Объем в часах
 Скачать 1.96 Mb.
|
|
2 Каскадные ландшафтно-геохимические системы Идеи взаимосвязи между компонентами почвенного покрова были заложены еще В. В. Докучаевым, Н. М. Сибирцевым и др. В географии почв это направление в наиболее целостном виде нашло отражение в учении о структуре почвенного покрова (В. М. Фридланд). В этих работах были введены понятия о почвенных комбинациях, почвенных комплексах, почвенных цепях и катенах, отражающих генетические и топологические связи почв с рельефом, горными породами, условиями стока и дренажа. Б. Б. Полыновым показано, что системообразующую роль в сопряженных почвах и элементарных ландшафтах играет миграция химических элементов. В районах со стоком водоразделы, склоны, долины, водоемы образуют единое целое, которое Б. Б. Полынов назвал геохимическим ландшафтом. По А. И. Перельману, геохимический ландшафт — это парагенетическая ассоциация сопряженных элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией элементов. Характерное для каждого геохимического ландшафта закономерное сочетание элементарных ландшафтов называется его геохимическим сопряжением. Это присущий геохимическому ландшафту тип обмена веществ, энергии и информации между элементарными ландшафтами. И для геохимического ландшафта характерны площади выявления, мощность, структура (комплекс элементарных ландшафтов и их геохимическое сопряжение), окраска и другие морфологические признаки. Чем больше площадь выявления, мощность, сложнее структура, пестрее окраска, тем больше разнообразия (информации) в ландшафте. Природные системы с однонаправленными потоками вещества называют каскадными системами. Наиболее целостным проявлением свойств каскадной системы обладают водосборные бассейны, которые многими географами выдвигаются в качестве основных объектов не только гидролого-геоморфологической, но и физико-географической и ландшафтно-геохимической организации поверхности Земли. По М. А. Глазовской, каскадные ландшафтно-геохимические системы (КЛГС) — это такие парагенетические ассоциации ЭЛГС, целостность которых определяется потоками вещества, энергии и информации от верхних гипсометрических уровней рельефа к нижним. Каскадные ЛГС весьма разнообразны по структуре, протяженности, типам функционирования, начиная от простых водосборных бассейнов малых рек и кончая бассейнами высоких порядков (Волги, Оби и др.). Наиболее просто организованной каскадной системой является геохимическое сопряжение элементарных ландшафтов на склоне — катена. Это не только топографический ряд почв и ландшафтов, но и отражение всех почвенных и склоновых процессов и явлений, взаимодействие которых образует более сложные системы, чем элементарные ландшафты. Понятие о катенах возникло независимо от геохимии ландшафта и не на основе геохимической методологии, но оно важно для нашей науки, что и позволяет говорить о ландшафтно-геохимических катенах. В зависимости от сложности пространственной структуры, в первую очередь литогенного субстрата, катены делятся на монолитные и гетеролитные. Монолитные катены характеризуются одинаковым составом почвообразующих пород и располагаются обычно в каскадных системах водосборных бассейнов 1 и 2 порядков, где геохимия супераквальных ландшафтов практически полностью определяется миграцией веществ из автономных ландшафтов. Это автохтонные или геохимически подчиненные катены. В каскадных системах более высоких порядков формируются в основном гетеролитные катены. Вещество в них поступает из других ландшафтов, и они называются геохимически слабоподчиненными, или аллохтонными. Подобно тому, как радиальная геохимическая структура отражает характер взаимодействия и соотношения между компонентами и блоками ЭЛГС, отношения химических элементов в катенах характеризуются латеральной геохимической структурой – инвариантными связями геохимически сопряженных систем типа автономный ландшафт – подчиненный ландшафт (L – анализ). Следующим по сложности уровнем каскадных систем являются водосборные бассейны. Для кодирования их порядка удобно использовать схемы А. Стралера и В. П. Философова, в которых наименьшие водосборы отнесены к речным долинам первого порядка. Они представляют собой каскадные системы первого порядка (КЛГС1) и в большинстве случаев соответствуют геохимическим ландшафтам в понимании Б. Б. Полынова (но понятие геохимического ландшафта шире, т.к. он может и не включать водосборный бассейн, как, например, в пустынях). Каждая КЛГС состоит как минимум из двух склоновых катен с общим днищем. Обычно число катен в каскадных системах первого порядка несколько больше (3 – 7). Поэтому их, не нарушая принципов кодирования водосборных бассейнов, можно относить к КЛГС нулевого порядка. Речным бассейнам второго, третьего и более высоких порядков соответствуют КЛГС этих же порядков. В зависимости от закрытости или открытости аккумулятивных звеньев М.А. Глазовская выделяет каскадные системы рассеяния и концентрации. Последние она именует ландшафтно-геохимическими аренами. Уже в каскадных системах четвертого порядка на долю водосборов первого и второго порядков приходится 75 – 80 % площади (Ю. Г. Симонов), что определяет важность исследования ландшафтно-геохимического катенарного уровня организации природной среды. Геохимические катены и арены первого и второго порядков представляют собой локальные каскадные системы, являющиеся базовыми для установления основных особенностей ландшафтно-геохимической дифференциации территорий. Исследования на этом уровне дают информацию о радиальной почвенно-геохимической и биогеохимической контрастности ландшафтов, латеральной миграции веществ. М.А. Глазовская в зависимости от порядка водосборных бассейнов выделяет микро-, мезо-, макро- и мегаарены. Региональные КЛГС речных бассейнов более высоких порядков (макро- и мегаарены) практически всегда гетеролитны, что затрудняет анализ их латеральной структуры. Сложная геохимическая дифференциация региональных КЛГС требует выявления объектов, химический состав которых отражает особенности латеральной миграции элементов в водосборных бассейнах. Наиболее информативны в этом отношении илы (донные отложения). По аналогии с наземными почвами их можно назвать “зеркалом” подводного ландшафта. Лекция № 3 Тема: РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЗЕМНОЙ КОРЕ 1. Понятие о кларке вещества. 2. Закон Кларка-Вернадского. 3. Распределения химических элементов в земной коре. 1 Понятие о кларке вещества Периодическая система Д.И. Менделеева включает в себя 109 элементов, но в природе, в том числе в ландшафте, известны лишь 89, т.к. №№ 43, 85, 87 и 93 – 109 получены искусственно в результате ядерных реакций. Содержание одних и тех же химических элементов в разных ландшафтах неодинаково, что во многом обусловлено их миграцией. Однако некоторые общие закономерности распределения элементов миграцией объяснить невозможно. Так, во всех ландшафтах содержание О велико, а Au и Pt мало. Закономерности в распространенности химических элементов могут быть выявлены лишь при анализе среднего химического состава земной коры, который впервые был установлен на рубеже ХХ в. В честь американского химика Ф. Кларка, посвятившего более 40 лет решению данной проблемы, А.Е. Ферсман предложил в 1923 году среднее содержание химического элемента в земной коре или какой-либо ее части называть кларком. 2 Закон Кларка-Вернадского Главная особенность распространенности элементов установлена – это огромная контрастность кларков. Так, почти половина твердой земной коры состоит из одного элемента – О (кларк 47 %). Иначе говоря, земная кора – это “кислородная сфера”, кислородное вещество. На втором месте стоит Si (29,5), на третьем – Al (8,05). В сумме они составляют 84,55%. Если к этому числу добавить Fe (4,65), Са (2,96), Na (2,50), К (2,50), Mg (1,87), Ti (0,45), то получим 99,48 %, т.е. практически почти всю земную кору. Остальные 80 элементов занимают менее 1 %. Кларки большинства элементов не превышают 0,01 – 0,0001 %. Это редкие (U, Sn, Mo и др.) и редкие рассеянные (Br, In, Ra, J, Hf, Re, Sc и др.) элементы. Например, у U и Br кларки почти одинаковы (2,5.10-4 и 2,1.10-4 %), но U просто редкий элемент, так как известно много урановых минералов, разнообразные его месторождения, а Br – редкий рассеянный, так как он почти не концентрируется в земной коре и известен лишь один собственный минерал этого элемента. В геохимии употребляется также термин “микроэлементы”, под которыми понимаются элементы, содержащиеся в данной системе в малых количествах (порядка 0,01 % и менее). Так, Al — микроэлемент в организмах и макроэлемент в силикатных породах. В начале ХХ столетия В.И. Вернадский пришел к выводу о всеобщем рассеянии химических элементов, о том, что “все элементы есть везде”. В 1909 г. на ХII съезде русских естествоиспытателей и врачей он говорил: “В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы. Получается впечатление микрокосмического характера их рассеяния. В песчинке или капле, как в микрокосмосе, отражается общий состав космоса. В ней могут быть найдены все те же элементы, какие наблюдаются на земном шаре, в небесных пространствах. Вопрос связан лишь с улучшением и уточнением методов исследования. При их улучшении мы находим Na, Li, Sr там, где их раньше не видели; при их уточнении мы открываем их в меньших пробах, чем делали раньше. История Ni, V, Au, U, He, иттроцеровой группы и т.д. приводит нас к одинаковым выводам. Они находятся всюду и могут быть всюду констатированы; они собраны в состоянии величайшего рассеяния...”. Итак, все элементы есть везде, речь может идти только о недостаточной чувствительности анализа, не позволяющего определить содержание того или иного элемента в изучаемой системе. Это положение о всеобщем рассеянии химических элементов Н.И. Сафронов предложил именовать законом Кларка-Вернадского. 3 Распределения химических элементов в земной коре Итак, содержание элементов в земной коре колеблется в миллиарды миллиардов раз (n∙10 – n∙10-16). Обычные представления, почерпнутые из повседневного опыта, не всегда совпадают с данными геохимии. Например, Zn и Cu широко распространены в быту и технике, а Zr для нас – “редкий элемент”. Вместе с тем Zr в земной коре почти в 4 раза больше, чем Cu. “Редкость” Zr объясняется трудностью его извлечения из руд, которая была полностью преодолена только в середине ХХ века, когда разработали технологию эффективного получения этого элемента. Он стал широко использоваться в промышленности. Мы еще только привыкаем к нему, а с Cu человечество познакомилось тысячелетия назад в “бронзовый век” (бронза – сплав Cu с разными металлами). Когда был установлен средний состав земной коры, естественно, возник вопрос – в чем причина столь неравномерной распространенности элементов, почему одних много, а других мало? Эту причину стали искать в особенностях строения атомов. Напомним, что атомы состоят из ядра и электронной оболочки, причем электроны, наиболее удаленные от ядра, определяют химические свойства элемента. Естественно, возникло предположение, что кларки элементов связаны с их химическими свойствами, т.е. зависят от строения внешних электронных орбит атомов (числа валентных электронов и т.д.). Однако оказалось, что это не так. Например, щелочные металлы – Li, Na, K, Rb, Cs, Fr в химическом отношении близки друг другу – одновалентны (на внешней орбите один электрон), образуют едкие щелочи, легкорастворимые соли и т.д. Кларки же их резко различны: Na и К в земной коре много (2,50 %), Rb мало (1,5∙10-2), Li еще меньше (3,2∙10-3), Cs очень редок (3,7∙10-4), а Fr отсутствует и был получен искусственно. Аналогично резко различны кларки у таких химически близких элементов, как галогены (F, Cl, Br, J, At), у Si (29,5) и Ge (1,4∙10-4), Ba (6,5∙10-2) и Ra (2∙10-10). С другой стороны, разные элементы имеют близкие кларки – металл Mn (0,1) и типичный неметалл Р (0,093), щелочной металл Rb (1,5∙10-2) и Cl (1,7∙10-2). Поэтому кларки не зависят от химических свойств элементов или, точнее, в основном не зависят. Тогда мысль исследователей обратилась к другой части атома – его ядру, состоящему из протонов и нейтронов. Выявилось, что в земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки периодической системы, ядра которых содержат небольшое число протонов и нейтронов. После Fe (№ 26) нет ни одного элемента с большим кларком. Эта закономерность была отмечена еще Менделеевым, который писал в 1869 г., что “распространеннейшие в природе простые тела имеют малый атомный вес...”. Другую особенность распространенности элементов установили итальянский ученый Оддо и американский – Гаркинс, которые отметили, что в земной коре преобладают элементы с четными порядковыми номерами и четными атомными массами, т.е. у которых атомные ядра содержат четное число протонов и нейтронов. Среди соседних элементов у четных кларки почти всегда выше, чем у нечетных. Для первых по распространенности 9 элементов кларки четных составляют в сумме 86,43, а кларки нечетных – лишь 13,03 %. Итак в земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтронов. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4. Это O, Mg, Si, Ca и т.д. Среди атомов одного и того же элемента преобладают изотопы, массовые числа которых кратны 4. Поскольку речь идет о среднем составе, понятно, что эта закономерность не зависит от геологических процессов, определяющих образование гранитов, базальтов, известняков и других пород, отдельных типов вод. То есть распространенность химических элементов в основном связана не с земными, а с космическими причинами – она унаследована Землей от космической стадии, когда еще до образования планеты, т.е. свыше 4,5 млрд. лет назад, существовало протопланетное облако с температурой в десятки миллионов градусов. В этом облаке не было атомов и тем более молекул, вещество представляло собой плазму, т.е. полностью ионизированный газ, состоящий из электронов, протонов, нейтронов. При понижении температуры в плазме синтезировались ядра атомов, в первую очередь легких, содержащих четное число протонов и нейтронов. В отличие от Земли главным элементом космоса является Н, взаимодействие ядер которого в центральных частях звезд при температурах в десятки миллионов градусов приводит к синтезу ядер Не. Поэтому Вселенная в основном имеет водородногелиевый состав. Синтез более тяжелых ядер имел подчиненное значение – распространенность их в звездах (в том числе на Солнце) много меньше, чем Н и Не. Наибольшее значение опять-таки имел синтез легких ядер, особенно четных (содержащих четное число протонов и нейтронов), – О с атомной массой 16, Са с атомной массой 20 и т.д. Синтез тяжелых ядер, включающих большое число протонов и нейтронов, менее вероятен, образующиеся ядра часто оказывались неустойчивыми и постепенно распадались. Некоторая часть этих ядер не полностью разрушилась и дожила до наших дней. Сейчас, как и миллиарды лет назад, они превращаются в ядра более легких элементов. Это явление радиоактивности было открыто в самом конце ХХ в. в Париже Пьером и Марией Кюри. Помимо Ra радиоактивность характерна для U, Th, K, Rb, Re и некоторых других элементов. Содержание их в земной коре миллиарды лет назад было выше, чем сейчас. Некоторые тяжелые ядра за прошедшие миллиарды лет распались полностью, и на Земле мы не знаем соответствующих элементов. Они были получены искусственно, часть открыта в звездах. Это Tc (№ 43), At (№ 85), Cm (№ 96), Bk (№ 97), Cf (№ 98) и др. трансурановые элементы. Таким образом, главная закономерность распространенности элементов – преобладание легких атомов. Она связана со строением атомных ядер, их устойчивостью, ядерным синтезом в центральных частях звезд. Звездная материя, прежде чем превратиться в земное вещество, прошла длительную историю, дифференциацию, в которой важную роль играли химические свойства элементов, определяемые электронным строением атомов. Поэтому твердая земная кора по составу сильно отличается от звезд и, в частности, от Солнца. Если Солнце, как и другие звезды, состоит из Н и Не с незначительной примесью других элементов, то Земля почти утратила свой “космический” Не, который, будучи легким и инертным элементом, улетучился в мировое пространство. Утеряна и часть Н, в то время как другая часть его атомов соединилась с О и образовала воду – гидросферу планеты. Более тяжелых элементов в звездах меньше, но именно они образуют основную массу Земли. Это в первую очередь легкие элементы начала периодической системы. Самых тяжелых мало и на Земли. Различная распространенность химических элементов в земной коре определяет различия их поведения в природе и лаборатории. Так, хорошо известна химическая близость S и Se, входящих в VI группу периодической системы. Оба элемента поливалентны (S2-, S0, S4+, S6+, Se2-, Se0, Se4+, Se6+), образуют соединения-аналоги – сероводород Н2S и селеноводород Н2Se, сульфиды и селениды, сульфаты (соли Н2SО4) и селенаты (соли Н2SеО4). Вместе с тем в земной коре, биосфере и ландшафтах роль обоих элементов резко различна, что объясняется сравнительно высоким кларком S (4,7∙10-2 %) и очень низким Se (5∙10-6). Действительно, S – ведущий элемент многих процессов, Se – нет. Сероводород играет огромную роль в земной коре, обуславливая накопление пирита в осадках, формирование месторождений Pb, Zn, Cu, Cd и других металлов. Селеноводород не имеет существенного значения. Для S характерна минеральная форма нахождения, для Se – неминеральная и т.д. Иначе говоря, геохимия S и Se имеет меньше общих черт, чем их химия. То же можно сказать о Na и Cs, Ca и Ra, Si и Ge. Способность к минералообразованию, количество самостоятельных минеральных видов, с одной стороны, зависит от химических свойств элемента, а с другой – от его кларка (у Са кларк 2,96 и известно 385 минералов, а у его химического аналога Ra нет ни одного собственного минерала, у К (2,50) 106 минералов, а у Rb (0,015) – 0, у S (0,047) – 369, у Se (5∙10-6) – 37 и т.д.). Е. М. Квятковский элементы с большой способностью к минералообразованию назвал минералофильными (U, S, Se и др.), а с малой – минералофобными (Ga, Ra, Sc, In, TI, TR и др.). В ландшафте в общем преобладают те же элементы, что и в земной коре, но все же их содержание в почвах, водах, организмах, как правило, отличается от кларка, хотя порядок величин нередко сохраняется. Средние содержания (кларки) элементов в атмосфере, гидросфере и организмах существенно отличаются от литосферы. Лекция № 4 Тема: МИГРАЦИЯ ВЕЩЕСТВА 1. Закон Гольдшмидта. Внутренние и внешние факторы миграции. 2. Виды миграции химических элементов. 3. Типоморфные (ведущие) элементы, принцип подвижных компонентов. 1 Закон Гольдшмидта. Внутренние и внешние факторы миграции Согласно этому закону кларки элементов зависят от строения атомного ядра, а их миграция – от наружных электронов, определяющих химические свойства элементов. Это глубокое обобщение нуждается в некоторых коррективах: кларки земной коры зависят не только от строения атомного ядра, но и от химических свойств (строения электронных оболочек), т.к. сама кора является продуктом миграции – выплавления базальтов из мантии и других процессов. Все же важнейшие закономерности кларков, как показано в 1-й главе, зависят от строения атомных ядер (кислорода много, золота мало и т.д.). С другой стороны, и миграция элементов зависит не только от химических свойств, но и от кларков, которые во многом определяют содержание элементов в растворах и расплавах, их способность к осаждению, минералообразованию и т.д. Поэтому миграция элемента определяется как его химическими свойствами, так и величиной кларка. К внутренним факторам миграции А. Е. Ферсман отнес свойства химических элементов, определяемые строением атомов – их способность давать летучие, растворимые или инертные формы. К внешним факторам относятся ландшафтно-геохимические условия, определяющие поведение элементов в различных окислительно-восстановительных, щелочно-кислотных и других обстановках. 2 Виды миграции химических элементов. В результате миграции элементы концентрируются и рассеиваются. Изучение этих противоположных сторон миграции составляет одну из важных особенностей методологии геохимии. В связи с этим большое значение приобрела характеристика миграции с помощью различных коэффициентов, особенно кларков концентрации и кларков рассеяния. Кларки концентрации (КК) – это отношение содержания элемента в изучаемой системе к его кларку в литосфере. Если КК меньше 1, то для получения большей контрастности вычисляют обратные величины – кларки рассеяния (КР) – отношение кларка элемента в литосфере и к его содержанию в данном объекте. Кроме КК и КР в геохимии ландшафта используются и многие другие коэффициенты. В зависимости от формы движения материи выделяют 4 основных вида миграции (А.И. Перельман). Понятие об этих формах, как известно, разработал Ф. Энгельс, выделивший механическую, физическую, химическую, биологическую и социальную формы движения материи. В последние десятилетия дискутируется вопрос о выделении также кибернетической, субатомной, геологической, географической и других форм движения материи. Неясность многих положений заставила нас взять за основу первоначальную систематику Энгельса. Механическая миграция является наиболее простой, подчиняется законам механики (образование россыпей, ветровая и водная эрозия и т.д.), зависит преимущественно от величины частиц минералов и пород, их плотности, скорости движения вод, ветра. Химические свойства элементов часто не имеют значения, и такие различные элементы, как K, Si, Al, входя в состав переносимой ветром песчинки ортоклаза (K2Al2Si6O16), мигрируют с одинаковой скоростью. Физико-химическая миграция является более сложным видом минрации, определяется законами физики и химии – диффузией, растворением, осаждением, сорбцией, десорбцией и т.д. Это Лучше всего изучена миграция веществ в водных растворах в виде ионов (ионная миграция), зависящая от растворимости солей, щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных условий. Иным законам подчиняется коллоидная миграция, миграция газов. Еще сложнее биогенная миграция, выделенная В.И. Вернадским, обязанная деятельности организмов. Эта миграция не может анализироваться только на основе общих законов физики и химии. Она подчиняется законам развития живого вещества (биоценозы, симбиоз, конкурентная борьба и др.). Такие константы элементов, как радиусы ионов, валентность, недостаточны для анализа биогенной миграции. Организмы существуют в особом информационном поле, для них характерны процессы управления, переработки информации, отсутствующие в неживой природе. Техногенная миграция является самой сложной, так как она связанная с общественными процессами. К ней относится отработка месторождений полезных ископаемых, нефтепроводы, экспорт и импорт и т.д. Она определяется социальными закономерностями, хотя ей присущи и все более простые формы движения. Значение видов миграции для разных элементов неодинаково. Так, если для К и Р особенно большую роль играет биогенная миграция, то для Nа и Cl – физико-химическая, а для Ti, Au, Pt, Sn – механическая. В разных ландшафтах соотношение видов миграции также не одинаково. Если в пустынях возрастает роль механической миграции, то во влажных тропиках – физико-химической и биогенной. Pb и W в пустынях мигрируют преимущественно механическим путем, во влажных тропиках – в растворах. Но все же каждый элемент попадает и в организмы, и в воды, перемещается механическим путем, а многие образуют и газообразные соединения. Поэтому виды миграции не существуют изолированно. Они тесно связаны и взаимообусловлены. Ведущее значение имеет высший, более сложный вид миграции. Например, в степных и таежных ландшафтах главной является биогенная миграция, хотя здесь протекают и физико-химические и механические процессы. Аналогично геохимические черты городских ландшафтов определяются техногенной миграцией, социальными процессами, хотя для городов характерны и все остальные виды миграции. В зависимости от вида миграции выделяют три основных ряда элементарных и геохимических ландшафтов. 1. Абиогенные ландшафты, для которых характерна только механическая и физико-химическая миграция. 2. Биогенные ландшафты с ведущим значением биогенной миграции и подчиненной ролью физико-химических и механических процессов. 3. Техногенные (антропогенные), культурные ландшафты, своеобразие которых определяется техногенной (социальной) миграцией, социальными процессами, хотя в них развиваются и все остальные виды миграции. 3 Типоморфные (ведущие) элементы, принцип подвижных компонентов Химические элементы, ионы и соединения, определяющие условия миграции в ландшафте, именуются типоморфными (ведущими). Число их невелико: Ca, H (вернее, водородный ион), Fe, S, Cl и другие. Это позволяет говорить о кальциевых, кислых и прочих ландшафтах (например, кальциевая и кислая тайга). Различия в кларках приводят к тому, что химическое сходство элементов отнюдь не означает их “геохимическое сходство”. Так, например, у Na кларк высокий (2,50), поэтому его много в ландшафтах. Солончаки, соляные озера – это “натриевые ландшафты”, т.к. Nа определяет геохимическое своеобразие ландшафта, физико-химические условия среды, т.е. является типоморфным. Cs в химическом отношении похож на Na, но его кларк мал (3,7.10-4) и влияние на геохимические особенности ландшафта невелико. Он не определяет физико-химических условий среды и мигрирует в той обстановке, которая создана типоморфными элементами. Если бы у Cs кларк был, как у Na, то его роль в ландшафте была бы так же велика, он был бы типоморфным. Следовательно, химические элементы с низкими кларками не могут быть типоморфными из-за малых концентраций в системах – они вынуждены мигрировать в той обстановке, которую создают типоморфные элементы. Именно различия в кларках определяют ведущую роль S и второстепенную Te, ведущее значение Na и подчиненное Rb, Li, Cs. Редкие элементы в местах их концентрации становятся ведущими, например, в месторождениях U, Mo и т.д. Но ведущее значение элемента зависит не только от его кларка и концентрации в данной системе. Важно, чтобы элемент мигрировал и накапливался. Распространенные, но слабо мигрирующие элементы не являются ведущими. Один и тот же элемент в разных системах может быть и ведущим, и второстепенным. Например, Fe имеет ведущее значение в таежных болотах, но его роль невелика в пустынях. Наконец, если элемент энергично мигрирует, но не накапливается, он также не является ведущим. Так, Na и Cl энергично выщелачиваются во влажных тропиках из кислой коры выветривания и не являются там ведущими. Только в соляных озерах и солончаках, где Na и Cl мигрируют и накапливаются, они становятся ведущими. Из сказанного следует принцип подвижных компонентов: геохимическая особенность ландшафта определяется элементами с высокими кларками, наиболее активно мигрирующими и накапливающимися в данном ландшафте (А.И. Перельман). Одна из главных задач геохимии и состоит в изучении парагенных ассоциаций элементов. Понятие о парагенезисе элементов ввел в 1909 г. В.И. Вернадский, имея в виду их совместную концентрацию, обусловленную единым процессом. Кроме парагенных различают запрещенные ассоциации элементов (отрицательный парагенезис), т.е. ассоциации, невозможные в данной системе. Лекция № 5 Тема: МИГРАЦИЯ ВЕЩЕСТВА 1. Параметры миграции. 2. Геохимические барьеры. 3. Ореолы рассеяния. 1 Параметры миграции Миграцию химических элементов, как и всякую работу, можно выражать через произведение экстенсивных и интенсивных параметров. Экстенсивные параметры миграции – это количество мигрирующих веществ, расстояние миграции и т.д. Об интенсивности миграции химического элемента можно судить по тому его количеству, которое в единицу времени переходит в подвижное состояние (например, в природные воды). Однако при этом надо учитывать и величину кларка, особенно общее число атомов данного элемента, содержащихся в ландшафте. Например, если предположить, что интенсивность миграции Na и Li одинакова, то в подвижное состояние из горных пород в природные воды Na перейдет значительно больше, чем Li, так как у Na кларк высокий (2,50), а у Li низкий (3,2∙10-3). Следовательно, чтобы охарактеризовать интенсивность миграции элемента, необходимо учитывать не только количество его атомов в ландшафте, перешедшее в подвижное состояние, но и общее количество атомов. Иначе говоря, интенсивность миграции выражается скоростью перехода в подвижное состояние одного грамма вещества данного элемента. Если общее количество атомов элемента x в ландшафте или какой-либо его части (почве, горной породе, организмах) обозначить b, то количество атомов, перешедшее в подвижное состояние за промежуток времени dt, составит db. Тогда относительная часть атомов, перешедших в подвижное состояние, равна db/b, а в единицу времени – db ∙ 1 . Эта величина и представляет собой b dt интенсивность миграции – Р или в дифференциальной форме для бесконечно малого промежутка времени: Рх = 1 . db b dt Данное уравнение интенсивности миграции применительно к выветриванию было выведено А.И. Перельманом в 1940 г. и более подробно охарактеризовано в 1956 г. Член уравнения db / b играет важную роль в геохимии ландшафта при характеристике миграции. Из уравнения следует, что чем больше величина b, тем (при неизменности db) меньше интенсивность миграции. Так как величина b в общем зависит от кларка элемента, то можно сказать, что при сходных химических свойствах элемент с меньшим кларком мигрирует энергичнее (Se энергичнее S, Sr энергичнее Са и т.д.). 2 Геохимические барьеры Гохимическими барьерами А. И. Перельман в 1961 году предложил именовать участки земной коры, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрация. Аналогично макро- и микроклимату, макро-, мезо- и микрорельефу выделяют макро-, мезо- и микробарьеры. Так, в дельтах зона смешения пресных речных вод и соленых морских представляет собой макробарьер шириной в сотни и тысячи метров (при длине рек и морских акваторий в тысячи километров). К мезобарьерам относятся краевые зоны болот, где накапливаются многие элементы, выщелоченные из почв водоразделов и склонов. Ортзанды в почвах мощностью в несколько сантиметров и миллиметров относятся к микробарьерам. Явление, которое именуется геохимическим барьером, привлекало внимание исследователей и ранее, в частности, при изучении условий образования минералов и руд, при трактовке процессов осаждения элементов из вод. Однако ранее оно рассматривалось изолированно, как предмет разных наук – минералогии, литологии, почвоведения, науки о рудных месторождениях и т.д. Но в почвах, илах рек и озер, корах выветривания, горизонтах грунтовых вод, зонах разломов и других системах протекают сходные процессы концентрации элементов. Это и позволило установить общие типы таких процессов, сформулировать понятие о геохимическом барьере, которое относится к фундаментальным понятиям геохимии. Главная особенность барьера – резкое изменение условий концентрации элементов, это зона, где одна геохимическая обстановка сменяется другой. Между понятием “геохимический барьер” и “геохимическая обстановка”, следовательно, имеется глубокая связь: уменьшение пространства, занимаемого обстановкой, приводит к переходу количества в качество, превращению обстановки в барьер и наоборот. На геохимических барьерах образуются руды большинства месторождений, различные геохимические аномалии, приводящие к загрязнению окружающей среды, другие практически важные виды концентрации элементов. Все это определяет важность изучения геохимических барьеров. При совмещении в одном месте различных геохимических процессов формируются комплексные барьеры, образующиеся в результате наложения двух или нескольких взаимосвязанных геохимических процессов. Выделяются также двусторонние барьеры, которые формируются при движении различных элементов к барьеру с разных сторон. На двустороннем барьере происходит осаждение разнородной ассоциации химических элементов. Различаются также латеральные барьеры, образующиеся при движении вод в субгоризонтальном направлении, например на границе элементарных ландшафтов, и радиальные (вертикальные) барьеры, формирующиеся при субвертикальной (снизу вверх или сверху вниз) миграции растворов в почвах, зонах разломов, корах выветривания и т.д. В зависимости от способа массопереноса различаются диффузионные и инфильтрационные барьеры. В. С. Голубев разработал понятие о подвижном геохимическом барьере, когда барьер перемещается медленнее фильтрации вод. В основу классификации геохимических барьеров положены виды миграции. Выделяется два основных их типа – природные и техногенные. Природные в свою очередь разделяются на три класса. Наиболее простые – механические барьеры – участки резкого уменьшения интенсивности механической миграции. К ним приурочены различные продукты механической дифференциации осадков. В местах резкого уменьшения интенсивности физико-химической миграции формируются физико-химические барьеры. Они возникают в местах изменения температуры, давления, окислительно-восстановительных, щелочно-кислотных и других условий. Биогеохимические барьеры обязаны уменьшению интенсивности биогенной миграции – угольные залежи, торф, концентрации элементов в телах организмов и т.д. Среди техногенных барьеров также выделяются механические, физико-химические и биогеохимические классы. Более сложные процессы образования геохимических барьеров обычно включают в себя менее сложные. Например, в образовании техногенных барьеров могут участвовать механические, физико-химические и биогенные процессы, но сущность данных барьеров не может быть понята без учета особенностей техногенной миграции. Главное внимание исследователей до сих пор привлекали природные и техногенные физико-химические барьеры. Изменение геохимических показателей m (t, p, Eh, pH и т.д) в направлении миграции химических элементов называется градиентом барьера G: G = dm или G = (m2 – m1) / dl l где m1 – значение данного геохимического показателя до барьера, m2 – после барьера, l – ширина барьера. После изучения геохимических барьеров желательно строить функции m = f /l/ и устанавливать тип кривой. Контрастность барьера S характеризуется отношением величины геохимических показателей в направлении миграции до и после барьера: S = m2/m1 Интенсивность накопления элемента увеличивается с ростом контрастности и градиента барьера. 3 Ореолы рассеяния Это понятие возникло при разработке геохимических методов поисков рудных месторождений. Та часть месторождений, в которой содержание рудных элементов достигает величин, допускающих их эксплуатацию, называется рудным телом, или залежью полезного ископаемого, а само вещество с кондиционным содержанием элемента – рудой. Остальная часть поля концентрации — это первичный геохимический ореол месторождения. Он образовался одновременно с рудным телом и в результате тех же процессов. Граница между рудным телом и первичным ореолом определяется требованиями промышленности. Например, в конце ХIХ в. в США перерабатывались медные руды, содержащие более 5 % Cu, и прилегающие породы с первыми процентами Cu представляли первичный ореол. В середине ХХ в. перерабатывались уже руды с 1 % Cu, и то, что ранее считалось первичным ореолом, стало рудой. Протяженность первичных ореолов измеряется десятками, сотнями и тысячами метров, причем нередко ореол достигает земной поверхности, в то время как рудное тело расположено на глубине. В ландшафтах рудные тела и первичные ореолы подвергаются выветриванию и денудации. В результате почва, кора выветривания, континентальные отложения, подземная и надземная атмосфера вблизи месторождения обогащаются индикаторными элементами (рудными и их спутниками). При выщелачивании руд и ореолов элементы поступают в поверхностные и подземные воды. Растения также накапливают рудные элементы, повышается их содержание и в животных. Так возникает повышенная концентрация элементов в ландшафте, образующая вторичный (эпигенетический) ореол рассеяния. Различают литохимические ореолы – в почвах, породах, гидрогеохимические – в водах, атмохимические – в атмосфере, биогеохимические – в организмах. Размеры вторичных ореолов достигают сотен и тысяч метров. Содержание индикаторных элементов в литохимических ореолах местами лишь незначительно отличается от их содержания во вмещающих породах, причем искомые элементы в подавляющем большинстве случаев находятся в неминеральной форме (адсорбированы глинами и т.д.). Определяя содержание химических элементов в коренных горных породах, во всех компонентах ландшафта – почвах, рыхлых отложениях, водах, растениях, атмосфере, можно обнаружить первичный или вторичный ореол, а по нему и само месторождение. Так как площади ореолов в десятки, сотни и тысячи раз больше площади рудного выхода, то понятно, что при поисках легче обнаружить ореол, чем руду. А если обнаружен ореол, то руду найти гораздо легче. Местами на поверхность выходит только ореол рассеяния, само же месторождение скрыто на глубине (“слепое”). Искомый элемент не всегда является индикаторным. Иногда рациональнее искать месторождение по “элементам-спутникам”. Так, многие рудные месторождения содержат непромышленные концентрации ртути. Летучесть ртути обусловливает образование очень широкого ореола рассеяния, более широкого, чем у свинца, цинка, меди. Поэтому искать свинцовые, цинковые, медные и другие месторождения в ряде случаев удобно на основе определения в породах элемента-спутника – ртути (А.А. Сауков, Н.А. Озерова, В.З. Фурсов). В зависимости от объекта анализа различают литохимический (металлометрический), гидрогеохимический, биогеохимический и атмогеохимический (газовый) методы поисков, которые в совокупности и составляют геохимические методы поисков, получившие широкое распространение в нашей стране и за рубежом. Они были разработаны в начале 30-х годов в СССР (Н.И. Сафронов, А.П. Соловов, В.А. Соколов и др.). Литохимические поиски (металлометрическая съемка) заключаются в отборе проб почв и делювия с глубины 0,1 – 0,2, иногда около 0,5 м. Пробы отбираются по сетке, частота которой зависит от масштаба съемки (обычно 1:10 000 – 1:100 000). За последние 50 лет этим видом поисков в рудных районах охвачены сотни тысяч квадратных километров и только в Казахстане отобрано 60 млн. проб. В каждой пробе методом спектрографии обычно определяется 30 – 40 химических элементов. Результаты анализов наносят на геологическую карту, точки с равными значениями соединяют изолиниями – изоконцентратами. Методы математической статистики позволяют выделить на карте участки с “фоновым” для данного района содержанием металлов и участки с повышенным “аномальным содержанием”. Аномальные участки нередко являются “рудными аномалиями” и приурочены к месторождениям. Но существуют и слабые безрудные аномалии, формирующиеся на участках распространения пород, обогащенных отдельными элементами (“породные” аномалии Со и Ni в ультраосновных породах). Безрудными являются и “ландшафтные аномалии”, образовавшиеся на геохимических барьерах. Гидрогеохимические методы эффективны при поисках урановых, медных, молибденовых, борных и других месторождений (А.А. Бродский, Г.А. Голева, С.Р. Крайнов, А.А. Сауков, П.А. Удодов и др.). Вблизи месторождений содержание элементов в водах возрастает в десятки и сотни раз. Преимуществом гидрогеохимического метода является возможность обнаружения глубоко залегающих рудных тел. Атмохимические (газовые) методы применяются при поисках радиоактивных руд, нефтяных и газовых залежей. Имеются данные об их эффективности при поисках и других типов рудных месторождений. Прямой геохимический метод поисков нефти и газа основан на определении метана и тяжелых углеводородов в почвенном воздухе, в воздухе буровых скважин, в керне (В.А. Соколов). В ряде районов, особенно в горноскладчатых, этот метод дает хорошие результаты и позволяет обнаруживать залежи на глубине сотен метров. Часть геохимических аномалий, выявленных при поисках, интерпретируется сравнительно легко. Однако большая часть аномалий относится к труднооцениваемым. Одни из них не представляют практического интереса (рудопроявления, безрудные аномалии), другие соответствуют промышленным месторождениям. Актуальным вопросом геохимических поисков является оценка геохимических аномалий. Чтобы оценить аномалию, необходимо выяснить, как она образовалась, т.е. установить те процессы миграции, которые привели к концентрации элементов на данном участке. Поэтому геохимия ландшафта является одной из теоретических основ геохимических методов поисков. Методика всех видов поисков основана на сравнении результатов опробования с фоновыми данными. Проведенные исследования показали, что фоновые значения неодинаковы в разных районах. Содержание элементов в почвах, водах, растениях в одном районе может являться фоновым, в другом – аномальным и свидетельствовать о наличии оруденения. Методика опробования также различна. Если, например, в пустынях при металлометрической съемке пробы можно отбирать с глубины 10 – 20 см, то в тайге иногда необходима большая глубина опробования. В теории геохимических поисков существует понятие о “представительном горизонте” (А.Н. Еремеев) – наиболее приближенном к земной поверхности горизонте максимального площадного развития вторичных ореолов. Различают также “достаточный поисковый уровень” (Ю.В. Шарков). Каждый геохимический ландшафт характеризуется, таким образом, особыми условиями образования вторичных ореолов рассеяния, особыми фоновыми содержаниями элементов, поэтому и методика геохимических поисков должна быть дифференцирована применительно к отдельным геохимическим ландшафтам. Иначе говоря, в тайге, тундре, пустыне и других ландшафтах искать руды надо по-разному. Формирование вторичных ореолов во многих рудных районах началось сотни миллионов лет назад. За прошедшее время неоднократно менялись климатические условия, выщелачивались и концентрировались индикаторные элементы. В древних корах выветривания и в других зонах выщелачивания интенсивность ореолов уменьшалась, а на многочисленных геохимических барьерах увеличивалась. Вне участков месторождений на геохимических барьерах возникали безрудные аномалии. Поэтому оценка геохимических аномалий должна быть основана не только на анализе современных ландшафтных условий, но и на понимании истории их развития. Историзм – важнейший принцип ландшафтно-геохимических работ, направленных на повышение эффективности геохимических поисков. Теория геохимических методов поисков и особенно понятие об ореолах рассеяния имеет большое значение и для решения экологических задач – борьбы с загрязнением окружающей среды и мониторинга. Разрушающееся на земной поверхности рудное месторождение и образующиеся при этом вторичные ореолы рассеяния оказались хорошей моделью загрязнения среды от локального источника – города, горнообогатительного комбината и т.д. Лекция № 6 |