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 (Р_м) является го­довой расход взвешенных частиц в створе реки в т/км² площади бассейна. Р_м зависит от климата, геологическо­го строения местности и рельефа. Максимальная вели­чина Р_м характерна для аридных гор (Р_м = 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/10R_i,

где ПК - потенциал Картледжа, W - валентность иона, R_i- 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)

Элемент	рН	Элемент	рН	Элемент	рН	Элемент	рН
Zr4+	2,0	Al3+	4,1	Cd2+	6,7	Hg2+	7,3
Sn2+	3,0	U6+	4,2	Ni2+	6,7	Ce3+	7,4
Ce4+	2,7	Cr3+	5,3	Co2+	6,8	La3+	8,4
Fe3+	2,48	Cu2+	5,3	Y3+	6,8	Ag+	9,0
Hg+	3,0	Fe2+	5,5	Sm3+	6,8	Mn2+	9,0
In3+	3,4	Be2+	5,7	Zn2+	7,0	Mg2+	10,5
Th4+	3,5	Pb2+	6,0	Nd3+	7,0

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:

Р_x=1/В_х ·dВ/dt,

где Р_x - интенсивность миграции;

В_х - число атомов элемента, перешедших в подвижное состояние;

dВ/dt - число атомов элемента, перешедших в подвижное состояние за время dt. Чем больше величина В_х, тем меньше интенсивность миграции. Величина В_х зависит от кларка концентра­ции (К_k) элемента. При сходных химических свойствах элемент с меньшим К_k 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

Ряд элементов	Состав ряда	Показатель порядка величины миграции
Энергично выносимые	Cl, Br, I, S	2n x 10
Легко выносимые	Ca, Na, K, Mg	n
Подвижные	Si(силикатов), P,Mn	n x 10-1
Инертные	F, Al, Ti	n x 10-2
Практически неподвижные	Si(кварца)	n x 10-3

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)

Воздушные мигранты
Активные (образуют химические соединения)	Пассивные (не образуют химические соединения)
O, H, C, N, I	Ar, He, Ne, Kr, Xe, Rn
Водные мигранты
Катионогенные	Анионогенные
Очень подвижные
Ca, Na, Mg, Sr, Ra	Cl, Br, S, F, B
Слабо подвижные
K, Ba, Rb, Li, Be, Cs, T	Si, P, Ge, Sn, Sb, As
Подвижные и слабо подвижные в окислительной обстановке и инертные в сероводородной среде, осаждаются на щелочных барьерах, мигрируют в окислительной обстановке
Zn, Cu, Ni, Pb, Cd	Hg, Ag, Bi
Подвижные и слабо подвижные в окислительной обстановке и инертные в восстановительной среде, осаждаются на сероводородных и глеевых барьерах
V, Mo, Se, U, Re
Подвижные и слабо подвижные в восстановительной глеевой среде, инертные в окислительной и восстановительной сероводородной средах
Fe, Mn, Co
Мало подвижные в большинстве обстановок
Слабая миграция с органическими комплексами. Частично мигрируют в сильно кислой среде:	Частично мигрируют в щелочной среде:
Ti, Cr, Ce, Nb, Y, La, Ga, Th, Sc, Sm, Gd	Zr, Nb, Ta, W, Hf, Tb, Ho, Eu, Yb, In, Lu
Не образуют химических соединений (самородковое состояние)
Os, Pd, Ru, Pt, Au, Rh, Zr

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.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: