Глава 7. ЛЕСНЫЕ ЛАНДШАФТЫ. Континентальная сибирская тайга и мерзлота

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

На Ландшафтной карте СССР М 1 : 2 500 ООО 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, Ва, Sr, Pb, Си. 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, Na20 — 218, MgO — 110, Si02 — 108, S03 — 51, K20 — 31, A1203 — 1 1, Fe203 — 5, P205 — 1,75 и MnO — 0,55 (средний расход воды за год — 0,2 м3/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 (B.JI. 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            нсо,-

            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        36        7

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 Мп. При таянии льда соли Са и Mg (хлориды, сульфаты, карбонаты) переходят в раствор, а Са осаждается согласно известной реакции:

Са2+ + 2НС03- X СаС03 + С02 + Н20

Этим некоторые авторы объясняют низкое содержание Са и С02 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 С02 и 02), 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—10°) 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 С02 в наледь поступают карбонаты Са, Mg, Fe и Мп. 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 (Си, 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 S042" (НС03- 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, Са, Mg и НС03". 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, К, S042" и С1- преимущественно в форме истинных растворов.

Основным геохимическим фактором, определяющим подвижность и формы миграции элементов, а также рН и содержание С02, является растворенное органическое вещество. Между его содержанием и количеством в водах Fe, Al, Си, 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 С1 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:

[Н, H-Fe, Ca-Fe] (Pb, Си, Zn, Ni) Hg         

Mo, Sb, Sn

[H-Ca] Mo, Sb, Sn, Hg (Pb, Си, Zn, Ni)     

[Ca, Ca-Fe, H] Hg, Pb, Си, Zn, Mo, Sb, Ni, Sn

[H, H-Fel Pb, Zn, Си, Ni (Hg)         

Mo, Sb, Sn

[H-Fe] Pb, Си, 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, Си, 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 D2—С2 (Си), ЕЗ—СЗ (Мо), А6—D6 (Мп, Со). А.В. Разин и И.С. Рожков на Алдане изучили миграцию Аи 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 C.JI. 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 ландшафтов

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?

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