Эндогенный и экзогенный циклы
Весь взаимообмен между отдельными резервуарами – оболочками планеты имеет циклический характер. Мы уже упоминали большой геологический цикл (рис.2). Более подробное его рассмотрение позволяет выделить в нем два цикла, называемые в англоязычных источниках экзогенный и эндогенный (рис.3).
Рис.3. Экзогенный и эндогенный циклы. Гидрологический цикл Круговорот между резервуарами воды в гидросфере называется гидрологическим циклом. Хотя объем водяных паров, содержащихся в атмосфере, мал (около 0,013 • 106 км3), вода постоянно движется через этот резервуар. Она испаряется с поверхности океанов (0,423 • 106 км3/год) и суши (0,073 • 106 км3/ год) и переносится с воздушными массами (0,037 • 106 км3/год). Несмотря на короткое время пребывания в атмосфере (обычно 10 дней), среднее расстояние водопереноса составляет около 1000 км. Водяные пары затем возвращаются либо в океаны (0,386 • 106 км3/год), либо на континенты (0,110 • 106 км3/год) в виде снега или дождя. Большая часть дождевых осадков, попадающих на континенты, просачивается через отложения и пористые или раздробленные породы, образуя подземные воды (9,5 • 106 км3); остальная вода течет по поверхности в виде рек (0,13 • 106 км3) или вновь испаряется в атмосферу. Поскольку общее количество воды в гидросфере постоянно во времени, процессы испарения и осаждения должны быть сбалансированы для Земли в целом. Быстрый перенос воды в атмосфере обусловливается поступающим солнечным излучением. Почти все излучение, достигающее коры, идет на испарение жидкой воды и образование атмосферных водяных паров. Энергия, используемая для этого преобразования, которая затем содержится в парах, называется скрытой теплотой испарения. Большая часть из оставшегося излучения поглощается корой, причем эффективность этого процесса уменьшается с увеличением широты, в основном из-за сферической формы Земли. Солнечные лучи нагревают поверхность Земли под углом 90° на экваторе, но с увеличением широты под все меньшими углами, приближаясь к 0° на полюсах. Таким образом, одинаковое количество излучения распространяется на большие площади в высоких широтах по сравнению с экватором. Изменение с широтой количества поступающего излучения не сбалансировано противоположным явлением излучения с поверхности Земли, таким образом, результатом является общий радиационный дисбаланс. Однако полюса не становятся все более холодными, а экватор — теплее, поскольку тепло перемещается в направлении полюсов с теплыми океаническими течениями, а также существует направленное к полюсам движение теплого воздуха и скрытой теплоты испарения водяных паров (Гусакова, 2004).
Циклы биогенных элементов Биогенные элементы циркулируют в экосистемах, т.е. совершают биогеохимические циклы (В.И. Вернадский). Все циклы взаимосвязаны в природе и в совокупности формируют устойчивую структуру биосферы в целом. Замкнутость нормальных биогеохимических циклов неполная – это очень важное свойство. Именно оно обусловило биогенное накопление кислорода и озона в атмосфере Земли, а также различных химических соединений в литосфере. Вместе с тем следует отметить, что доля вещества выходящего из биосферного цикла (от 10 до 1000 лет) в геологический цикл (1 000 000 лет) в год невелика. Лишь громадное время истории развития биосферы (≈ 4 млрд. лет) позволило осуществить подобные биогенные накопления элементов. В каждом биогеохимическом цикле можно выделить два фонда: · резервный – большая масса медленно движущихся веществ, в основном в составе абиотического компонента;
· обменный (подвижный) – меньший, но более активный. Быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением. Среди биогеохимических циклов выделяют циклы двух типов: газообразных и осадочных веществ. Так, углерод, азот, кислород находятся преимущественно в виде летучих соединений. Железо, фосфор и кальций сосредоточены в негазообразных веществах. Нарушения в циклах первого типа быстро устраняются, их называют «хорошо забуферными», так как способность возвращаться к исходному состоянию очень высока. Самтконтроль циклов второго типа затруднен, они легче нарушаются. Явление «забуферности» здесь не выражено. Механизмы, обеспечивающие восстановление равновесия в круговороте, во многих случаях основаны на биологических процессах. Поэтому человек, если по его вине нарушено равновесие в цикле, может лишь ждать или чаще всего не в силах ничего поправить. В связи с хозяйственной деятельностью человека и вовлечением в биоферный поток техногенных продуктов возникли проблемы обусловленные нарушением биогеохимических циклов. Циклы некоторых элементов (N, S, P, K, тяжелые металлы) превратились в природно-антропогенные – значительно незамкнутые. Некоторые же материалы, созданые человеком, вообще не способны включаться в природные циклы, и не перерабатываясь в экосистемах, являясь чуждыми загрязняют их. Усилия по охране природы должны быть направлены на возвращение веществ в круговорот. Цикл углерода. Главный резервный фонд составляет углерод, растворенный в Мировом океане, оперативно доставляемый атмосферой в регионы, где происходит наиболее интенсивное связывание углекислоты в процессе фотосинтеза. Колоссальные количества углерода ежегодно связываются и трансформируются биотой, играющей в этом цикле ведущую роль. Тесно связан с углеродным циклом и цикл кислорода, резервный фонд которого в атмосфере, как мы уже отмечали выше, создан исключительно благодаря деятельности биоты. Два главных процесса, постоянно осуществляющихся биотой – продукция и деструкция органического вещества (фотосинтез и дыхание/брожение) сводятся к чрезвычайно простому уравнению реакции: n СО2 + n Н2О ↔ (СН2О) n + n О2 Естественно, это – крайняя степень упрощения, биохимические и биофизические механизмы обеих реакций достаточно сложны, но данная форма записи достаточно наглядно демонстрирует неразрывную связь циклов углерода и кислорода.
Не менее важны, хотя и меньше известны циклы других необходимых для построения живого вещества элементов – азота и фосфора. Резервный фонд первого находится в атмосфере, второго – в литосфере. Являясь самым массовым газом в атмосфере, азот, тем не менее, не может напрямую вовлекаться зелеными растениями в биогеохимический цикл. Молекулярный азот – вещество крайне инертное и в реакции вступать не расположенное. Два атома в его молекуле прочно удерживаются тремя ковалентными связями: N ≡ N. Для их разрыва и превращения молекулярного азота в вещества, которые растения способны усваивать и включать в свой метаболизм, необходимо затратить энергию и энергию достаточно значительную. В атмосфере некоторое количество азота превращается в окись и двуокись азота, которые, связываясь с молекулами воды, переходят в ионную форму нитритов и нитратов. При этом затрачивается энергия электрических разрядов. Таким путем вовлекается в биогеохимический цикл примерно 20 % всего участвующего в нем азота. Весь остальной азот становится доступен растениям и, следовательно, остальной биоте только благодаря деятельности прокариотических микроорганизмов – бактерий, способных усваивать молекулярный азот, превращая его в ионы аммония: N2 + 2H2O + 2CH2O → 2NH4 + + 2CO2. Приведенное уравнение реакции – не более чем схема, поскольку реальные процессы намного сложнее. Достаточно упомянуть, что для фиксации азота бактерии используют энергию, получаемую при разложении значительно большего количества органического вещества, чем это следует из приведенного уравнения. На связывание 1 г азота расходуется энергия, заключенная примерно в 10 г углеводов. Микробиологическое связывание азота постоянно происходит. Образование из ионов аммония нитрит- и нитрат-анионов может происходить уже самопроизвольно в присутствии кислорода, а вот образование из неорганических веществ (аммония, нитритов, нитратов) аминокислот и нуклеотидов, белков и нуклеиновых кислот возможно только в результате биохимических реакций, осуществляющихся растениями.
Организмы биоты, использовав азот, возвращают его в атмосферу. Цикл замыкается. Значительно проще биогеохимический круговорот фосфора. В результате эрозии фосфаты вымываются из богатых ими осадочных и вулканических пород, в растворенной форме усваиваются растениями, включаясь в состав живого вещества. В организмах фосфор используется для построения нуклеиновых кислот и как важный компонент «энергетической валюты» биохимии – АТФ. По использовании, фосфор выводится из биоты вновь в форме фосфатов и захоранивается в донных осадках. Если учитывать азот и фосфор в приведенном выше уравнении фотосинтеза/дыхания, то мы получим: 106 СO2 + 16 NO3 – + HPO4 2– + 122 H2O + 18 H+ ↔ C106H263O110N16P + 138 O2. Значения коэффициентов в этом уравнении будут увеличиваться по мере учета все новых и новых элементов, участвующих в построении живого вещества. Кроме вышерассмотренных к числу «больших» элементов, необходимых для жизни, относится сера. Резервный фонд ее, как и у фосфора, сосредоточен в осадочных породах. Цикл ее достаточно прост, но он интересен тем, что в нем очень существенную (едва ли не большую, чем в цикле азота) роль играют микроорганизмы. Основной источник серы – выветривание, благодаря которому сера вовлекается в кругооборот из своего осадочного резервного фонда (сульфидсодержащих горных пород): FeS2 + 3,5 O2 + H2O → FeSO4 + H2SO4 Сульфатредуцирующие бактерии, использующие серу в качестве акцептора электронов (как мы – кислород) для извлечения необходимой им энергии из органических веществ, образуют сероводород в отсутствие кислорода: H2SO4 + 2CH2O →2CO2 + 2H2O+H2S, H2SO4 + 4H2 → 4 H2O + H2S. Примером таких бактерий является облигатный анаэроб Desulfovibrio. В присутствии кислорода целый ряд серных бактерий окисляет сероводород до серы и серной кислоты: H2S + O2 → S + H2O, S + 1,5O2 + H2O →H2SO4. Это, например, Beggiatoa, и Thiothrix, которые накапливают серу внутри своих клеток. Бактерии рода Thiobacillus также окисляют сульфиты до серы и сульфатов, откладывая серу снаружи клеток: 2 Na2S2O3 + O2 →2S + 2Na2SO4. Главным образом, благодаря этим и подобным им бактериям и сформировались современные запасы самородной серы. В отсутствие кислорода бактерия Thiobacillus denitrificans окисляет серу и сульфиты до сульфатов, используя нитраты. Здесь мы видим связь циклов азота и серы: 5S2O3 2– + 8NO3 – + 2 HCO3 – →10 SO4 2–+2 CO2 + H2O + 4N2, 5S + 6 NO3 – + 2CO3 2– →5 SO4 2– + 2CO2 + 3N2.
Существуют и бактерии, использующие серу в хемосинтезе органического вещества – зеленые серные бактерии: CO2 + 2 H2S →CH2O + H2O + 2S, 2CO2 + 2H2O + H2S →2(CH2O) + H2SO4, и пурпурные бактерии: 2 CO2+Na2S2O3+3H2O → 2CH2O + Na2SO4 + H2SO4. Контрольные вопросы 1. Что такое эндогенный и экзогенный циклы? 2. Что называется гидрологическим циклом? 3. Какие фонды можно выделить в биогеохимическом цикле? 4. Охарактеризуйте цикл углерода. 5. Охарактеризуйте циклы азота, фосфора и серы. ГЛАВА 5. МИГРАЦИЯ ВЕЩЕСТВ Выделяют 4 основных типа миграции: механическая, физико-химическая, биогенная, техногенная.
Механическая Механическая миграция (механогенез) обусловлена работой рек, течений, ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и других факторов, детально изучаемых в соответствующих разделах геологии, геоморфологии, вулканологии, океанологии и т.д. Характерное явление механогенеза - раздробление горных пород и минералов, ведущее к увеличению степени их дисперсности, растворимости, развитию сорбции. При диспергировании резко увеличивается суммарная поверхность частиц, а следовательно, и их поверхностная энергия. Увеличивается и растворимость минералов, многие минералы при этом разлагаются. Так, при диспергировании сульфидов происходит их частичное разложение на металл и серу. Гидратные минералы выделяют воду. При механогенезе тяжелые минералы ведут себя как частицы более крупного размера, т.е. при механической миграции важным фактором является плотность минералов. Механическая миграция зависит также от твердости, податливости к выветриванию минералов. Твердые минералы (например, циркон, алмаз, касситерит) хорошо сохраняются в осадках, так как при механическом переносе истираются с большим трудом. Способность минералов сопротивляться истиранию называется абразивной прочностью. Абразивная прочность зависит не только от твердости минералов, но и от их химической устойчивости. Нисходящий ряд некоторых наиболее распространенных минералов по абразивной прочности: золото, киноварь, вольфрамит, пироксены, лимонит, колумбит, платина, эпидот, роговая обманка, дистен, оливин, апатит, монацит, ставролит, андалузит, железный блеск, пирит, ильменит, магнетит, касситерит, хромшпинелиды, циркон, турмалин, осмистый иридий, топаз, рутил, шпинель, корунд, яшма. Показателем механической миграции (Рм) является годовой расход взвешенных частиц в створе реки в т/км2 площади бассейна. Рм зависит от климата, геологического строения местности и рельефа. Максимальная величина Рм характерна для аридных гор (Рм = 1000 т/ км2), минимальная - для гумидных лесных равнин. Представление о соотношении механической и химической миграции дает отношение среднегодовой минерализации воды к среднегодовой мутности. В современную геологическую эпоху механическая миграция преобладает над химической. В истории отдельных химических элементов механическая миграция играет различную роль. Она велика для Si, Ni, Zr, Hf и мала для Со, Мg, Сl, Nа. В механической миграции большую роль играют эоловые процессы. По Л. П. Лисицыну, перенос вещества в атмосфере может быть трех видов: • стратосферный (на высоте 15-60 км); • тропосферный (на высоте 8-12 км частицы могут мигрировать на сотни и тысячи километров), • локальный (миграция на десятки и сотни километров). Существует гипотеза об эоловом образовании лесов, покровных суглинков, песков пустынь. Особенно велика была роль эоловых процессов в ледниковые периодыс их сухим холодным климатом и сильными ветрами. Наличие пыльных бурь установлено на Марсе. Механическая миграция на склонах обязана таким процессам, как дефлюкция (сползание вязкого или пластичного течения), солифлюкция (сползание переувлажненной массы на мерзлом основании), крип (перемещение при совместном действии силы тяжести и др. факторов). Физико-химическая Физико-химическая миграция - это перемещение, перераспределение химических элементов в земной коре и на ее поверхности. Интенсивность и направление миграции химических элементов зависят от внутренних и внешних факторов. К внутренним факторам миграции относятся: 1) особенности ионов; 2) форма, в которой присутствует элемент; 3) химические свойства элемента. К внешним факторам миграции относят физико-химические и биологические условия миграции. Это: 1) щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия; 2) водный режим; 3) температурный режим; 4) давление; 5) жизнедеятельность живых организмов. Внутренние факторы физико-химической миграции 1. Электростатические свойства ионов - эта группа факторов учитывается только при миграции элементов в виде ионов. Ионная миграция характерна для: а) водных растворов, б) магматических расплавов, в) газовых смесей, г) живого вещества. Электростатические свойства ионов во многом обусловлены размерами ионных радиусов элементов. С увеличением радиуса иона обычно возрастает дальность миграции. Показателями электростатических свойств ионов служат ионный потенциал Картледжа и энергетические коэффициенты ионов. Ионный потенциал Картледжа рассчитывают по формуле: ПК= W/10Ri, где ПК - потенциал Картледжа, W - валентность иона, Ri- радиус иона, нм. По этому показателю химические элементы делятся на 3 группы: 1. ПК ниже 3. Элементы с такими значениями потенциала обычно легко переходят в природные воды из твердой фазы в виде ионов и не образуют комплексных соединений: К, Nа, Са, Li, Rb, Сs, Ва. 2. ПК от 3-12. Элементы с такими значениями потенциала Картледжа образуют труднорастворимые гидролизованные соединения. К элементам этой группы относят: Fе, А1, Zr, V, Сr и др. 3. ПК выше 12. Элементы этой группы, соединяясь с кислородом, образуют комплексные растворимые соединения. Это В, С, N, Р, S. Энергетические коэффициенты (ЭК) отражают последовательность кристаллизации минералов из растворов и расплавов и обусловлены, в основном, энергией их кристаллических решеток. Ионы с большими значениями ЭК выпадают из растворов раньше. В процессах миграции они менее подвижны и поэтому накапливаются в элювии. Ионы с малыми энергетическими коэффициентами (Nа, К, Rb, Сs, Li) обладают легкой растворимостью и высокой миграционной способностью. Степень электролитической диссоциации характеризует количество ионов, образовавшихся при растворении вещества. Показателем степени диссоциации является коэффициент диссоциации, он зависит от природы как растворенного вещества, так и растворителя, и поэтому этот показатель можно отнести как к внутренним, так и к внешним факторам миграции. Степенью электролитической диссоциации определяется последовательность выпадения вещества в осадок. Однако невозможно объяснить все разнообразие миграционных процессов свойствами ионов, т.к. многие элементы мигрируют в виде недиссоциированных молекул, особенно это относится к гидрооксидам. Неионная форма преобладает и в органических соединениях (коллоидные мицеллы), многие из которых хорошо растворимы в воде (фульвокислоты, например). В комплексе с органическим веществом мигрируют и многие металлы. 2. Форма, в которой находится элемент, и соответственно его химические свойства, также относится к внутренним факторам миграции. В. И. Вернадский выделял 4 формы нахождения элемента в природе: горные породы и минералы, живое вещество, магмы (силикатные расплавы) и рассеяние. Естественно, что интенсивность миграции элементов, находящихся в различных формах и соединениях, - различна. Например, Nа-альбита и Nа-галита: минералы характеризуются различной растворимостью и абразивной прочностью, скорость миграции натрия из этих двух минералов разнится довольно-таки значительно. Металлы могут накапливаться в земной коре в виде карбонатов, оксидов, сульфатов, сульфидов и т.д. В целом, существует такая закономерность: кислородные соединения металлов на земной поверхности более устойчивы, чем, например, сульфиды. Внешние факторы миграции 1. Температурный режим. С повышением температуры увеличивается миграционная способность элементов, находящихся в растворах и расплавах, повышается скорость химических реакций (принцип Ле-Шателье). 2. Давление. При изучении гидротермальных, магматических и метаморфических процессов обязательно учитывают такой внешний фактор, как давление. В пределах же биосферы и почв давление существенного влияния не оказывает, т.к. значительного изменения его не наблюдается. 3. Кислотно-основные условия среды. Концентрация ионов Н+ также оказывает значительное влияние на водную миграцию элементов в зоне гипергенеза. Этот фактор контролирует осаждение из растворов многих соединений, коагуляцию коллоидов, влияет на поступление элементов в растения, на подвижность многих металлов (табл.7). Таблица 7 Значения рН начала осаждения гидрооксидов некоторых элементов из разбавленных растворов (В. А. Алексеенко)
Образование комплексных анионов сильно осложняет эту картину. Например, рН осаждения UО2(ОН)2 3,8-6,0 (в зависимости от концентрации урана в растворе). Т.е. при значениях рН выше 6 миграция UO22+ не должна происходить. Но известно, что уран в таких водах мигрирует. Это связано с образованием растворимых карбонатных комплексов. Для большинства металлов образование комплексных ионов повышает рН осаждения гидрооксидов и повышает растворимость вообще. Nа, Са, К, RЬ, Сs в земной коре не образуют гидроксидов и для их осаждения рН вод имеет лишь косвенное значение, как фактор, влияющий на сорбцию, растворимость солей и т.д. Необходимо иметь в виду, что повышение температуры изменяет ионное произведение воды [H+]·[OH-] и при t=100°С в нейтральной среде рН=6,12, а при t=400° - 5,5, а следовательно, изменяются в термальных водах и растворимости гидроксидов металлов. 4. Окислительно-восстановительные условия. Этиусловия очень сильно влияют на миграцию элементов. Важнейшие окислители – О2, Fе3+, Мп4+, восстановители - Fе2+, Н2. В бескислородной обстановке (для почв - глеевая среда) увеличивается миграционная способность катионогенных элементов и уменьшается - анионогенных, ускоряется разложение алюмосиликатов. В восстановительной сероводородной среде Н2S вступает в реакции со многими металлами, вызывая их осаждение из раствора. Восстановительная обстановка даже периодического характера в теплое время года сопровождается интенсивной миграцией соединений Fе, Мn, Со, Ni, Сu. При усилении анаэробной обстановки железо присутствует в болотных водах в виде Fе2+. Чем меньше доступ кислорода и ниже значения рН, тем выше подвижность соединений железа. В периоды аэрации начинается переход Fе2+ в Fе3+ и интенсивное выпадение в осадок, накопление его соединений. Особую роль в водной миграции играют коллоиды. Миграция в коллоидной форме характерна для гумуса, соединений Si, А1, Fе, Мn, Zr, Sn, Ti, V, Сr, Ni и многих других элементов. Одна из особенностей процесса сорбции на коллоидах - селективность. Состав сорбируемых веществ во многом определяется зарядом сорбента. Преимущественно сорбируются ионы, имеющие общую атомную группировку. Лучше сорбируются поливалентные, чем моновалентные ионы, а среди моновалентных - те, чей радиус - больше. Таким образом, физико-химическая миграция подчиняется законам физики и химии и обусловливается такими процессами, как диффузия, растворение, осаждение, сорбция, десорбция и т.д. При этом она может протекать в ионной или коллоидной форме.
Интенсивность миграции и классификация элементов по особенностям миграции Интенсивность миграции выражается скоростью перехода в подвижное состояние одного грамма вещества данного элемента: Рx=1/Вх ·dВ/dt, где Рx - интенсивность миграции; Вх - число атомов элемента, перешедших в подвижное состояние; dВ/dt - число атомов элемента, перешедших в подвижное состояние за время dt. Чем больше величина Вх, тем меньше интенсивность миграции. Величина Вх зависит от кларка концентрации (Кk) элемента. При сходных химических свойствах элемент с меньшим Кk мигрирует интенсивнее. Миграционная способность химических элементов различается очень значительно, но все же удается сгруппировать элементы по их подвижности, и такие попытки делали неоднократно. Так, по классификации В. М. Гольдшмидта (1924), все элементы разделены на 4 группы (см. выше). Конечно, в классификации Гольдшмидта было много условного, наблюдаются взаимопроникновения (повторы), она характеризует поведение элементов преимущественно в жидких фазах (растворах), а также распределение элементов между твердыми и жидкими фазами. Б. Б. Полынов (1933) вычислил условные единицы миграции элементов путем деления содержания компонента в горной породе на его количество в омывающих породы водах. Это позволило ему объединить химические элементы по геохимической подвижности в группы, названные им рядами миграции (табл.8). Таблица 8 Миграционные ряды элементов в коре выветривания
Более подробная геохимическая классификации элементов по особенностям их миграции в ландшафтах была дана А. И. Перельманом (табл.9). Таблица 9 Геохимическая классификация элементов по особенностям их миграции в ландшафтах (по А.И. Перельману)
В основе этой классификации лежит деление на воздушные и водные мигранты. Первые мигрируют как в газообразном состоянии, так и с водным раствором. Вторые в газообразном состоянии не мигрируют или мигрируют слабо. В классификации учтена зависимость миграционной способности химических элементов в разных окислительно-восстановительных средах. Конечно, все эти классификации довольно условны и их следует воспринимать примерно так же, как и распределение элементов по различным средам. Там выявляется общий тип распределения элементов по различным оболочкам, но в конкретных средах могут сложиться совсем иные соотношения, не отвечающие среднему содержанию. Точно так же и оценка подвижности элементов дана в целом для биосферы как некая общая характеристика, тогда как в реальной природной обстановке могут складываться условия, резко изменяющие подвижность химических элементов. Именно потому, что в классификации А. И. Перельмана по возможности учтен этот фактор, она представляется более удачной для целей почвоведения и более полезной для биогеохимии. В почвенной среде главные факторы среды, влияющие на растворимость и подвижность элементов, следующие: рН среды, окислительно-восстановительный потенциал, наличие и свойства органического вещества, присутствие сопутствующих катионов и анионов, емкость поглощения, минералогический состав. Известны и почвы с рН до 10,0-11,0. Таковы содово-засоленные почвы, глубокие горизонты орошаемых почв. Таким образом, интервал рН достигает 8-11 единиц, в то же время для гидрооксидов 3-валентных металлов изменение рН на единицу вызывает изменение растворимости по катионам на 3 порядка. Для 2-валентных - на 2 порядка, а для 1-валентных катионов - на порядок. Необходимо учитывать также, что в почвах низкие значения рН, как правило, соответствуют промывному режиму, и вполне реальным представляются в таких условиях вынос практически любых катионов, разрушение карбонатов и алюмосиликатов. Окислительно-восстановительный режим (ОВП). Характер ОВП зависит от многих свойств почвы. В частности, очень важен водный режим. Поэтому трудно оценивать значение ОВП, как и рН, без учета всей совокупности характеристик почвы. Но все же можно выделить те моменты, которые напрямую связаны с ОВП. Основное - переход элементов с образованием различных степеней окисленности. К таким элементам следует отнести Н, С, N, Si, S, С1, Сr, Мn, Fе, Со, Сu, Аs, Sе, Sn, Sb, I, W, Рb. Таким образом, значительная часть элементов может изменять свое состояние окис-ленности, и их поведение зависит прежде всего от степени окисления, а следовательно от окислительно-восстановительного потенциала. Для почв обычно выделяют резко восстановительные условия с ОВП менее -200 мВ, восстановительные (-200 - 200 мВ), слабо восстановительные (200 - 400 мВ), слабо окислительные (400 - 600 мВ), сильно окислительные (более 600 мВ). Сочетание ОВП и кислотно-основных режимов создает довольно большое разнообразие условий и факторов миграции. Наиболее благоприятные условия для миграции создаются в восстановительной среде. Это обусловлено следующими причинами. Соединения закисных форм состояния элементов более легко растворимы, меньше зависят от рН, при этом имеет место достаточно интенсивное влагонасыщение, что способствует миграции элементов. О влиянии органического вещества на миграцию элементов сведений сравнительно мало. Но, в целом, это влияние противоречиво. Значительная часть органического вещества в почвах и почвообразующих породах представлена почти нерастворимыми формами, поэтому органическое вещество связывает многие катионы. Но растворимые органические вещества, связывая металлы, способствуют их перемещению в толще почв и пород. Преимущественно это относится к щелочным металлам. Органическое вещество оказывает и косвенное влияние на миграцию химических элементов. Высокое содержание органического вещества влечет за собой, как правило, снижение ОВП, а это способствует усилению миграционной способности. Биогенная Одна из наиболее сложных форм миграции, обусловленная совокупной жизнедеятельностью живых организмов, - биогенная миграция. Растительность и животные организмы удерживают в своих тканях миллиарды тонн минеральных веществ. Чем больше биогенное значение химических элементов, тем лучше они защищены от прямого выноса грунтовыми и речными водами. Поэтому элементы с высокой степенью биогенности (Р, Са, К, S, С, N) обладают меньшей миграционной способностью, чем элементы, не играющие существенной роли в химическом составе живого вещества (С1, Nа, Мg). Химические элементы малой биогенности легко отбрасываются или мало захватываются живыми организмами, поэтому они характеризуются высокой миграционной способностью и выносятся далеко за пределы ареала своего образования, участвуют в процессах соленакопления (карбонаты и бикарбонаты, сульфаты и хлориды натрия и магния). Живое вещество активно влияет на геохимическую среду, дифференциацию, отток и задержание химических элементов через пищевые цепи, метаболиты, постмортальные остатки. Кларки живого вещества впервые подсчитал В. И. Вернадский, а уточнили А. П. Виноградов и В. В. Добровольский: А. Воздушные мигранты (98,8%): О - 70; С - 18; Н -10,5; N-0,3 Б. Водные мигранты (1,2%) Макроэлементы: Са - 0,5; К - 0,3; Si - 0,2; Мg - 0,04; Р - 0,07; S - 0,05; Nа - 0,02; С1 - 0,02; Fе - 0,01%. Микроэлементы: Мn - 9,6 ·10-3, А1 - 5 ·10-з, Zn -2 · 10-3, Sr- 1,6 · 10-3, Т1 - 1,3 · 10-з, В – 1 · 10-3, Ва – 9 · 10-4, Сu - 3,2 · 10-4, Zr - 3 ·10-4, Rb – 2 · 10-4, Вr -1,6 · 10-4, F- 1,4 · 10-4, Рb – 1 · 10-4, Ni – 8 · 10-5, Сr -7 · 10-5, V- 6 · 10-5, Li – 6 · 10-5, Со -4 · 10-5, Y – 3 · 10-5, Lа – 3 · 10-5, Мо- 2 · 10-5, I - 1,2 · 10-5, Sn – 1 · 10-5, Аs – 6 · 10-6, Ве – 4 · 10-6, Gа – 2 · 10-6, Sе – 2 · 10-6, W -1 · 10-6, Аg-1,2 · 10-6, U – 8 · 10-7, Hg – 5 · 10-7, Sb – 2 · 10-7, Cd – 2 · 10-7, Au – 1 · 10-8, Ra – n · 10-12. Элементы, обнаруженные в живом веществе, но не установлены их кларки: Не, Ne, Аr, Sс, Кr, Nb, Rh, Рd, In, Те, Хе, Та, Т1, Вi, Тh. Не обнаружены в живом веществе (на сегодняшний день): Ru, Нf, Re, Оs, Ir, Ро, Ас, Тс, Аt, Fr (три последних элемента не найдены и в земной коре). Из этих данных следует: 1. Кларки концентраций живого вещества уменьшаются с ростом атомной массы элементов. 2. Организмы - кислородные существа. 3. Главная особенность истории живого вещества - образование из газов и превращение после смерти в газы. 4. Подвижные в земной коре элементы активно захватываются живым веществом, мало подвижные - слабо захватываются (яркий пример - алюминий, содержание которого в земной коре 8,05 - на 3-ем месте после О и Si, а в живых системах - это микроэлемент) (Безуглова, 2000). Контрольные вопросы 1. Какие типы миграции Вам известны? 2. Что является показателем механической миграции? 3. От чего зависит интенсивность и направление миграции химических эелементов? 4. Что относится к внутренним факторам физико- химической миграции? Охарактеризуйте их. 5. Что относится к внешним факторам физико- химической миграции? Охарактеризуйте их. 6. Какие Вам известны классификации элементов по особенностям миграции? 7. Что такое биогенная миграция? Дайте характеристику.
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|