Глава 2. ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛАНДШАФТАХ

Смотрите также:

История атомов и география - Перельман

Геохимия - химия земли

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

Законы пространственного распределения отдельных элементов на поверхности Земли и в земной коре являются глубочайшими законами 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 глубокое обобщение нуждается в некоторых коррективах: кларки земной коры зависят не только от строения атомного ядра, но и от химических свойств (строения электронных оболочек), т.к. сама кора является продуктом миграции — выплавления базальтов из мантии и других процессов. Все же важнейшие закономерности кларков, как показано в 1-й главе, зависят от строения атомных ядер (кислорода 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 способность давать летучие, растворимые или инертные формы. К внешним факторам относятся ландщафтно-геохимические условия, определяющие поведение элементов 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 ООО—100 ООО). У таких элементов, как Fe, К, 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 концентрации разных элементов, т.е. вычисление отношений ККл/ККу. Так, из данных таблицы 2.1 следует, что Вг энергичнее, чем С1 накапливается в глинах и сланцах и слабее в гидросфере, живом веществе, галолитах. С1 биофильнее Вг, он более энергичный водный мигрант, но слабее сорбируется почвами и илами.

Таблица 2.1.

Кларки концентрации хлора и брома

П риродные сист емы          К К элемент ов        

            KKCI  КК Вг

Осэдочные породы (глины и сланцы)       0,9       3          0,3

Гидросфера   113      31        3,7

Живое вещест во      1,1       0,7       1,6

Галолит ы      1000л  п —10п          100

Хлоридные рассолы 100п    0,1-2000         0,гМ000п

Реки    0,0п     0,015   п

Ат мосферные осадки конт инент апьных районов        0,п            0,002   1-п

Кроме КК и КР в геохимии ландшафта используются и многие другие коэффициенты.

Разнообразие миграции

Качественные различия элементов по этому параметру устанавливаются легко путем сравнения поведения элементов. Например, для S и С1 легко установить, что миграция S разнообразнее. Сера многовалентна (S°, S^-,      входит в состав 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 сходных 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 Mo, Т1 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 Т1 и самую однообразную Hf. У Сг и Zn кларки литосферы одинаковы (8,3.10" 3), но у Zn известен 61 минерал, а у Сг — 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 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, Си, Y, Мо при засолении коры.

Виды миграции химических элементов. Выделяются 4 основных вида миграции в зависимости от формы движения материи (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 миграция зависит преимущественно от величины частиц минералов и пород, их плотности, скорости движения вод, ветра. Химические свойства элементов часто не имеют значения, и такие различные элементы, как К, Si, А1, входя в состав переносимой ветром песчинки ортоклаза (^A^SigOig), мигрируют с одинаковой скоростью. Кларки концен- кларки рассеяния элементов в древней коре выветривания Казахстана, геохимические спектры (по Н.С. Касимову): 1 — незасоленная древняя кора выветривания, число проб — п = 150; 2 —засоленная древняя кора выветривания (разломные солончаки, п = 50.

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 растворах 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 деятельности 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 существуют 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 закономерностями, хотя ей присущи и все более простые формы движения.

Значение видов миграции для разных элементов неодинаково. Так, если для К и Р особенно большую роль играет биогенная миграция, то для Na и С1 — 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 тропиках — физико-химической и биогенной. РЬ и W в пустынях мигрируют преимущественно механическим путем, во влажных тропиках — в растворах. Но все же каждый элемент попадает 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 миграции. 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 процессами, хотя для городов характерны и все остальные виды миграции.

К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов