0,4 мг/кг сухой массы) превышаются в несколько десятков или
даже сотен раз (А. Кабата-Пендиас). "Серпентенитовая" флора на ультраосновных
породах, обогащенных кобальтом, не испытывает заметной кобальтовой
токсичности при его содержаниях в золе до нескольких тысяч мг/кг (Р. Брукс).
Контрольные вопросы
1. Какие металлы именуются "халькофильными", в чем состоят их общие
особенности, чем они объясняются?
2. Охарактеризуйте общие черты геохимии Zn, Cd, Cu и Pb в ландшафтах, в
чем сходство и различие? Каковы эколого- геохимические аспекты техногенной
миграции этих элементов?
3. В чем состоят основные черты геохимии Ni в ноосфере?
4. Что показало изучение геохимии Hg в ландшафтах городов?
5. Как на геохимию Ag в биосфере и ноосфере влияют кларк этого металла и
как его химические свойства?
6. Почему в водах степей и пустынь V более подвижен, чем в водах гумидных
ландшафтов?
7. Сформулируйте основной закон миграции U в водах биосферы. Какова
интенсивность его водной миграции в окислительных и восстановительных
условиях, на каких геохимических барьерах этот металл концентрируется?
8. В чем состоят эколого- геохимические проблемы урановых рудников?
9. Назовите общие черты геохимии Мо и U в ландшафтах.
10. Для каких ландшафтов характерен дефицит и избыток Se, их причины?
11. Какова интенсивность миграции Au в кислородных водах, чем она
объясняется?
12. В каких ландшафтах Fe энергично мигрирует, а в каких слабо, причины?
13. Сравните геохимию Fe и Mn в биосфере, что в ней общего, каковы
различия?
Глава 31
МАЛОПОДВИЖНЫЕ И СЛАБОИЗУЧЕННЫЕ ЛИТОФИЛЬНЫЕ И
СИДЕРОФИЛЬНЫЕ
ВОДНЫЕ МИГРАНТЫ
Только три элемента из рассмотренных в данной главе --- Al, Ti и Cr
характеризуются значительными
кларками,
причем Al третий по
распространенности элемент (после кислорода и кремния). Их геохимия в
ландшафтах изучена хорошо. Остальные 30 элементов редкие и очень редкие. Их
миграция стала привлекать внимание сравнительно недавно, а некоторые в этом
отношении практически не изучены (например, Hf, Ta). Все же можно отметить и
некоторые общие черты поведения в биосфере.
31.1. Малоподвижные элементы- комплексообразователи и гидролизаты,
мигрирующие с органическими комплексами, частично в сильнокислых
и сильнощелочных водах --- Al, Ti, Cr, Tr, Y, Ga, Th, Sc
Алюминий --- Al (13; 26,9815). Это самый распространенный металл земной
коры с кларком 8,05%. Близость ионных радиусов Al3+ и Si4+ определила их
изоморфные замещения в алюмосиликатах. Алюминий образует свыше 350
минеральных видов, его основные минералы полевые шпаты (ортоклаз, альбит,
анортит), а также нефелин, слюды (мусковит и биотит). Обогащены Al основные
породы, обеднены --- кислые, чем он отличается от Si.
Алюминий --- амфотерный элемент, его соединения растворимы только в
сильнокислых и сильнощелочных растворах. В кислой среде алюминий образует
растворимые отрицательно заряженные (
анионные) фульватные комплексы
(Матвеева и др.). В широком диапазоне от слабокислых до слабощелочных сред
Al представлен труднорастворимым Al (ОН)3 и мигрирует слабо, в то время как Si
подвижен и в слабокислых, и щелочных растворах.
Алюминий в биосфере. В биосфере Al мигрирует слабо, его мало в организмах
--- средний кларк концентрации в золе растений континентов примерно 0,2,
коэффициент водной миграции (Кх) в большинстве поверхностных и подземных
вод 0,0n. Если в земной коре алюминий третий по распространенности после
кислорода и кремния, то в живом веществе он микроэлемент. В гумидных
ландшафтах это ведет к одному из важнейших геохимических следствий ---
разделению Si и Al при выветривании. Особенно сильно это проявляется в кислых
и кислых глеевых влажных тропических ландшафтах, где кремнезем, мигрируя
более энергично, выносится за пределы почв и зоны выветривания, образуя
кремневые кирасы (силькриты) в подчиненных ландшафтах. Алюминий здесь
значительно менее подвижен, входит в состав органо- минеральных коллоидов
почв, сорбируется глинами и гумусом, образует остаточные аккумуляции в виде
латеритов и бокситов, где он представлен собственными свободными
гидроксидами --- гиббситом и бёмитом. При размыве таких кор выветривания в
прошлые геологические эпохи накапливались осадочные бокситы, еще более
обогащенные Al (до 40 --- 45%).
В гумидном умеренном климате геохимия Si и Al сближается, т . к . оба слабо
подвижны в почвах и корах выветривания, свободные и рудные концентрации Al
не образуются. В холодном гумидном климате Al еще менее подвижен, в профиле
элювиальных неглеевых почв накапливаются аморфные органо- минеральные
соединения Al и Fe, формируются особые Al --- Fe --- гумусовые подзолистые
почвы (
В.О. Таргульян). Cубарктические почвы Исландии, Скандинавии,
Кольского полуострова, обогащенные Al и Fe, М.А. Глазовская выделила в
особую фульватно- железисто- алюминиевую почвенно- геохимическую провинцию.
Растения гумидных ландшафтов сравнительно богаты алюминием, содержание
Al2O3 в их золе часто более 10 --- 20%. К "алюминиевым" растениям принадлежат
чай, вереск и особенно плауны, зола которых на половину состоит из глинозема.
Видообразование этих растений, вероятно, происходило в геологические эпохи с
энергичной миграцией Al. В кислых почвах увеличение содержания подвижного
Al оказывает токсическое действие на многие растения, снижает токсичность ---
внесение фосфорных удобрений.
Особенно энергично мигрирует Al в сернокислых ландшафтах,
сформировавшихся в результате окисления сульфидных руд, пиритоносных глин и
сланцев, осушающихся мангров. Его содержание в водах таких ландшафтов
повышено и в месте контакта с окружающими менее кислыми почвами на
щелочном барьере D1 образуются сульфаты Al --- квасцы. Здесь развита особая
" квасцовая флора", обогащенная Al.
В нейтральных и слабощелочных водах степей и пустынь Al особенно слабо
подвижен, растения обеднены этим металлом (зола ковылей содержит менее 1%
глинозема). Однако в сильнощелочных условиях образуются растворимые
Рис. 31.1. Зависимость содержания титана от рН подземных вод (по
И.В. Батуринской): 1 --- агпаитовых, 2 --- миаскитовых нефелиновых
сиенитов, 3 --- кислые воды.
отрицательно заряженные гидроксокомплексы Al(ОН)-4 и полимерные анионы
(Л.А. Матвеева и др.). При понижении рН из таких вод на кислом барьере Е4
осаждаются давсонит [Na Al (CO3) (OH)2] и другие минералы Al, образующие в
некоторых озерах промышленные залежи, которые были характерны и для
прошлых геологических эпох, например для эоцена запада США.
Талассофильность Al крайне низка, меньше, чем у большинства других
элементов.
Алюминий в ноосфере. Благодаря высокому кларку и ценным свойствам Al
имеет исключительно важное значение для цивилизации. Все же технофильность
Al почти в 100 раз меньше, чем у Fe. Источники Al для ноосферы --- бокситы,
нефелин, давсонитовые озерные руды, квасцы --- содержат его в
труднорастворимой форме. Поэтому с добычей Al не связано интенсивное
химическое загрязнение ландшафтов. Существенно более токсичное воздействие
оказывают заводы по производству Al, где в технологических циклах
используется плавиковая кислота, переводящая Al в подвижную форму. Поэтому
вокруг алюминиевых заводов
почвы и воды обогащены F и
подвижным Al, токсичными для
организмов, а также 3,4-
бензпиреном
(
Братск,
Волгоград и др.).
Титан --- Ti (22; 47,88). Это
элемент нижней части земной
коры --- базальтового слоя, где
содержание Ti вдвое выше его
кларка --- 0,45%. Основную
роль в концентрации Ti играют
магматические процессы, с
которыми
преимущественно
связано образование 67 его
минералов. Важнейшие из них --- рутил (TiO2), ильменит (FeTiO3), сфен
(CaTi(SiO4)O). Титан входит в состав многих силикатов, где он изоморфно
замещает кремний (Ti+4), алюминий и железо (Ti+3).
Ранее считалось, что Ti как элемент- гидролизат, сосредоточенный в
трудновыветриваемых
минералах, обладает крайне
низкой подвижностью и его
миграция
может
осуществляться только в сильнокислых водах, например в вулканических
областях, в то время как в нейтральных и щелочных водах гидролиз ей
препятствует. Исследования С. Р. Крайнова показали, что Ti не только гидролизат,
но и элемент- комплексообразователь, что расширяет диапазон его водной
миграции в биосфере. В сильнокислых водах титан мигрирует в катионной форме,
образует растворимые соединения с сульфат- ионом. В сильнощелочных водах он
образует растворимые комплексные соединения с фтором, органическими
веществами, гидроксокомплексы типа TiO (F,OH)n2-n. В слабокислых,
нейтральных и слабощелочных средах интенсивность миграции титана
наименьшая (рис. 31.1).
Слабая подвижность титана в кислой среде определяет его остаточную
аккумуляцию в подзолистых и других лесных почвах, каолинитовых корах
выветривания и особенно в элювиальных бокситах, где содержание титана
достигает 2 --- 3% (В.А. Теняков). В нейтральных и слабощелочных степных и
пустынных почвах титан еще менее подвижен. Но в сильнощелочных условиях, в
солонцах и других содовых почвах его миграционная способность растет. Только
на этих почвах установлены растения- концентраторы титана --- некоторые виды
из семейств сложноцветных (полыни), маревых (камфоросма, прутняк, биюргун и
др.) и злаков (
бескильница), в которых коэффициенты биологического
поглощения в несколько десятков раз выше (АTi = 1---3), чем в растениях,
растущих на нейтральных почвах (М .Д. Скарлыгина-Уфимцева, Н.С. Касимов,
П.Г. Грабаров). Однако это усиление подвижности Ti не сопровождается
увеличением его радиальной и латеральной почвенно- геохимической
дифференциации.
Титан широко применяется в промышленности, по технофильности он близок к
Mg и Al. Вокруг предприятий по производству титановых сплавов, титановых
красок в почвах формируются аномалии Ti. Однако техногенное накопление
титана не представляет существенной опасности для организмов.
Хром --- Cr (24; 51,996). Кларк Сr 8,3.10-3%. В ультраосновных породах его
содержание достигает 20 --- 25 КК. Известно 25 минералов хрома, важнейшие из
них хромшпинелиды --- хромиты [(Fe, Mg), (Cr, Al)2O4]. В земной коре и
биосфере преобладает малоподвижный Сr +3, по особенностям миграции во
многом сходный с Fe+3 и Al+3. Менее распространены окисленные, менее
стабильные формы Cr+6 (хроматы).
Водная миграция хрома в основном определяется щелочно- кислотными и
окислительно- восстановительными условиями. Например, при одном и том же Еh
+ 500 мВ в сильнокислой среде преобладает Cr+3, в диапазоне рН 5 --- 7 ---
Cr(ОН)3, в сильнощелочной среде --- CrO2-4. Поэтому в кислой и нейтральной
среде в восстановительных для хрома условиях он слабоподвижен (Cr+3) и может
мигрировать только в щелочной резкоокислительной обстановке в форме СrO42- и
др.Хром в биосфере. Содержания Cr в природных ландшафтах определяются
главным образом литогенным фактором. Преобладают околокларковые
содержания, и лишь в пределах ультраосновных массивов все компоненты
ландшафта резко обогащены Cr.
В почвах и рыхлых породах большая часть хрома в форме Cr+3 входит в состав
первичных минералов и оксидов железа. Поэтому его соединения малоподвижны в
широком диапазоне рН и Еh. В почвах мира кларк хрома 5-7.10-3% (Х. Шаклетт,
А. Кабата-Пендиас).
Биофильность Cr очень мала, среднее его содержание в золе наземных растений
2,5 --- 3,0.10-3% (0,3 КК), Cr относится к элементам слабого биологического
захвата.
В гумидных ландшафтах преобладают малоподвижные соединения Cr+3, его
поведение аналогично Fe+3, воды бедны растворенным Cr, его водная миграция
ослаблена. Так, в коре выветривания влажных тропиков Cr ведет себя аналогично
Fe, т . е . накапливается за счет выноса подвижных элементов. На серпентинитах ---
породах, обогащенных Cr, образуются хромовые руды. По С.Л. Шварцеву,
фоновые грунтовые воды гумидных областей содержат 2,3 мкг/л хрома. Даже в
воде равнинных рек заметно преобладают взвешенные формы Cr, хотя в
некоторых водоемах отмечались высокие содержания отрицательных и
незаряженных органических комплексов --- до 30 --- 50% от валового (П.Н.
Линник, Б.И. Набиванец и др.).
В кислых почвах накопление хрома связано с его адсорбцией гидроксидами Fe,
глинами и органическим веществом. Поэтому в дерново- подзолистых почвах
иллювиальные горизонты, как правило, в 1,5 --- 3 раза богаче Cr, чем верхние
(Е.М. Никифорова, И.А. Авессаломова). В бурых лесных почвах Юго-Западной
Болгарии Р. Пенин установил еще более контрастное (R = 5 --- 10) накопление
валового Cr в горизонтах В и особенно ВС по сравнению с материнским элювием
гранитоидов. Существенно меньшая (R = 1,5 --- 2) радиальная дифференциация
подвижных (непрочно сорбированных и органо- минеральных) форм Cr указывает
на ведущую роль механической миграции и процессов выветривания на его
дифференциацию в профиле этих почв. Вместе с илистыми частицами Cr
поступает в подчиненные ландшафты. Пойменные почвы и донные отложения
водоемов нередко в 1,5 --- 2 раза обогащены Cr по сравнению с автономными
почвами. Особенно контрастно (L = 2 --- 10) дифференцированы
органоминеральные формы хрома в лесных катенах Рильского массива Болгарии
(Р. Пенин, Н.С. Касимов).
Биогенная аккумуляция в почвах для Cr не характерна, хотя он
концентрируется в лишайниках, мхах, некоторых водных растениях, например
рдесте (Н.П. Солнцева, И.Г. Побединцева).
В степных и пустынных ландшафтах Cr в целом также малоподвижен, но в
резкоокислительной щелочной среде возможно его окисление до Cr+6 с
образованием легкорастворимых хроматов калия и кальция, которые впервые
были открыты в пустынях Чили. В Кызылкумах А .И. Перельманом обнаружены
легкорастворимые хроматы калия в коре выветривания меловых железистых
песчаников, обогащенных Cr.
В степях и пустынях происходит и латеральная миграция хрома. Так, во многих
районах Казахстана почвы подчиненных ландшафтов содержат в 1,5 --- 2,0 раза
больше хрома, чем почвы автономных позиций. Обычно Cr концентрируется на
сорбционно- глеевых барьерах в иллювиальных и глеевых горизонтах луговых и
осолоделых почв (Н.С. Касимов).
Ландшафты на ультраосновных породах обогащены Cr в любом климате.
Почвы здесь содержат до 1 --- 3% Cr (Урал, Новая Каледония, Куба), однако
интенсивность его водной миграции практически не увеличивается. Растения
ультраосновных массивов могут быть в десятки раз богаче Cr, но не испытывать
при этом сильного токсикоза. Так, на Восточной Кубе к ультраосновным
массивам приурочены эндемичные виды растений, в которых содержание Cr в 10
--- 15 раз выше, чем в растениях на основных и кислых породах (М. Больо), хотя
" серпентенитовая флора" обычно более разрежена. По А . Андерсону и др.,
токсичность Cr для овса наступает при его содержании 634 мг/кг в почвах на
ультраосновных породах и в растениях --- 49 мг/кг сухой массы, что в десятки раз
выше среднемирового уровня. По И.П. Гавриловой и И.Г. Побединцевой, на
ультраосновном массиве Южный Крака (
Башкирский заповедник) Cr
накапливается (до 6 --- 8 КК) преимущественно в травах, особенно корнях, в то
время как зола деревьев слабо обогащена хромом (0,8 КК), несмотря на его
высокие содержания в почвах.
Хром в ноосфере. Технофильность Cr высокая (2.108) --- вдвое больше, чем у
Fe, с которым он тесно связан в техногенезе. Она продолжает расти, т . к . добыча
хромитов в последние десятилетия увеличивается. Техногенный Cr поступает в
ландшафты при производстве феррохрома, нержавеющей стали, никеля,
красителей, химикатов, огнеупоров, сжигании угля. Выбросы и стоки кожевенных
заводов, гальванических производств, шламы очистных сооружений, предприятий
цветной металлургии и химической промышленности в десятки и сотни раз
обогащены Cr по сравнению с фоном.
Хром концентрируется в основном в крупнодисперсном аэрозоле, и поэтому
для него не характерна дальняя воздушная миграция от техногенных источников.
Аномалии в почвах и донных отложениях вокруг них обычно слабоконтрастны
(n), хотя вблизи заводов ферросплавов и кожевенных предприятий встречается и
большее загрязнение.
Существенным источником Cr являются коммунальные сточные воды. Даже
после очистки они содержат десятки и сотни мкг/л металла, главным образом во
взвешенной форме.
Из двух главных форм соединений хрома --- Cr+3 и Cr+6 последний более
токсичен. Снижение содержания растворенного кислорода в промышленных и
бытовых стоках приводит к образованию в водоемах сероводорода. В результате
соединения Cr+6 восстанавливаются и на восстановительном барьере осаждается
менее токсичный Cr+3 (Дж. Мур, С. Рамамурти).
Токсичность Cr меньше, чем у Hg, Pb, Cd, Cu, Ni и Zn. Он обычно не
накапливается в каких- либо специализированных органах животных, а также в
конечных звеньях трофической цепи. В пресных водах его токсичность выше, чем
в морских. Соли Cr+6 обладают канцерогенными свойствами (особенно хроматы
кальция).
В городских ландшафтах аномалии Cr менее контрастны, чем других тяжелых
металлов, и значения Кс в почвах, растениях и воздухе редко превышают 10 --- 20.
Хром является приоритетным загрязнителем только в городах, где сосредоточена
цветная металлургия и тяжелое машиностроение (Актюбинск, Нижний Новгород,
Запорожье, Орск, Новотроицк), а также химическая промышленность (синтез
каучука, производство фосфорных удобрений). Так, в Тольятти (Ставрополь- на-
Волге) в районах, прилегающих к заводам синтетического каучука и фосфорных
удобрений, установлены обширные контрастные аномалии Cr в почвах и
растениях (десятки единиц геохимического фона). В открыто складируемых
твердых отходах этих производств содержание хрома достигает 100 --- 150 КК
(Н.С. Касимов, О.В. Моисеенков). В штате Айдахо (США) в золе полыни
трехзубчатой, растущей вблизи завода по производству фосфорных удобрений,
содержится до 500 мг/кг хрома (Гоф, Северсон).
Хромом загрязнена сельскохозяйственная продукция (морковь, картофель),
выращиваемая на территории города. Местами содержание Cr в ней превышает
предельно допустимые нормы в несколько раз (Н.С. Касимов и др.). В Кишиневе
среди овощей, у которых используются надземные органы, энергичными
Рис. 31.2. Аккумуляция иттрия и скандия на кислом
биосорбционном барьере в гумусовых горизонтах
глеевых солодей в Северном Казахстане. R ---
коэффициенты радиальной дифференциации почв,
для растений --- Ах (по Н.С. Касимову).
концентраторами Cr являются салат и укроп --- в промышленных зонах его
содержание в десятки раз выше ПДК и уровней его содержания в других овощах
(Н.Ф. Мырлян, К.Е. Морару и Г.И. Настас).
При мониторинге и оценках состояния окружающей среды промышленных
городов, учитывая токсичность Сr, его следует обязательно включать в число
исследуемых приоритетных загрязнителей.
Редкие земли --- TR, РЗЭ (лантаноиды --- La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb,
Dy, Ho, Er, Tm Yb, Lu) и иттрий. Химически и геохимически лантаноиды очень
близки друг другу, что связано с особенностями электронной структуры их
атомов: от лантана к лютецию увеличение числа электронов происходит не в
наружном (валентном) слое Р и не в следующем слое О, а в еще более глубинном,
третьем слое. Для геохимии этих элементов существенно, что с увеличением
порядкового номера уменьшаются размеры ионных радиусов (так называемое
" лантаноидное сжатие"), определяющее возможность их разделения в земной
коре. Так, выделяют "легкую" цериевую подгруппу РЗЭ (La --- Gd) и "тяжелую"
иттровую (Tb --- Lu). По величинам ионных радиусов первая ближе к Sr+2, Ba+2,
Th+4, а вторая --- к Y+3, Sc+3, Mn+2, Zr+4, U+4. Кальций близок к обеим
группам.
Другая важная особенность редких земель и Y --- способность к
комплексообразованию, особенно с ионом F (высокая фторофильность).
Иттриевая группа способна образовывать относительно мобильные карбонатные и
органические комплексы, а цериевая --- нет. Эти и некоторые другие химические
особенности также создают возможность разделения редких земель в биосфере.
Известно примерно 300 минералов, обогащенных редкими землями, из которых
только 50 --- собственно редкоземельные. Кларки РЗЭ меняются от 0,7.10-4 у
тербия до 3,1.10-3 у церия. Кларк Y 2,9.10-3% (по Ю .А. Балашову 2,3.10-3%).
Главная область миграции редких земель и Y --- магматические системы
(карбонатиты), в биосфере они в целом малоподвижны, содержание в водах и в
организмах низкое, их водная и биогенная миграция изучена плохо. Установлено
накопление редких земель в глинах (1,5 --- 2,0 КК), в корах выветривания
щелочных пород, в осадочных фосфоритах,
в ископаемых костях.
Значительное влияние на поведение РЗЭ
в биосфере оказывают щелочно- кислотные
условия. Реакции гидролиза ограничивают
их миграцию в нейтральных и щелочных
водах, но образование растворимых
карбонатных
комплексов
ведет
к
расширению диапазона миграции иттровой
группы (Tb --- Lu) в сильнощелочных
содовых водах. Для многих редкоземельных
элементов установлено два максимума
растворимости --- в сильнокислой и
сильнощелочной (содовой) обстановке (С.Р. Крайнов). Особенно обогащены РЗЭ
карбонатные воды щелочных массивов,
например, на Кольском полуострове.
Поэтому одним из главных механизмов
осаждения РЗЭ из вод являются кислые геохимические барьеры Е.
Другая важная черта геохимии РЗЭ --- их сродство к органическому веществу,
сорбция гумусом и глинами. Поэтому органогенные и иллювиальные горизонты
многих почв часто слабо обогащены отдельными РЗЭ (О .А. Самонова). Учитывая
низкую биофильность этих элементов, это связано в основном с их осаждением на
сорбционных геохимических барьерах. Особенно благоприятно совмещение
кислых и сорбционных (сорбция гумусом) геохимических барьеров на общем
щелочном фоне. Поэтому в степных и сухостепных ландшафтах особенно с
содовым засолением (солонцы) установлены эффекты миграции РЗЭ и иттрия с их
накоплением (L = 1,5 --- 3) в более кислых солодях и торфянисто- глеевых почвах
под березовыми колками юга Западной Сибири, Казахстана и Алтая. Сходно с РЗЭ
и Y ведут себя Sc и Zr (рис. 31.2).
Растения поглощают РЗЭ слабо. Эти элементы относятся к группе слабого и
очень слабого биологического захвата (0,1 --- 0,2 КК в золе), но имеются виды ---
концентраторы РЗЭ --- лещина, гикорь, а также некоторые полыни и солянки,
растущие на щелочных почвах (0,6 --- 0,8 КК).
Иттрий и редкие земли долго не находили практического применения, но в
современную эпоху стали важными металлами новой техники. Их добывают из
магматических, гипергенных (коры выветривания) и месторождений других
типов. В месторождениях в основном накапливаются элементы цериевой группы,
а практически более важны тяжелые лантаноиды --- иттриевая группа.
Технофильность данных металлов пока низкая (особенно у Y).
Скандий --- Sc (21; 44,9559). Этот металл был предсказан Д.И. Менделеевым в
1871 г . и назван экабором. Через восемь лет шведский химик Л. Нильсон открыл
новый элемент со свойствами, предсказанными Менделеевым, и назвал его в честь
своей родины скандием. В силу крайнего его рассеяния --- очень слабой
способности к концентрации, геохимия Sc долгое время почти не изучалась,
несмотря на сравнительно высокий кларк --- 1.10-3% (выше, чем у Sn, почти как у
Pb). Три известных минерала Sc очень редки, большая часть атомов этого металла
в горных породах находится в виде изоморфных примесей или адсорбирована.
Биогенная и водная миграция Sc изучены плохо, хотя его талассофильность
больше, чем у Fe, Si. Установлено слабое накопление Sc в фосфоритах, бокситах,
каменных углях. В ландшафтах его миграция во многом сходна с Y. Характерны
комплексы Sc с СO32- (миграция в содовых водах).
В ноосфере Sc стал играть роль лишь в последние десятилетия --- это элемент
новой техники.
Торий --- Th (90; 232,0381). Хотя по современной классификации Th относится
к группе актиноидов, "редкоземельные" его свойства, как и U, в земной коре
практически не проявляются --- он четырехвалентен и более похож на другие
элементы четвертой подгруппы Периодической системы, чем на актиноиды.
В земной коре этого радиоактивного металла примерно в 5 раз больше, чем U,
его кларк в литосфере 1,3.10-3%. Торий, как и уран, накапливается в кислых
изверженных породах (1,8.10-3%), рассеян в основных (3.10-4%) и особенно в
ультраосновных породах (5.10-7%). В глинах и сланцах его содержание (1.10-3%)
близко к кларку.
В земной коре Th в основном участвует в магматических и
высокотемпературных гидротермальных процессах. Способность к концентрации
у него низкая, известно лишь 12 минералов Th (у U более 100). Важнейшие из них
торианит (ThO2) и торит (ThSiO4).
Геохимическая роль Th в земной коре связана с его радиоактивностью
(выделение тепла, образование различных продуктов радиоактивного распада,
вплоть до "ториевого свинца" и гелия).
В биосфере Th малоподвижен, его мало в живом веществе и водах, в морской
воде лишь 1.10-9%. Малой подвижностью в биосфере и ландшафтах он резко
отличается от U. Однако представления об инертности Th нуждаются в
коррективах. Так, Т.М. Шипулиной в мерзлотной тайге Витимского плоскогорья
установлена его миграция в почвах, вероятно, в форме органических комплексов.
Все же Th гораздо менее подвижен, чем U, особенно в аридных ландшафтах.
Низкая растворимость соединений Th определяет и малое его участие в
биологическом круговороте, слабое поглощение растительностью. Но на одном
месторождении радиоактивных руд осины с очень крупными листьями содержали
повышенные количества Th.
В ноосфере Th используется пока слабо, но после освоения его руд в качестве
ядерного горючего добыча Th может повыситься. Источник металла --- россыпи
монацита, высокотемпературные гидротермальные месторождения.
Галлий --- Ga (31; 69,72). Этот металл был предсказан Д.И. Менделеевым в
1871 г . и открыт через несколько лет французским химиком Лекон де
Буарбодраном. И химически, и геохимически, как и предвидел Менделеев, Ga
похож на Al.
Кларк Ga довольно высок --- 1,9.10-3%, но способность к минералообразованию
очень низка и известен лишь единственный его минерал --- галлит (CuGaS2) в
гидротермальных рудах. Слабая способность к минералообразованию при
сравнительно высоком кларке (больше, чем у Мо, W, Pb и других металлов,
образующих значительное число собственных минералов) говорит о том, что Ga
--- типичный рассеянный элемент.
В биосфере Ga мигрирует слабо, примерно так же, как Al --- его содержание в
живом веществе и гидросфере низкое. Все же водная миграция этого металла
несколько интенсивнее, чем у Al. Для почв характерны околокларковые
содержания Ga (1,5 --- 1,7.10-3%).
Галлий нашел применение в технике, но пока его технофильность одна из
самых низких.
31.2. Малоподвижные комплексообразователи, частично мигрирующие
в сильнощелочных содовых водах --- Zr, Hf, Nb, Ta, W, Te
и плохо изученные платиноиды
Цирконий --- Zr (40; 91,224). Кларк Zr 1,7.10-2%. Этот химический аналог Si
слабо участвует в большинстве процессов биосферы, пассивно поглощается
организмами. Известно 19 минералов циркония, главный из них --- циркон
(ZrSiO4). Талассофильность Zr исключительно низкая. Способность к
образованию карбонатных комплексов благоприятствует его слабой миграции в
щелочной геохимической обстановке.
Рассеяние в земной коре, трудности получения металла делали Zr редким
элементом, хотя его в земной коре больше, чем Cu, Zn, Sn и многих других,
далеко не редких в быту металлов. Ныне Zr --- металл новой техники, он приобрел
важное значение, его технофильность больше, чем у K, Al.
Гафний --- Hf (72; 178,49). Это химический и геохимический аналог Zr,
радиусы их ионов одинаковы, в связи с чем собственных минералов гафний не
образует, входя в виде изоморфной примеси в минералы Zr. Его кларк 1,0.10-4%.
Технофильность гафния пока небольшая, но все же больше, чем у Sr, Rb.
Ниобий --- Nb (41; 92,9064) и тантал --- Та (73; 180,947). Размеры ионов Nb и
Ta одинаковы, что во многом определяет сходство их магматической миграции,
образование минералов --- танталониобатов. В биосфере, где роль ионной
миграции невелика, геохимия Nb и Ta более контрастна.
Кларк Nb 2.10-3%, он довольно равномерно распределен в изверженных
породах. Только в нефелиновых сиенитах и в других щелочных изверженных
породах его содержание местами повышается до 0,1%. В этих породах и
связанных с ними пегматитах, карбонатитах, а также в гранитных пегматитах
установлено 23 минерала Nb и около 130 минералов, содержащих примесь этого
металла в ассоциациях с Ta, Ti, редкими землями, Y, Ca, Na, U, Th, Fe, Ba
(танталониобаты, титанаты и др.). Промышленное значение имеют шесть
минералов.
Геохимия Nb в биосфере изучена только в районах распространения
обогащенных им щелочных пород. В щелочных средах возможна водная миграция
Nb в виде относительно растворимых ниобат- ионов (типа NbO-3), а также
фторидных комплексов (
С.Р. Крайнов). В кислых средах миграции Nb
препятствует его осаждение гидроксидами Fe и глинами. В ландшафтах влажного
климата Nb может мигрировать с органическими и другими комплексами. При
выветривании щелочных пород в Хибинах образовались мурманит, герасимовскит
и другие его минералы. Геохимия Nb в ландшафтах степей и пустынь не изучена.
Талассофильность Nb низкая, технофильность близка к Al, Mg, V, Ti.
Кларк Tа 2,5.10-4%. В большинстве магматических пород и в биосфере он
рассеян, содержание в гидросфере и организмах не установлено. Все 17
минералов Та связаны с магматизмом. Технофильность Та примерно такая же, как
у его главного спутника --- Nb.
Вольфрам --- W (74; 183,85). Кларк W 1,3.10-4%, близок к кларку его соседа по
Периодической системе --- Мо. В биосфере многие аспекты геохимии этого очень
важного в технике металла не изучены. Все же известно содержание W в живом
веществе, в некоторых типах вод, в осадочных породах, обогащенных
органическим веществом (углеродистые сланцы, некоторые угли и т .д.). Доказано
участие W в засолении почв (В.Д. Гниломедов), накопление его в некоторых
рассолах. В этом отношении знаменит солончак Серлс в Калифорнии (США), где
испарение щелочных термальных вод, обогащенных W, B, F, Li, Br и Na, привело
к накоплению наряду с содой редких элементов. В рассолах солончака Серлс
накопились десятки тысяч тонн W.
Технофильность W очень высокая, такая же, как у других металлов, имеющих
важное значение в металлургии, электронике и прочих областях техники.
По Ю.Е. Саету и др., W --- один из самых концентрирующихся в
промышленных отходах элементов, особенно в отходах и пылях обработки черных
и цветных металлов, производства чистых веществ, масляных красок (n.100 ---
n.1000). Особенно велика интенсивность его выпадений из атмосферы в крупных
промышленных городах.
Теллур --- Те (52; 127,60). Это один из наиболее редких элементов с кларком
1.10-7%. Геохимия его в большинстве природных и техногенных ландшафтов не
изучена. Теллур осаждается из некоторых гидротерм вместе с S, Ag, Au, Pb и
другими халькофилами. С гидротермальными месторождениями Ag и цветных
металлов связаны все 36 его минералов. В биосфере Те рассеян.
В ноосфере Те извлекается из медных, серебряных, золотых, свинцовых руд,
технофильность его высокая, как у Pb.
Платина и платиноиды --- Os, Pd, Ru, Pt, Rh, Jr. Это очень редкие металлы,
кларки которых точно не установлены (порядка 10-6 --- 10-8%). Все они типичны
для земных глубин, более характерные для мантии, чем для земной коры. В
последней преобладает самородное состояние Pt и платиноидов, хотя известны и
их минералы --- соединения с S, As и Sb. Все они образовались при высоких
температурах и давлениях в магме и гидротермах.
Геохимия данных металлов в биосфере почти не изучена. Известны осадочные
марганцевые руды, обогащенные платиной, угли --- платиной и палладием.
Содержание платиноидов повышено в вятских фосфоритах, в золе деревьев,
растущих на платиновых месторождениях. Среднее содержание палладия в
холодных и термальных водах Забайкалья, по Ю.Ф. Погребняку, 5,3.10-10 г/л . Это
говорит о сравнительно энергичной водной миграции металла --- как Ni, Co.
Платина и платиноиды нашли различное применение, но сверхнизкие кларки и
редкость месторождений, естественно, ограничивают их добычу. Все же
технофильность данных металлов не ниже, чем у Al, Mg, K, Co. Следовательно, в
единицах кларков извлекается из недр такое же количество платиноидов, как и
многих других, значительно более распространенных элементов.
В последние десятилетия выявился новый аспект геохимии платиноидов.
Американский физик Л. Альварес и другие ученые обнаружили в Италии, Дании,
Испании, Новой Зеландии, Китае, Гаити, США повышенные концентрации иридия
в осадочных породах, относящихся к границе мелового и палеогенового периодов
(65 млн. лет назад). Давно известно, что с этой границей связана исключительно
резкая перестройка фауны --- гибель около 75% видов животных, в том числе
динозавров. О причинах "великого мелового вымирания" высказывались разные
гипотезы, но ни одна из них не была окончательно принята.
Кларк иридия близок к 2.10-8%, но в пограничном слое его в десятки и сотни
раз больше. Обогащены Jr и каменные метеориты (4,8.10-5%), что и привело
Альвареса к гипотезе о столкновении Земли на границе мела и палеогена с
астероидом диаметром 10 км. Полагают, что подобная космическая катастрофа
могла привести к сильной запыленности атмосферы, резкому кратковременному
похолоданию и вымиранию фауны, возможно, формированию мировой системы
рифтов. Иридиевые аномалии обнаружены также на границе венда и кембрия
(590---570 млн. лет назад), перми и триаса (248 млн. лет), в туроне (90 млн. лет), в
среднем позднем эоцене (40 млн. лет назад), в слоях торфа, образовавшихся в
1908 г . в районе падения Тунгусского метеорита. В некоторых погребенных слоях
установлены и аномалии осмия.
В.Л. Масайтис пришел к выводу, что бомбардировка земной поверхности
метеоритами имела место на протяжении всей геологической истории, её следами
служат астроблемы --- кольцевые структуры типа кратеров, которые установлены
в разных регионах (кратеры Аризонский в США и на острове Сааремаа в Эстонии,
Попигайская структура в Восточной Сибири, Карская на Пай-Хое и др.).
Образующиеся в астроблемах при ударе породы (импактиты) нередко обогащены
Jr.Проблема истинной роли космических катастроф в истории Земли еще далека
от разрешения, высказываются и критические замечания в адрес гипотезы
Альвареса. Так отмечают, что часть кольцевых структур имеет вулканогенно-
тектоническое происхождение, что смена фауны происходит быстро только в
геологическом смысле и охватывает миллионы лет, что аномалии Jr обнаружены
также в газах вулкана Килауэа на Гавайских островах. Однако несомненно, что
учитывать возможную роль космических катастроф в истории биосферы
необходимо. С этих позиций следует анализировать многие факты геохимии, в
том числе и распределение в ландшафтах платиноидов.
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте основные черты геохимии Al в гумидных и аридных
ландшафтах, где его миграция интенсивнее?
2. Какие природные ландшафты обогащены Cr?
3. В чем состоит опасность техногенных аномалий Cr?
4. Чем объясняется близость химических свойств элементов редких земель,
какие их свойства обеспечивают их разделение в ландшафтах?
5. В чем причины химической и геохимической близости Zr и Hf, почему все же
роль Zr в биосфере больше роли Hf?
Глава 32
ГЕОХИМИЯ ИСКУССТВЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ
В ЛАНДШАФТАХ*
В середине ХХ столетия в результате ядерных испытаний и работы
предприятий атомной промышленности началось загрязнение земной поверхности
искусственными радионуклидами, которых ранее наша планета не знала. Одной из
теоретических основ мониторинга и борьбы с радиоактивным загрязнением
земной поверхности стала геохимия ландшафта.
Искусственные радионуклиды различаются по типам излучения (a , b, g),
интенсивности, периодам полураспада (табл. 32.1). Не одинаково и количество
отдельных радионуклидов, поступающих в ландшафт. Так, например, в результате
чернобыльской катастрофы 1986 г . в ландшафты Белоруссии, Украины и России
поступили радиоактивные изотопы йода --- йод-129 и йод-131, первого намного
меньше, чем второго. Период полураспада йода-131 8,04 суток, он практически
полностью распадается за 2,5 месяца и , следовательно, не представляет опасности
в длительной перспективе. Наоборот, стронций-90 и цезий-137 с периодами
полураспада около 30 лет могут загрязнять ландшафт свыше 100 лет. Наконец,
плутоний-239 с периодом полураспада 24 тыс. лет будет загрязнять территорию
практически вечно. При изучении и прогнозировании последствий загрязнения
необходимо учитывать и особенности миграции радионуклидов.
32.1. Источники радионуклидного загрязнения
Глобальные источники. Они возникли в 1945 году в результате американских
атомных бомбардировок городов Хиросима и Нагасаки. В дальнейшем глобальное
значение приобрели испытания ядерного оружия на земной поверхности и в
атмосфере, в результате которых стронций-90, цезий-137 и другие радионуклиды
с атмосферными осадками поступали в ландшафты, в значительной степени
определив их радиационный фон. В настоящее время интенсивность подобного
загрязнения в России незначительна и не представляет серьезной опасности, так
как часть радионуклидов распалась.
Атомные электростанции (АЭС). Этот источник наиболее характерен для
европейской России (
Кольская, Ленинградская, Калининская, Смоленская,
Курская, Нововоронежская, Балаковская АЭС), а за рубежом --- для Франции и
Японии. Катастрофическое значение имела авария на Чернобыльской АЭС 26
апреля 1986 г . (Украина). Уже в первые сутки радиоактивное облако
распространилось в разных направлениях и достигло Белоруссии, многих районов
Украины, западного региона России, в котором крупные пятна загрязнения
образовались в Брянской, Тульской, Орловской и других областях. Загрязнение
проникло в Польшу, Скандинавию, Англию и другие страны. Главным
источником радионуклидов для ландшафтов были дожди, с чем и связан
" пятнистый характер" загрязнения, когда зараженные пространства чередуются с
незараженными. В качестве факторов загрязнения играют роль и эоловый
перенос, "растаскивание" загрязненных почв автотранспортом, пожары лесов и
торфяников, при которых радионуклиды, содержащиеся в растениях, снова
поступают в атмосферу, другие процессы.
Таблица 32.1
Важнейшие искусственные радионуклиды
и периоды их полураспада (Т 1/2)
К радионуклидам, связанным с АЭС, относятся в первую очередь стронций-90,
йод-131, цезий-137, а также изотопы аргона, ксенона, марганец-54, кобальт-60,
углерод-14, водород-3 и др. При нормальном режиме работы АЭС лаборатории
внешнего контроля систематически измеряют радиоактивность атмосферы, почв,
вод, растительности, продуктов питания на территории радиусом 30 км. Как
правило, загрязнение невелико и узко локализовано в непосредственной близости
от станции.
Заводы атомной промышленности. К ним относятся предприятия,
перерабатывающие урановые руды, получающие оружейный плутоний и другие
радиоактивные вещества. Характерными радионуклидами являются плутоний-239,
нептуний-237, америций-241 и другие трансураны, а также изотопы йода,
инертных газов, водорода, стронция, цезия, церия, рутения и т .д. Как и для АЭС,
влияние заводов на радиоактивность окружающих ландшафтов резко различается
при нормальном режиме работы и при аварии. Детально изучена авария в районе
г . Кыштыма Челябинской области на предприятии "Маяк" (1957 г .).
Места захоронения радиоактивных отходов (могильники). Твердые и
жидкие радиоактивные отходы в зависимости от суммарной активности делятся
на низко-, средне- и высокорадиоактивные. Проблема захоронения низко- и
среднеактивных отходов в международной практике решена --- контейнеры с
отходами хранятся в специальных штольнях, иногда в поверхностных траншеях, в
заброшенных шахтах и других горных выработках или даже на дне моря.
Предполагается, что за 30-летний период хранения эти отходы в ходе
радиоактивного распада становятся практически не опасными. К основным
среднерадиоактивным отходам относятся стронций-90 и цезий-137. Сложнее
проблема захоронения высокорадиоактивных отходов, так как пока еще ни одна
страна окончательно не выбрала места их глубокого захоронения. В результате
они хранятся в пристанционных хранилищах АЭС и других предприятий атомной
промышленности. Наибольшую опасность представляют высокорадиоактивные
трансураны со значительными периодами полураспада --- америций-241 и 243,
плутоний-239 и 240, нептуний-237, кюрий-244. В случае реализации проектов
глубокого захоронения этих отходов в геологических формациях, опасность
загрязнения ландшафтов будет минимальной, поскольку при этом используются
многократные барьеры на пути возможной миграции радионуклидов:
поглощающая керамика, металлический контейнер (
рассчитанный на
устойчивость в течение 300 лет), монтмориллонитовые, цементные и другие
прослойки вокруг контейнера, горные породы в условиях стабильного
сейсмического режима и т .д.
Прочие источники радиоактивного загрязнения ландшафтов. К ним
относятся полигоны, где проводятся испытания ядерного оружия, ядерные
реакторы спутников Земли, подводных лодок и надводных кораблей,
исследовательских институтов и другие. Их опасность также сильно зависит от
региона работы и резко возрастает при авариях. Отметим, что некоторые
источники опасны не только при их расположении на территории России.
Например, испытания на Семипалатинском полигоне в Казахстане привели к
загрязнению некоторых районов Алтайского края за счет северо- западных ветров,
принесших радиацию.
32.2. Основные процессы миграции и концентрации искусственных
радионуклидов в ландшафтах
Большое практическое значение этих вопросов привлекло к ним внимание
многих производственных и научных организаций различных ведомств, включая
Госкомгидромет, министерства атомной промышленности, здравоохранения,
геологии, сельского хозяйства, академии наук России, Белоруссии, Украины.
После чернобыльской катастрофы 1986 г . исследования особенно возросли, они
выполнялись как в окрестностях ЧАЭС, так и в более отдаленных районах на
территории Чернобыльского следа в России, Белоруссии и Украине. Установлено
распределение радионуклидов в приземной атмосфере, поверхностных и
грунтовых водах, илах, континентальных отложений, почвах, растительном
покрове, животном мире, т . е . во всех компонентах ландшафта. Детально изучено
содержание рН в организме людей, продуктах питания, питьевой воде. Особое
внимание уделено медицинскому аспекту проблемы. Все эти данные получены на
основе разной методологии, но они очень важны для понимания процессов
миграции и концентрации рН в ландшафтах.
Миграционные процессы. Выщелачивание радионуклидов из элювиального
горизонта почв. Эти процессы характерны для всех элювиальных почв, но их
интенсивность для разных элементов и разных почв не одинакова.
Механическая миграция реализуется на склонах в результате плоскостного
смыва --- делювиальных и других процессов. В условиях даже слабо
расчлененного рельефа эрозия верхних горизонтов загрязненных почв приводит к
механической миграции радионуклидов, сорбированных мелкоземом. В лесостепи
Среднерусской возвышенности это установил В.В. Соколов. Там делювиальные
плащи у основания склонов обогащены радионуклидами на участках,
загрязненных в результате чернобыльской катастрофы.
Распашка почв облегчает их развевание, что приводит к расширению ареала
загрязнения. Если загрязняется снежный покров, то имеет значение и его
развевание (сдув). При вспашке наиболее загрязненный поверхностный горизонт
почв поступает на глубину около 20 см. Это существенно уменьшает загрязнение
поверхности, однако неоднократная вспашка приводит к более или менее
равномерному распределению радионуклидов по всему пахотному горизонту.
Солифлюкция, дефлюкция, криотурбация и другие мерзлотные процессы
механического перемещения материала загрязненного радионуклидами широко
распространены в ландшафтах с многолетней мерзлотой. Они могут приводить к
латеральной миграции материала загрязненных горизонтов на сотни и даже
тысячи метров. Радиальная миграция радионуклидов по профилю почв может
быть связана с вымораживанием, образованием "
пятен медальонов" и др.
мерзлотными явлениями.
Миграция радионуклидов в ионной форме. Стронций-90, цезий-137 и другие
изотопы мигрируют в почвах, грунтовых и поверхностных водах, частично в виде
простых и комплексных ионов. Так как концентрация их ничтожна, то и
осаждения из ионных растворов с образованием самостоятельных минералов не
происходит. Поэтому главный механизм перехода радионуклидов из раствора в
твердую фазу --- сорбция.
Миграция радионуклидов с растворенным органическим веществом.
Большинство из них образует комплексные органические соединения. Эта форма
миграции широко распространена и имеет важное значение. Напомним, что
поверхностные и грунтовые воды многих гумидных ландшафтов богаты
растворенным органическим веществом ("черные" и "коричневые" реки и озера).
Концентрация радионуклидов. Сорбция органической и минеральной
фракцией почв, илов, кор выветривания, континентальных отложений, осадочных
пород. Эти процессы характерны для всех почв и илов, большинства осадочных
пород. Они тем интенсивнее, чем выше содержание органического вещества и
глинистой фракции. Сорбция может быть как обменной, так и необменной.
Энергия поглощения зависит и от свойств радионуклидов. Так, цезий-137
поглощается энергичнее стронция-90, что связано с большим ионным радиусом
первого.
Концентрация в краевой зоне болот. Данная зона представляет собой комплекс
сорбционного, глеевого, часто щелочного геохимических барьеров. Поэтому
радионуклиды, поступающие с поверхностным, внутрипочвенным и грунтовым
стоком, задерживаются в этой зоне, что существенно для решения ряда
прикладных вопросов.
Испарительная концентрация. Стронций-90 и цезий-137, находящиеся в водах
в ионной форме, способны концентрироваться при испарении. Наиболее это
характерно для степных и пустынных ландшафтов, где в солевой корке
солончаков могут накапливаться радионуклиды. Для гумидных ландшафтов
подобные процессы в целом не характерны, но в особо жаркие дни возможна
испарительная концентрация ряда радионуклидов (в дождливый период такие
испарительные аномалии могут уничтожаться).
Концентрация живым веществом. Растения, животные и микроорганизмы
способны поглощать радионуклиды. Это имеет значение для их накопления в
деревьях и травах, причем его масштаб зависит от вида концентрации
радионуклидов в водах и почвах, от систематического положения организма, его
возраста, времени года и других условий.
Концентрация радионуклидов на геохимических барьерах. Особенно большое
значение для концентрации искусственных изотопов имеют сорбционные барьеры,
меньше значение щелочных, восстановительных и других. Отметим три аспекта
данных процессов:
1) Радиоактивные аномалии, образующиеся на барьерах, характеризуются
высокой контрастностью, что облегчает их выявление (возможна меньшая
чувствительность анализа и т .д.).
2) Геохимические барьеры можно использовать для локализации
радиоактивного загрязнения с целью не дать ему распространиться на большие
пространства. Для этого могут использоваться как природные барьеры, так и
техногенные. В разных ландшафтах они, как правило, не одинаковы. Так, в
полесских ландшафтах большое значение имеют природные и техногенные
барьеры краевой зоны торфяных болот, а в черноземных степях --- барьеры на
основе глин и других дисперсных материалов.
3) Использование местных материалов для создания техногенных барьеров ---
осадочных пород, отходов промышленности и т .д. (торф, лессы, известняки,
глины, мергеля, красноцветы, трепела, опоки и т .д.). Важное значение при этом
приобретает экономический фактор --- материал для создания барьеров должен
быть дешев, находиться преимущественно в данном ландшафте.
Миграция радионуклидов в полесских ландшафтах. Она детально изучена в
полесьях Белоруссии, Украины и России, которые подверглись загрязнению при
аварии на Чернобыльской АЭС. Установлено, что за первые 3 года после аварии
радионуклиды сосредоточились в самом верхнем горизонте почв нередко в одном-
двух сантиметрах. Отмечено их накопление в дернине и лесной подстилке, в
гумусовом горизонте. В почвенных растворах доказано существование
радионуклидоорганических соединений (до 60 --- 90% от их общей массы).
Стронций-90 и цезий-137 содержатся и в поглощающем комплексе почв.
Песчаные почвы ближней зоны ЧАЭС содержали мало воднорастворимых форм
радионуклидов --- не более 0,0n % в горизонте 0 --- 5 см. В этом же районе во
фракции размером около 1 мм (преимущественно хвойный опад), было
сосредоточено 47 --- 55% цезия-134, цезия-137, церия-144 и рутения-106.
Содержание этой фракции в слое 0 --- 5 см составляет 4%. Во фракции 1 --- 0,5 мм
и 0,5 --- 0,25 мм содержалось соответственно 4 и 8% указанных элементов.
Установлены и некоторые пространственные закономерности: в Белоруссии с
удалением от ЧАЭС в почвах возросло относительное количество изотопов цезия
и уменьшалось церия и рутения. К июлю 1988 года в республике основное
количество радионуклидов по- прежнему было в верхнем (3 см) слое почвы и
только в наиболее северных точках наблюдения они проникали до глубины 20 ---
25 см.
Для района Чернобыля отмечена тенденция к накоплению радионуклидов в
дерново-луговых почвах. В пойменных почвах за год они проникли на глубину 3
--- 7 см, за 2 года --- на 9 --- 12 см. Особенно мала подвижность плутония ---
максимум его в слое 0 --- 1 см. Полагают, что основную роль в миграции плутония
играют гумусовые и низкомолекулярные органические кислоты, их соли, а также
гидроксиды железа и алюминия. Большинство авторов отмечает большую
подвижность стронция-90 по сравнению с цезием-137.
Большое значение в перераспределении радионуклидов играют эоловые
процессы. Так, при сельскохозяйственных работах происходит вторичное
пылеобразование и концентрация радиоактивных аэрозолей в приземном слое
воздуха. Определенную роль играет также транспорт по грунтовым и другим
дорогам, другие техногенные факторы, активизирующие эоловую деятельность.
В почвах полесских ландшафтов радионуклиды концентрируются на
радиальных геохимических барьерах --- биогеохимическом (накопление мхами,
подстилкой, дерниной, гумусом и т .д .) и сорбционных. Последние характерны как
для верхних горизонтов, так и для иллювиальных, а также для почв пойм.
Латеральные геохимические барьеры также задерживают радионуклиды. Наиболее
активны щелочно- сорбционно- глеевые барьеры окраины торфяных болот и
кислородно- сорбционные барьеры в местах разгрузки глеевых вод. Менее
активны сорбционно- глеевые барьеры окраин слабокислых лугово-болотных
ландшафтов. В случае значительного увеличения содержания радионуклидов в
почвах и почвенных растворах природные барьеры задержат только их часть и не
будут служить препятствием для распространения радиации. Они должны быть
усилены искусственными (техногенными) барьерами. Расположение природных
барьеров указывает места заложения и техногенных: притеррасья, окраины
пойменных лугов и болот, окраины верховых болот. Обширна информация о
содержании радионуклидов в растениях, продуктах питания и водах полесских
ландшафтов, о дозах, полученных местным населением на загрязненных
территориях, о росте там заболеваемости.
Последствия Кыштымской аварии.* Она произошла 29 сентября 1957 г . и
привела к радиоактивному загрязнению свыше 20 тыс. км2. Последствия аварии
изучены детально и всесторонне. На материалах этих исследований развивалась
радиационная биогеоценология, основателем которой был выдающийся русский
биолог Н.В . Тимофеев-Ресовский (1890 --- 1980), ряд лет руководивший
исследованиями в районе аварии. Большое значение имели также работы под
руководством Д.А. Криволуцкого. Наиболее интенсивно ландшафты были
загрязнены в первые 5 лет, в т . н . "острый период" за счет главным образом
короткоживущих радионуклидов. Позднее главным носителем радиоактивности
стал стронций-90. Благодаря радиоактивному распаду за 30 лет общая
радиоактивность уменьшилась в 30 раз, но по стронцию-90 только в два раза.
Загрязненная территория --- Зауральская лесостепь с относительно ровным
рельефом, множеством рек и озер на 50% покрыта березовыми и березово-
сосновыми лесами. Наиболее распространены серые лесные почвы, выщелоченные
черноземы, дерново- подзолистые почвы. За тридцать лет (1957 --- 1987) цезий-137
и стронций-90 проникли в почву на глубину около 30 см, в то время как в первый
период максимальное их содержание, как и в районе Чернобыля, было в слое 0 ---
2 см. В первые 3 года преобладал ветровой механизм и нисходящий поток
миграции радионуклидов. Далее при усвоении стронция-90 корнями растений
возникло равновесие: радионуклид --- растительный покров --- почва. После
включения корневого усвоения стронция-90 распределение его на лугах и залежах
составляло в растительном покрове --- 1,6 --- 4%, в отмершей растительности ---
0,06 --- 0,3, в дернине --- 0,04 --- 57% и в минерализованной части почвы --- 38,7
--- 98,3%. Травяная растительность практически не влияет заметным образом на
перераспределение стронция-90, так как его ежегодное вовлечение в
биологический круговорот (и почти такой же возврат) составляет сотые и в
лучшем случае десятые доли процента от их общего количества. Запас стронция-
90 в древесной растительности, обладающей значительно большей биомассой,
того же порядка, что и в травянистых ценозах. Вовлечение в бик деревьев
составляет ежегодно 2,7% от общего количества стронция-90 в почве, из них 1,4%
приходится на древесину. Ежегодный возврат с опадом составляет 0,5%,
остальные аккумулируются, преимущественно в древесине.
Наиболее чувствительны к радиации хвойные деревья: при плотности
загрязнения 180 Кu (кюри) км2 сосны к осени 1959 г . полностью погибли.
Летальные плотности для березового леса и лугов оказались более чем на порядок
выше --- 4000 и 1500 --- 5000 Кu/км2 соответственно. При меньших размерах
загрязнения семена утрачивали всхожесть, возникали морфогенетические
изменения --- гигантизм, хлороз, посинение и скручивание листьев, уменьшение
числа зерен. Среди трав максимально пострадали многолетники с невысоко
расположенными почками возобновления. Эти виды исчезали, но через 3 --- 4 года
начался медленный обратный процесс.
Среди животных наиболее поражены были дождевые черви, многоножки и
панцирные клещи (100 Кu/км2). Не замечено угнетающего действия радиации на
муравьев. Среди млекопитающих максимально пострадали мышевидные грызуны
(увеличилась смертность и уменьшилась продолжительность жизни при 1000
Кu/км2). Однако через 15 лет, когда сменилось 30 поколений, популяции
животных на загрязненных участках по всем показателям сравнялись с
остальными.
Радиоактивное загрязнение привело к увеличению мутаций у растений и
животных, однако для популяции в целом это не играет существенной роли, так
как мутанты быстро уничтожаются естественным отбором. Все же отдельные
генетические изменения накапливаются особенно при длительном хроническом
облучении.
В 14 озерах, расположенных в пределах контура 0,2 Кu/км2, уже через год 90%
стронция-90 поступило в ил. Через 5 --- 6 лет концентрация радионуклидов в воде
озер уменьшилась вдвое, через 30 лет --- в 1500 раз.
Водная и ветровая миграция не привели к дезактивации территории, их
суммарный эффект в перераспределении радиоактивности составил 1 --- 2% от ее
общего количества в начальный период и доли процента в последующий.
В почвах Кыштымского региона радионуклиды образуют следующий ряд по
возрастанию химической подвижности: цезий-137 --- стронций-90 --- церий-144 ---
рутений-106. Цезий входит в кристаллическую решетку глинистых минералов, и
через 2 года его подвижность снизилась на порядок. Количество подвижных форм
стронция-90 в почвах постоянно и составляет 76 --- 90% от его содержания в
верхнем горизонте почвы. Минимальна подвижность названных радионуклидов в
черноземе, несколько больше в серой лесной и дерново- подзолистой почвах.
Оценки долгосрочной миграции плутония в зависимости от быстрой или
медленной миграции показали, что через 25, 50 и 100 лет он может оказаться на
глубинах 50 --- 80, 80 --- 130 и 100 --- 200 см (те же величины для почв
Белорусского полесья для цезия-137: через 25 и 50 лет --- 45 --- 60 и 60 --- 75 см, а
для стронция-90: 55 --- 85 и 70 --- 100 см). Медленный преобладающий
вертикальный перенос плутония происходит вместе с тонкодисперсными
частицами при их вымывании, а быстрый --- в виде водорастворимых
комплексных соединений с органическими и неорганическими лигандами.
Стронций-90 мигрирует главным образом в виде водорастворимых комплексных
бикарбонатов и соединений с органическими лигандами. Так как цезий-137
быстро изоморфно входит в кристаллическую решетку глинистых минералов, то
он мигрирует главным образом вместе с тонкодисперсными вымываемыми
частицами и по механизму диффузии.
Наиболее эффективным приемом дезактивации и восстановления почв,
возвращения их в сельскохозяйственное производство оказалась глубокая
вспашка с захоронением верхнего загрязненного слоя на глубину 30 --- 40 см. Это
снижало содержание стронция-90 на 80%. При перемещении верхнего слоя на
глубину до 70 см концентрация стронция-90 снижалась в 10 --- 50 раз (в пшенице
--- на 75, а в картофеле --- на 99%). Применялся также эффективный но
трудоемкий метод удаления верхнего загрязненного слоя и захоронения его в
специальных могильниках (при этом поступление стронция-90 в овощи снижалось
в8---20раз).
Эффект глубокой вспашки усиливался внесением минеральных удобрений,
локализовавших корневую систему в незагрязненном слое. Известкование кислых
почв позволяло уменьшить концентрацию стронция-90 на 10 --- 30%.
Результат деятельности специально созданных 6 совхозов позволил разработать
следующие агромероприятия:
--- Размещение продовольственных культур на наименее загрязненных
площадях (2 --- 5 Кu/км2), а фуражных, с загрязнением в 10 раз большим.
--- Животные корма должны включать главным образом картофель и
корнеплоды и минимально корма с естественных угодий и грубые корма.
--- Корма для молочного скота надо получать с площадей в 3 --- 4 раза менее
загрязненных по сравнению с площадями, используемых для мясного скота.
--- Предпочтительно свиноводство и разведение птицы, поставляющие наименее
загрязненную продукцию.
--- Зерновая продукция и картофель с загрязнением выше допустимого могут
быть использованы для переработки на этиловый спирт и другие цели.
С 1961 года
началось
возвращение
загрязненных
земель
в
сельскохозяйственное
использование
специализированными
совхозами
Свердловской и Челябинской областей (с плотностью загрязнения ниже 8
Ku/км2). Ими производится продукция с содержанием стронция-90 ниже
допустимых норм. Головная часть радиоактивного следа превращена в
государственный Восточно-Уральский заповедник (16 700 га).
Контрольные вопросы
1. Назовите источники загрязнения ландшафтов искусственными
радионуклидами.
2. Охарактеризуйте основные процессы миграции радионуклидов в
ландшафтах.
3. На каких геохимических барьерах концентрируются радионуклиды?
4. Опишите последствия чернобыльской и кыштымской аварий.