Физико-химическая миграция

Тема 3. Виды миграции. Механическая миграция.

Механическая миграция (механогенез) обусловлена работой рек, течений, ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и других факторов. В результате механогенеза в ландшафте образуются делювий, пролювий, аллювий, морена и др. виды отложений. Параметры механогенеза (дальность переноса, мощность наносов, степень сортировки материала и др.) не зависят от химических свойств элементов, вовлеченных в данный вид миграции. Основное значение здесь приобретает величина, плотность и форма частиц. Частицы близкого размера и близкой плотности осаждаются вместе. В ходе механогенеза происходит дифференциация частиц по их размерам. Чем дальше участок, где переотлагается материал, располагается от вершины склона, тем более тонкий материал в нем накапливается. Т.к. частицы разной крупности имеют различный химический состав, то механогенез может приводить к глубоким химическим изменениям в ландшафте. Глинистые фракции почв и пород, по сравнению с песчаными, обычно содержат больше Fе, Аl, Мn, Мg, К и адсорбированных на них микроэлементов V, Сг, Ni, Со, Си и меньше SiO₂. Минералы Тi, Zr, Sn, W, Рt имеют большую плотность и

трудно поддаются выветриванию. Они преимущественно входят в состав песчаной фракции. В результате, песчаные, пылеватые, глинистые отложения имеют различный химический состав. Пески, как правило, обогащены SiO2, Тi (ТiO₂ - рутил), Zr (ZrSiO₄ -циркон), Sn (SnО₂), Аu, Рt, W, минералы которых имеют большую плотность и трудно поддаются выветриванию, и обеднены Fе, А1, Мn, Мg микроэлементами.

В местах резкого уменьшения скорости механической миграции возникают механические геохимические барьеры (ГХБ). Примеры механических барьеров: золотые, платиновые, оловянные, алмазные, титановые россыпи.

Роль механогенеза особенно велика в ландшафтах с сухим климатом, в условиях расчлененного рельефа в ландшафтах с влажным климатом.

Физико-химическая миграция осуществляется или в природных водах, или в атмосфере, поэтому ее можно разделить на водную и воздушную.

Водная миграция химических элементов. Вода - это «кровь» ландшафта, она находится в сложных обратимых взаимоотношениях с организмами, горными породами, атмосферой. Большинство химических элементов мигрирует в воде в ионной, молекулярной или коллоидной формах.

Ионы могут быть простые (К⁺ , Nа⁺), сложные (SО₄² -, СО₃² -),

комплексные [Cu(СО₃)₂]² -, [UO₂ (СОз)з]⁴-• Среди ионов преобладают Са²⁺, Мg²⁺, Na⁺, К⁺, НСОз-, SО₄²-, СL-— шестикомпонентный состав. Все воды содержат также ионы Н⁺, ОH -. Их содержание обычно низкое (10 -⁵ -10-8г/л), но роль, которую они играют в ландшафте, чрезвычайно велика. Их соотношение определяет щелочно-кислотные условия системы. Содержание в водах таких распространенных в литосфере элементов, как Аl, Мg, К, Si, Р, Тi, а также всех редких и рассеянных элементов очень невелико. Ni, Со, Сu, Мо, Zn, U и др. редкие элементы обычно имеют концентрацию в водах 10 -⁵ -10 -⁷ г/л.

Важнейшими компонентами вод ландшафта являются растворенные газы: О₂, СО₂, Н₂S.

Велика роль растворенного органического вещества. Почти все воды ландшафтов - биокосные тела, они содержат живое вещество. Т.о., природные воды представляют собой сочетание истинных растворов (ионных и молекулярных) и коллоидных растворов и суспензий.

Геохимическая активность воды в значительной степени определяется ее общей минерализацией - суммой растворенных минеральных веществ в литре воды. Она изменяется для природных вод от 0.02 до 400 г/л.

Таблица 2 Классификация природных вод по степени минерализации

Группа вод	Минерализация (г/л)	Географическое распространение
Ультрапресные	<0.2	Атм. осадки, поверхностные воды тундры, частично-тайги, влажных тропических и экваториальных лесов
Пресные	0.2-1	Южная и средняя тайга, широколиственная леса, лесостепь, степь
Солоноватые	1-3	Ландшафты с аридным климатом
Соленые	3-35	Ландшафты с аридным климатом
Рассолы	>35	Воды морей и океанов

Чем выше минерализация воды, тем меньше ее способность растворять породы. В направлении от тундры и экваториальных лесов к зоне пустынь увеличивается минерализация вод, в этом же направлении изменяется химический состав воды — от гидрокарбонатно-кальциевого до хлоридного, сульфатного в пустынях.

Щелочно-кислотные условия (ЩКУ) природных вод определяются концентрацией Н+, которую ввиду малых абсолютных величин выражают в виде отрицательного логарифма концентрации - показателя рН.

Таблица 3 Классификация природных вод по щелочно-кислотным условиям

Группа вод	ЩКУ	Чем обусловлены ЩКУ
Сильнокислые	рН<3	Свободной серной (в районах добычи S), реже - соляной (в вулканических р-нах) к
Кислые и слабокислые	3< рН <6.5	Органические кислоты, СО2
Нейтральные и слабощелочные	6.5< рН<8.5	Са(НСО3)
Сильнощелочные	рН>8.5	Nа2С03, Nа(НС03)

Т.о., в ландшафтах выделяются зоны сернокислого, кислого, нейтрального, слабощелочного и содового выщелачивания.

Элементы, наиболее подвижные в кислых средах: Са, Sг, Ва, Rа, Сu, Zп, Сd и др. катионогенные элементы, т.е. элементы, образующие катионы, преимущественно,- металлы.

Элементы, наиболее подвижные в щелочных средах: V⁵⁺, Аs⁵⁺, Sе, Мо, 5Si, Gе и др. анионогенные элементы. Анионогенные и катионогенные элементы менее подвижны в нейтральных водах. Миграция Nа, Li, Вr, I и др. почти не контролируется рН.

Образование живого вещества: живое вещество образуется в процессе фотосинтеза на свету в присутствии катализатора (хлорофилла):

6СО₂ + 6Н₂О + Q –C6H12O6 + 6О₂

В результате происходит изменение вещественного состава; свободный кислород и органическое вещество аккумулируют энергию. В фотосинтезе участвуют простые химические соединения, а образуется все многообразие органических соединений (порядка сотен тысяч, при том, что минералов -несколько десятков тысяч). Происходит информационный взрыв, образуется много новой информации. Следующий этап: из сотен тысяч органических соединений образуется несколько миллионов видов растений и животных. Появляется новый вид информации - биологический. Таким образом, при образовании органических веществ происходят вещественные, энергетические, информационные изменения...

Средний химический состав живого вещества.

Живое вещество состоит из воздушных (С, О, N, Н), водных мигрантов (Са, К, Nа, Мg и др.) и микроэлементов. Живое вещество - это, в первую очередь, кислородное вещество, т.к. содержание кислорода в нем - 70%. Большая часть кислорода связана с водородом и образует воду, количество которой обычно превышает 50%; содержание С=18%, Н=10.5%, N=0.3%; в сумме - 98.8%.

Водные мигранты - 1.2%, из них Са - главный металл живого вещества, его содержание - 0.5%. Микроэлементы - Сu, Ni, Со, Fе и др.: n *10-³- n * 10-⁵%.

Закономерности химического состава живого вещества: 1. Живое вещество состоит из элементов, которые в ландшафтах образуют или газообразные, или легкорастворимые соединения;

2. Наименее распространены элементы, находящиеся в конце периодической системы: Sе, U, Hg... Они ядовиты для живого вещества.

3. По химическому составу живое вещество следует за кларками литосферы, хотя прямой зависимости нет.

Биофильность элементов. Показатель был предложен А.И.Перельманом в 1972г. Он рассчитывается как отношение содержания элемента в живом веществе к его кларку. Биофильность или КК элементов в живом веществе характеризует способность живого вещества концентрировать элементы (или способность элементов концентрироваться в живом веществе). Наиболее биофильны С(7800), N (160), Н (70). Близки по биофильности анионогенные элементы О (1,5), СL (1,1), S (1), Р (0,75), В (0,83), Вг (0,71). Наименее биофильны Fе (2*10-³), А1 (6*10-11).

Средний химический состав вида является важным систематическим признаком. Так, в ряске малой содержится 2.5% С, в кладонии - 21.8% С; в клевере-0.01% Na, в солянке - 1.5-2% Na. Многие современные водоросли, бактерии, простейшие накапливают Si, Fе, Sг, I и др. элементы. Некоторые моллюски, водоросли, ракообразные (так называемые организмы-концентраторы) содержат до 10-15% Са, из которого построены их раковины, в то время, как большинство растений и живых организмов содержат 0,n —0,0n% Са. Целые крупные таксономические единицы растений накапливают определенные элементы: хвощи, злаки - кремнезем, плауны - алюминий, мхи - железо, грибы- фосфор и радиоактивные элементы, муравьи - марганец, змеи - цинк (в яде), моллюски - медь (входит в состав крови вместо железа, поэтому у них кровь - голубая; в ландшафтах, обогащенных медью, хорошо развиваются улитки), сфагнум и чай - кальциефобы.

О, Н, Са, С, N накапливают все виды, остальные элементы разными видами накапливаются по-разному. Низкоорганизованные накапливают отдельные элементы, а высокоорганизованные содержат элементы в, сбалансированном количестве. Такой отбор осуществлялся в ходе эволюции: сначала искалась оптимальная концентрация элементов и в конце эволюции пришли к накоплению самых важных элементов.

Дефицитные и избыточные элементы. Дефицитными называются такие элементы, добавление подвижных форм которых в ландшафт увеличивает ежегодную продукцию живого вещества (П). В большинстве случаев недостает именно подвижных форм, в то время, как общее (валовое) содержание элемента может быть велико. Поэтому существуют 2 пути компенсации дефицитных элементов в ландшафте: добавление извне недостающих элементов и повышение подвижности инертной части элементов. Агрохимия изучает вопросы дефицита химических элементов в с/х и решает их путем компенсации с помощью удобрений. В геохимии проблема дефицитных элементов стоит шире: дефицитные элементы изучаются для растений, животных, человека. Их дефицит может быть не только в почвах, но и в воздухе, в водах. Поэтому список дефицитных элементов расширился. В него, кроме традиционных N. Р, К, вошли также кислород (в болотных ландшафтах, в высокогорье), в подзолистых почвах -Са (поэтому одним из методов химической мелиорации подзолистых почв является известкование), Со, дефицит которого в ландшафте может привести к анемии, т.к. Со входит в состав крови.

Избыточными называются такие элементы, удаление которых (или их подвижных форм) увеличивает П. Например, О и Н (Н₂О) избыточны в болотных ландшафтах. В аридных (засоленных) ландшафтах избыточны Na, СL, S. Ландшафты рудных месторождений и некоторые другие имеют избыток тяжелых металлов; например, избыток Рb в придорожных ландшафтах может вызвать заболевание периферической нервной системы. Избыточность элементов может иметь разные аспекты; например, избыток Ni близ месторождений на Ю.Урале приводит к тому, что овцы, поедающие траву, слепнут, но качество шерсти у них улучшается. Геохимической особенностью Полесcких ландшафтов является дефицит Са, Мg, многих микроэлементов, избыток Н, О, Fе. С избыточностью бороться труднее, чем с дефицитом, один" из способов - осушительная мелиорация. Установление избыточных и дефицитных элементов - важная задача геохимии ландшафта. Прикладное значение это направление имеет для сельского хозяйства, медицины, поисков полезных ископаемых.

Под действием промывного режима в почвах лесной зоны формируется кислотно-щелочная зональность. Она заключается в следующем: кислая или слабокислая реакция в горизонте A1 сменяется нейтральной или слабощелочной в горизонте В. Повышение рН в горизонте В связано, в основном, с кислым выщелачиванием катионов из верхних горизонтов и их частичной аккумуляцией в нижних. Т.о., кислая среда в верхних горизонтах порождает щелочную в нижних.

Если увеличение рН происходит резко на границе горизонтов, т.е. кислая реакция сменяется щелочной на коротком расстоянии, там формируется щелочной барьер. На щелочном барьере могут концентрироваться Fе, Са, Мg, Мn, Ва, Sr, Сr, Zn, Сu, Ni, Со, Рb, Сd и др. металлы. В общем случае щелочной барьер формируется при резком увеличении рН. Особенно контрастные щелочные барьеры возникают на контакте силикатных и карбонатных пород.

Менее характерны для ландшафтов кислые барьеры, возникающие при резком уменьшении рН. На кислом барьере осаждаются анионогенные элементы: Si, Sе, Мо, Gе и др.

Окислительно-восстановительные условия (ОВУ) природных вод.

Окислением называется отдача электронов, а восстановлением - их приобретение. Окисление одного элемента, отдающего электроны, сопровождается восстановлением другого, приобретающего электроны. Важнейшим окислителем в ландшафте является кислород атмосферы. Окислителями могут быть и другие элементы, способные принимать электроны: Fе(III), Мn(IV), S(VI), N(V) и др. Восстановителями являются элементы, способные отдавать электроны: Fе(II), S²-, Н₂, Мn(II), элементы в металлическом состоянии: Сu, Аз, Сr(III), V(III) и т.д. Важнейшими восстановителями в ландшафте являются органические вещества (органические кислоты и др.), Fе(II), Н2.

При изучении окислительно-восстановительных процессов важно учитывать величину Еh - окислительно-восстановительный потенциал, который характерен для данной природной системы, а также Е₀ -«стандартный потенциал». Еh и Е₀ измеряются в вольтах.

Ярким показателем смены ОВУ является переход Fе³⁺ в Fе²⁺,т.к. с ним связано изменение окраски пород и почв. Соединения Fе³⁺ имеют красную и бурую окраску, а соединения Fе²⁺ - голубовато-сизую. Учитывая высокий кларк Fе и легкую индикацию его окисленных и восстановленных соединений (по смене окраски), удобно поведение Fе положить в основу выделения окислительно-восстановительных обстановок в ландшафте:

1) окислительная;

2) восстановительная глеевая (без Н₂S);

3) восстановительная сероводородная (с Н₂S).

Окислительная обстановка характеризуется присутствием в водах свободного О₂, поступающего из воздуха. Еh>0.15 В, часто - выше 0.4 В; железо - в форме Fе³⁺.

Кислородные воды обладают высокой окислительной способностью, в них осуществляется микробиологическое окисление органических веществ до СО₂ и Н₂О, протекают различные реакции окисления неорганических веществ - двухвалентных железа и марганца и других элементов. Хром, ванадий, сера, селен в высоких степенях окисления образуют растворимые соединения - хроматы, ванадаты, селенаты, сульфаты. Fе и Мn образуют труднорастворимые соединения Fе³⁺, Мn⁴⁺, что объясняет их слабую миграцию в таких ландшафтах.

Для каждого ландшафта можно установить определенную глубину кислородной поверхности, глубже которой вода уже не содержит свободного кислорода. В ряде случаев она совпадает с уровнем грунтовых вод.

Восстановительная глеевая обстановка (без Н₂S) создается в пресных водах, не содержащих свободного кислорода, и богатых органическими остатками. Микроорганизмы окисляют органические вещества за счет кислорода органических и неорганических соединений. В водах появляются СН(, Fе²⁺, Н₂, Мn²⁺ и др. Так как воды содержат мало SО₄²-, то сероводород не образуется. Высокую подвижность приобретают Fе и Мn, отчасти - другие металлы, входящие в состав органических комплексов. В почвах, коре выветривания развивается оглеение. Этот тип восстановительной обстановки характерен для болот влажнотропической, тундровой, таежной, лесостепной зон (Еh<0.4 В, местами <0).

Восстановительная сероводородная обстановка (с Н₂S) создается в бескислородных водах, богатых SО₄²-. Кислород, необходимый для окисления, микроорганизмы отнимают у Nа₂SО₄ и других сульфатов. В результате происходит микробиологическое восстановление сульфатов и окисление органических веществ за счет отнятого у них кислорoда. При этом развиваются сульфатредуцирующие бактерии, у которых этот процесс играет роль дыхательного акта, и таким путем они получают необходимую для жизни энергию.

С₆Н,₂О₆ + 3Nа₂SО₄ ->3СО₂ +3Na₂СО₃ +3Н₂S +3Н₂О +Q Дж

Микроорганизмы окисляют сахар за счет кислорода, содержащегося в Nа₂SО₄ - В результате десульфуризации воды обогащаются Н₂S (до 2 г/л), СО₂, в них понижается содержание SО₄²-. Присутствие Н₂S приводит к осаждению металлов, образующих нерастворимые сульфиды. Оглеение не развивается; в геохимическом отношении данная обстановка противоположна предыдущей (Еh <0, до -0.5 В). В ландшафтах эта обстановка встречается в солончаках и илах соленых озер степей и пустьшь, в глубоких горизонтах подземных вод некоторых районов. • В природных системах ландшафта происходит закономерная смена ОВУ, образуется ОВ зональность. Наиболее восстановительные условия возникают в местах энергичного разложения органических веществ (в горизонте А почв, в верхней части илов и т.д.), более окислительные условия и рост ЕЬ наблюдается глубже восстановительных (в гор. В, в глубоких частях илов).

Биогеохимический барьер (БГХБ) формируется в живом веществе. Выделяются 2 класса БГХБ: фитобарьер и собственно биогеохимический. На фитобарьере концентрируются С, О, Н, N. I, Са, К, Р, Мn, Вr и др. Он представлен фитоярусом в ландшафтах. На БГХ барьере концентрируются Са, К, Р, В, Sr, Мn, Ni и др., в ландшафте это торф, гумусовые горизонты почв.

Разложение органического вещества - процесс, протекающий в ландшафтах параллельно биогенной аккумуляции, но в противоположном направлении, т.е. в направлении перехода химических элементов из органических' соединений в минеральные. При минерализации органического вещества происходит выделение энергии. Основная роль в минерализации органики в ландшафте принадлежит микроорганизмам. Различают аэробные и анаэробные бактерии, которые могут развиваться, соответственно, в присутствии О₂ и в бескислородных условиях. Используя химическую энергию, заключенную в органических соединениях, микроорганизмы превращают белки, жиры, углеводы и другие высокомолекулярные соединения в простые: СО2, Н₂О, NH₄ и др. Все органические вещества поддаются микробиологическому разложению, даже такие устойчивые, как смолы, воск, хитин.

В ходе минерализации высвобождается энергия, заключавшаяся в органическом веществе, часть этой энергии выделяется в виде тепла, другая часть - в виде химической энергии минеральных веществ, которой обогащаются, преимущественно, природные воды. В них попадают продукты минерализации (СО₂), что повышает химическую активность вод и способствует увеличению их растворяющей способности. Т.о., процессы минерализации обогащают ландшафт свободной энергией, делают его неравновесной системой. Однако это не приводит природную геосистему (ландшафт) в неустойчивое состояние, поскольку снижение энергии в системе (благодаря минерализации органического вещества) компенсируется поступлением энергии в ландшафт в результате образования органического вещества (биогенной аккумуляции). Это пример действия обратной отрицательной связи в системе. Таким образом, природная геосистема (биогенный ландшафт) — это саморазвивающаяся и саморегулирующаяся неравновесная, но стационарная (устойчивая) система, т.е. находящаяся в состоянии динамического равновесия. Минерализация - это процесс уменьшения биологической информации, т.к. он ведет к уменьшению сложности, упорядоченности, разнообразия системы. Важным геохимическим параметром процесса минерализации органического вещества является опад (ц/га). Он состоит из ежегодного растительного опада, зеленой части опада, лесной подстилки, гумуса. Отношение подстилки к зеленой части опада характеризует интенсивность разложения органических веществ. Для заболоченных лесов Зап. Сибири он равен 5000%, для влажных тропиков - 10%.

Биогенная аккумуляция химических элементов в почве. После минерализации остатков растений в верхнем горизонте почв аккумулируются элементы биологического накопления (Ах₂>1). Наибольшее биологическое накопление характерно для Р и S (Ах₂*100). Биогенным путем накапливаются также Са, К, Мn, редкие элементы Сu, Ni, Со, Gе, Мо, Zn и др. Таким образом, биогенная аккумуляция препятствует выщелачиванию химических элементов из ландшафтов. Это - механизм отрицательной обратной биокосной связи, способствующей сохранению химического состава почв в равновесном состоянии, что объясняет очень медленную эволюцию почв (несколько тысяч лет).

Дата добавления: 2014-01-07