osnovy_geokhimii

1 млн. Избыток свинца в растении приводит к почернению, свертыванию и опаду листьев.

При избытке кадмия кости становятся хрупкими и ломкими, повышается кровяное давление, усиливаются симптомы органических заболеваний (болезнь итай-итай, что означает больно). Концентрация кадмия в почве происходит при внесении в почву суперфосфатных удобрений, фунгицидов, при сжигании пластмассы. При выкуривании одной сигареты в организм попадает 1–2 мкг кадмия, из них 25 % концентрируется в организме.

Под влиянием техногенных процессов в компонентах ландшафта накапливается ряд токсических элементов, поэтому выделяются сложные биогеохимические эндемии со специфическими заболеваниями. Они обычно приурочены к определенной территории, называемой биогеохимической провинцией.

Вотличие от естественных биогеохимических, которые могут быть вызваны избытком или недостатком физиологически значимых элементов, техногенные эндемии являются следствием только избыточной концентрации химических элементов.

Внастоящее время известны природные биогеохимические эндемии, вызванные избытком бора, стронция, фтора, селена, недостатком кобальта, фтора, иода, селена. Например, в Читинской области в долине р. Уров породы, воды и растения содержат избыток стронция, который в организме замещает кальций и приводит к размягчению и искривлению позвоночника.

Вуровской биогеохимической провинции в организм человека поступает в сутки 454 мг кальция и 3,3 мг стронция при норме соответственно 654 мг и 1,5 мг. В ландшафтах Беларуси, особенно полесья, дефицитными в рационе питания являются F, I, Se, Co, избыточное поступление с водой Fe.

На формирование биогеохимических эндемий накладывает свой отпечаток техногенез (вырубка лесов, осушение почв, искусственное орошение, внесение удобрений и пестицидов, добыча полезных ископаемых, загрязнение отходами промышленности и быта. В Беларуси в некоторых

районах полесья выделены биогеохимические эндемии с избытком в компонентах ландшафта радионуклидов 137Cs и 90Sr.

Влияние техногенеза на природные ландшафты привело к созданию ряда новых понятий. Среди них внимание исследователей привлекает понятие технобиогеомы (М. А. Глазовская, 1972) – прогнозные группы природных систем. Каждая из выделяемых технобиогеом характеризуется близким уровнем геохимической устойчивости ландшафтной системы, способностью к саморегуляции геохимических процессов и очищения от продуктов техногенеза, а при нарушении системы создавать сходные типы техногенных аномалий. Общую обстановку в технобиогеоме определяют щелочнокислотные и окислительно-восстановительные условия в природных водах и почвах, а также атмосферные осадки, испаряемость, сток, интенсивность выноса газообразных продуктов техногенеза ветром. В зависимости от

сочетания и активности главных		121	процессов	выделяются		типы
технобиогеом,	обладающих		сходством	по	совокупности

рассмотренных главных реакций, определяющих геохимическую обстановку. Такого рода типологические единицы могут рассматриваться как объекты ландшафтно-геохимического прогнозирования по отношению к весьма разнообразным формам техногенеза.

Таким образом, природная система сохраняет свою устойчивость до определенного уровня техногенного давления на ландшафт. Дальнейшее сохранение природной среды зависит от научно обоснованного регулирования природных процессов.

8.3. Культурные ландшафты

Целью преобразования природы является создание культурных ландшафтов. В научной литературе существует множество определений культурного ландшафта (Ф. Ягер, 1934; Ф. Н. Мильков, 1964; А. Г. Исаченко, 1962 и др.). Большинство авторов к культурному ландшафту относят участки территории, на которых под воздействием человека произошли целенаправленные, качественно новые изменения по сравнению с их естественным состоянием. По А. И. Перельману (1975), оптимальному культурному ландшафту присущи положительные геохимические особенности природного ландшафта в сочетании с оптимальными геохимическими условиями, созданными человеком. Такое сочетание должно отвечать оптимальным условиям жизни и отдыха человека, удовлетворять его эстетические запросы.

С геохимических позиций культурные ландшафты можно подразделить на виды, которые отличаются по особенностям миграции, концентрации и рассеяния химических элементов: селитебные, сельскохозяйственные

(агроландшафты, агроценозы), искусственные.

Кселитебным ландшафтам относятся города и сельские населенные пункты с комплексом жилых и производственных зданий и зон отдыха. Для них характерна концентрация нейтральных, полезных и вредных химических элементов. Создание оптимальных геохимических условий ведется в направлении утилизации промышленных и бытовых отходов; создания системы очистных сооружений; увеличения зоны зеленых насаждений; совершенствования технологических процессов с созданием безотходного производства.

Ксельскохозяйственным ландшафтам, или агроландшафтам относятся пашни, огороды, сады, луга, улучшенные пастбища. Степень их окультуренности не одинакова. Поддержание оптимальных условий для развития растений в ландшафте включает: внесение органических и минеральных удобрений, пестицидов, извести или доломитовой муки, гипсование, осушение или орошение почв, создание комковатой структуры гумусового горизонта почв. Окультуренные почвы нуждаются в постоянной поддержке оптимальных параметров.

Искусственные ландшафты представлены дорожными магистралями,

водохранилищами,		плотинами, насыпными		почвами. Их	необходимо
постоянно	поддерживать		в122надлежащем	состоянии,	так как

природная миграция химических элементов приводит их к преобразованию: цветению и зарастанию искусственных водоемов, разрушение плотины агрессивной водой и т. д.

8.4.Оценка техногенной миграции химических элементов

Втехногенном ландшафте вещества иногда находятся в несвойственном природе состоянии или приобретают новые качества, для характеристики миграции химических элементов возникает необходимость использовать новые оценочные коэффициенты и показатели. Для этой цели используются коэффициенты технофильности, биофильности и деструкционной активности элемента.

Коэффициент технофильности (Кт, Т) – это отношение ежегодной добычи химического элемента (Д) к его кларку (Кл):

Т= Д / Кл.

Самая высокая технофильность у углерода (n ∙ 1010). Коэффициент технофильности динамичен, его постоянный рост свидетельствует о ежегодном увеличении добычи элемента.

Коэффициент биофильности (Кбф) – это отношение среднего содержания элемента в живом веществе планеты к кларку этого элемента в литосфере.

Коэффициент технофильности и биофильности между собой взаимосвязаны. Чем больше технофильность и чем меньше биофильность, тем опаснее химический элемент для живых организмов на данном этапе развития технической деятельности человека, значит, больше его деструкционная активность для живых организмов.

По М. А. Глазовской (1974), в качестве коэффициента деструкционной активности элемента (Кад) используется отношение массы элемента в годовой добыче и его поступление в окружающую среду при сжигании горючих ископаемых к массе этого элемента в биологической продукции наземных растений за год. Наиболее высокая деструкционная активность характерна для Hg (n ∙104-5) на порядок ниже коэффициент у Cd, F (n ∙103), еще ниже у Sb, As, Pb, U (n ∙102), ниже у Pb, Be, Ba, Sn (n ∙10). Для остальных элементов глобальный показатель деструкционной активности равен или меньше единицы.

Радиоактивные элементы совместно с космическим излучением создают естественный источник излучения. В расчете на одного человека в мире эффективная доза его составляет 2,4 мЗв (типичный диапазон колебаний 1– 10), из них на долю космического излучения приходится 0,4, земного γ- излучения – 0,5, внутреннего облучения, в основном, при вдыхании радона – 1,2, поступление с пищей – 0,3 мЗв.

Все элементы с высокой деструкционной активностью относятся к токсичным, хотя и присутствуют в живых организмах в небольшом количестве. Деструкционная активность изменяется во времени в зависимости от изменения добычи и использования элементов. Иногда

элементы	с	малой деструкционной		активностью
представляют	опасность		в123регионах, где	поступление их в

природную среду намного превышает средний глобальный уровень, например, сера.

Для определения устойчивости почв к химическому загрязнению М. А. Глазовская (1978) предлагает использовать показатель – модуль техногенного давления, который измеряется количеством данного элемента, поступающего в единицу времени на единицу площади.

В итоге, в зависимости от миграции и концентрации химических элементов в среде обитания и их поступления в организм человека можно сформулировать следующий экологический портрет человека – это совокупность генетически обусловленных свойств и наследственных морфофункциональных признаков, характеризующих специфическую адаптацию организма к конкретному набору факторов среды обитания.

9. ГЕОХИМИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Классификация в любой науке обобщает и отражает современные взгляды и свидетельствует о развитии данного научного направления. Цель классификации объектов – суммирование знаний на определенном этапе

развития	науки,	выявление	124	взаимосвязей	между	объектами,
отражение эволюции и на основе				этого объединение изучаемых объектов

по определенным критериям в таксоны.

Воснове любой геохимической классификации элементов лежит Периодическая система Д. И. Менделеева. Положение элемента в таблице указывает на его геохимические свойства, т. е. способность мигрировать, рассеиваться или концентрироваться в определенных условиях ландшафта.

Внастоящее время в геохимии известны классификации элементов В. М. Гольдшмидта, А. Е. Ферсмана, В. И. Вернадского, А. Н. Заварицкого, а в геохимии ландшафта А. И. Перельмана, Е. В.Склярова и др. Классификации А. Е. Ферсмана и А. Н. Заварицкого основаны на поведении элементов в гипогенных условиях (магматических, метаморфических); В. М. Гольдшмидта и В. И. Вернадского – отражают поведение элементов в гипо-

игипергенных условиях.

По А. Н. Заварицкому, в Периодической системе выделено 10 блоков, в которые входят близкие в геохимическом отношении химические элементы:

благородные газы; горных пород (Na, Mg, Si, Al, Ca,Li, Be, Rb, Sr, Cs, Ba);

магматических эманаций (B, F, Cl, S, P, O, C, N); группы железа (Fe, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni); редкие (Nb, Ta, Sc, Y, Mo, Hf, W); радиоактивные;

металлических руд (Cu, Zn, Sn, Hg, Ag, Au, Ga, Cd, In, Pb); металлоидные и металлогенные (As, Sb, Bi, Te, Se); группы платины; тяжелые галоиды (Br, J).

По способности создавать определенные химические соединения в природе и концентрироваться в среде В. М. Гольдшмидт (1924) разделил элементы на пять групп: литофилы (оксифилы), халькофилы, сидерофилы, атмофилы, биофилы. Литофилы образуют кислородные соединения, их ионы имеют 8-электронную оболочку. К ним относятся (Si, Fe, Ti, Cl, Br, В, Al, Ca, Mg и др.) всего 54 элемента. Для халькофилов характерно взаимодействие с серой и ее аналогами – селеном, теллуром. Внешняя оболочка катионов имеет 18-электронную конфигурацию (Сu, Zn, Pb, Cd, Fe, Co и др.). Природные соединения образуют сульфиды. Сидерофилы (Ni, Mo, Ni, Со, Os, Pd, Ir, Pt, Au Та и др.) в расплавах соединяются с железом. Они представлены атомами, которые образуют переходные ионы с внешней оболочкой 9–17- электронной конфигурации. Атмофилы характерны для атмосферы, их атомы имеют электронную конфигурацию инертных газов (2- и 8- электронную). Биофилы (С, Н, О, N, Р, S, Cl, Na, Ca, Mg, Fe и др.) концентрируются в живых организмах с образованием различных соединений. Однако в классификации В.М. Гольдшмидта некоторые элементы сочетают в себе свойства сидерофилов и халькофилов (Со), халькофилов и литофилов (Fe).

В основу геохимической классификации В. И. Вернадский положил историю поведения химического элемента в земной коре. В соответствии с этим все элементы разделены им на шесть групп: 1) благородные газы Не, Ne, Ar, Кг, Хе; 2) благородные металлы Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt; 3) циклические элементы Н, Be, В, С, N, О, F, Na, Mg и др. (всего 44); 4) рассеянные Li, Sc, Ga, Br, Rb, Y, In, I, Cs; 5) сильно радиоактивные Ро, Nt, Ra, Ac, Th, Pa, U; 6)

редкие земли La, Се, Pr, Nd, Sm,125Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu.

Классификация химических элементов, составленная А. И.

Перельманом, соответствует их поведению в условиях зоны гипергенеза. В основу классификации положены интенсивность, контрастность, виды миграции элементов в различных геохимических обстановках, а также их свойства и кларки. Химические элементы разделены на две основные группы по форме миграции: воздушные и водные. Из активных воздушных мигрантов в основном состоят живое вещество, природные воды. Воздушные мигранты в значительной степени определяют рН и Eh природных вод. Пассивные воздушные мигранты не играют существенной роли в ландшафте. Водные мигранты делятся на анионогенные и катионогенные, поведение которых в ландшафте определяются свойствами самих элементов и геохимическими условиями среды (Eh и pH). Каждая выделенная группа представляет собой парагенную ассоциацию элементов, осаждающихся на геохимических барьерах. В пределах групп химические элементы расположены по убыванию кларка. При сходных химических свойствах чем выше кларк, тем больше геохимическая роль элемента. Особенности миграции отражены в приведенной ниже схеме:

ВОЗДУШНЫЕ МИГРАНТЫ

Активные (образуют Пассивные (не образуют химические соединения): O, химических соединений): Ar, He,

H, C, N, I	Ne, Kr, Rn
ВОДНЫЕ МИГРАНТЫ
К а т и о н о г е н н ы е	А н и о н о г е н н ы е
1. Очень подвижные (Kx = n (10 – 100)):
нет	с постоянной валентностью: Cl,
	Br
нет	с переменной валентностью: S

2. Подвижные с постоянной валентностью (Kx = n (1 – 10)):

Ca, Na, Mg, Sr, Ra

F, B

3. Слабоподвижные с постоянной валентностью (Kx = n (0,1 – 1)):

K, Ba, Rb, Li, Be, Cs	Si, P
с переменной валентностью:
Tl	Ge, Sn, Sb, As

4. Подвижные и слабоподвижные в окислительной и восстановительной глеевой обстановках (Kx = n (0,1 – 1)) и инертные в восстановительной сероводородной обстановке (Kx < 0, n); осаждаются на сероводородном барьере:

126

Хорошо	мигрируют		в	нет
кислых водах окислительной и
восстановительной		глеевой
обстановок и	осаждаются		на
щелочном барьере: Zn, Cu, Ni,
Pb, Cd
Мигрируют в кислых и				нет
щелочных		водах
окислительной		обстановки:

Hg, Ag

5. Подвижные и слабоподвижные в окислительной обстановке (Kx = n 0,1 – 1) и инертные в восстановительной (глеевой и сероводородной) обстановке; осаждаются на сероводородном и глеевых барьерах:

нет V, Mo, Se, U, Re

6. Подвижные и слабоподвижные в восстановительной глеевой обстановке (Kx = (0,n – n)) и инертные в окислительной и восстановительной сероводородной среде. Осаждаются на кислородных и сероводородных барьерах:

Fe, Mn, Co

нет

7. Малоподвижные в большинстве обстановок (Kx = n (0,1 – 0,01) и менее); слабая миграция с органическими комплексами:

Частично мигрируют в Частично мигрируют в щелочной сильнокислой среде: Al, Ti, Cr, среде: Zn, Nb, Ta, W, Hf, Te

Ce, Nd, Y, La, Ga, Th, Sc, Sm,

Gd, Dy, Tb, Fr, Tm, Ho, Eu, Lu Yb, In, Bi

8. Не мигрируют или почти не образуют химических соединений; характерно самородное состояние:

Os, Pd, Ru, Pt, Au, Rh, Ir

Примечание: выделены элементы, для которых характерна биогенная аккумуляция.

Химические элементы с близкими ионными радиусами и зарядами, как правило, одинаково ведут себя при воздействии геохимических процессов. Для практических целей (Е. В. Скляров и др., 2001) выделены четыре группы элементов:

1. Главные элементы – Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P; летучие компоненты – H2O, CO2, H2S, SO2.

2. Радиогенные изотопы – K-Ar, Ar-Ar, Rb-Sr, Sm-Nd, U-Pb-Th.

3. Стабильные основные изотопы – H, O, C, S – индикаторы процессов; 4. Элементыпримеси127(содержание меньше 0,1%):

– крупноионные литофилы, наиболее подвижные в геологических

системах (Cs, Rb, K, Ba, Sr);

– транзитные, слабо подвижные элементы (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu,

Zn);

–благородные металлы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au, Cu, Ni);

–высокозарядные и наименее подвижые элементы (Sc, Y, Th, U, Pb, Zr, Hf, Nb, Ta, редкоземельные элементы); редкоземельные элементы наиболее стабильны с четными номерами, их кларк более высокий. Они делятся на три группы: легкие (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu), промежуточные (Gd, Tb, Dy, Ho), тяжелые (Er, Tm, Yb, Lu).

10.ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ГЕОХИМИИ ЛАНДШАФТА

10.1. Геохимия ландшафта и поиски полезных ископаемых

Природные процессы создают иногда условия для концентрации химических элементов в пределах литосферы с образованием рудного тела. Обычно такая концентрация элементов создается на геохимических барьерах. При неглубоком залегании рудного тела происходит его частичное разрушение. Химические элементы вовлекаются в водную, биогенную и атмосферную миграцию. В результате вокруг рудного тела в составных частях ландшафта образуется поле повышенного содержания рудных элементов или их спутников, которое называется ореолом рассеяния месторождения, а химические элементы с повышенной концентрацией в ореоле рассеяния – индикаторами.

Различают первичные и вторичные ореолы рассеяния. Повышенные концентрации элементов, которые образуются коренных породах на участке вокруг рудного тела, создают первичный геохимический ореол. Название «первичный» отражает одновременность и общность процессов образования рудных тел и окружающих их ореолов. По особенностям образования такие ореолы правильнее называть ореолами концентрации, а не рассеяния.

При гипергенном разрушении рудного тела в результате миграции элементов и соединений по направлению от рудного тела на большие расстояния происходит образование вторичных ореолов с меньшей концентрацией, по сравнению с первичным ореолом. Выявление геохимическими методами новых рудных тел ведется в основном по вторичным ореолам рассеяния. Области повышенных содержаний химических элементов на путях поверхностного или подземного стока с суши, развивающиеся за счет вторичных ореолов рассеяния называют потоками рассеяния. Предметом исследования при геохимических поисках месторождений полезных ископаемых является геохимическое поле – часть

геологического	пространства,	характеризуемая		количественным
содержанием	химических128элементов.		В	каждой	точке

геохимического поля содержание всех элементов больше нуля и близко к кларковой величине или характеризуется аномальным содержанием. С 1970 г. в различных районах мира с помощью геохимических методов открыто более 170 месторождений (Cu, Zn, Pb, Ag, As и др.).

С целью поисков полезных ископаемых предварительно проводятся рекогносцировочные, поисковые и детальные исследования.

Задача рекогносцировочных исследований – изучение геохимической характеристики и металлогенических особенностей региона, попутно – обнаружение ореолов рассеяния. Используются карты масштаба 1 : 1 000 000, 1 : 100 000 или 1: 200 000, на которые наносится сетка из горизонтальных и вертикальных линий на определенном расстоянии. Точки пересечения линий указывают на места отбора образцов. При мелкомасштабных съемках обычно отсутствуют жесткие требования к стадийности и масштабам выполняемых исследований и деление их на рекогносцировочные, региональные и поисковые условно. Чаще указывается не масштаб съемки, а количество проб, отбираемых с квадратного километра площади. Например, к рекогносцировочным относятся съемки по потокам рассеяния с отбором от 1 пробы на 200–300 км2 до 2–3 проб на 1 км2. Исследования литохимических потоков рассеяния в Китае с 1970 по 1995 год позволили выявить и оценить 579 месторождений, из которых 54 – крупные, 180 – средние, 345 – мелкие. Это месторождения цветных металлов (137), благородных (423), редких (12) и др.(А. А. Матвеев, 2003).

При получении положительных результатов проводится поисковое исследование с использованием карт крупного масштаба 1 : 25 000 или 1 : 50 000. Обнаруживаются ореолы новых месторождений и устанавливаются общие закономерности их залегания.

Детальные исследования с использованием карт крупного масштаба 1 : 10 000, 1 : 5000 или 1 : 2000 организуются на участках с проявлением рудной концентрации элементов, которые выявлены ранее. На карту наносится контур рудного тела и проводится оценка его запасов.

В зависимости от вида конкретных задач различают следующие методы поиска полезных ископаемых: литогеохимический, или металлометрический, атмогеохимический, гидрогеохимический, биогеохимический. В отдельных районах возможно совмещение методов.

Литогеохимические методы поисков полезных ископаемых.

Исследования геохимического поля с целью поисков месторождений полезных ископаемых ведутся методами геохимических съемок. Полученные геохимические показатели о содержании химических элементов делятся на параметрические и непараметрические. Геохимическими параметрами

следует именовать величины, имеющие объективный смысл, численные
значения	которых уточняются одновременно с увеличением точности
исследований, например, кларковые или фоновые величины. Численные
значения	непараметрических показателей не поддаются строгому

определению,		величины	их	129	произвольно изменяются с увеличением
точности	исследований		или		заранее известны. Пробы отбирают с

глубины от 10 до 70 см. Вес отбираемых проб от 50 г (мелкозем) до 300 г (фракции разные по диаметру). Для анализа используется просеянная через сито фракция с диаметром частиц 1,0 или 0,5 мм.

Первичный ореол воспроизводит	контур рудного тела. Граница
устанавливается визуально или по	данным химических анализов

петрогенных элементов.

Вторичные ореолы рассеяния по фазовому состоянию делятся на механические, солевые и газовые (Н.И. Сафронов, 1936).

В механическом ореоле рассеяния минеральные компоненты присутствуют в форме твердых веществ – первичных или вторичных минералов и рудных обломков. Их рассеяние связано с физической дезинтеграцией рудного тела. Они представлены в элювиально-делю- виальных образованиях, древних остаточных корах выветривания. С ними связаны месторождения золота, платины, касситерита, хромита и других минералов.

В солевом ореоле рассеяния минеральные компоненты месторождения присутствуют в форме растворенных или сложно связанных с породами соединений. Образуются в результате движения, диффузии, капиллярного подъема и испарения минерализованных вод, контактирующих с рудными породами. Солевые ореолы рассеяния образуют месторождения медноколчеданных руд, плавикового шпата и других типов рудных месторождений.

Газовые ореолы рассеяния образуются под воздействием диффузии газовых компонентов месторождений через поры горных пород к дневной поверхности. Они характерны для месторождений радиоактивных руд и развиваются независимо от процессов выветривания, а также ртути. На поверхности подвергаются адсорбции и окклюзии.

Вторичные ореолы в современном элювио-делювии или древней коре выветривания, образованные за счет интервалов рудного тела или его первичного ореола, существовавших в профиле коренных пород до выветривания, именуются остаточными ореолами рассеяния. В наложенных ореолах до развития вторичных процессов рассеяния первичная рудная минерализация отсутствовала (А.П.Соловов, 1985).

По признаку доступности для обнаружения различаются открытые ореолы рассеяния – выходящие на дневную поверхность, и закрытые ореолы

– выявляемые на некоторой глубине от поверхности.

Верхние горизонты суши, в которых протекают процессы выветривания, ведущие к разрушению и ликвидации ранее образовавшихся местных концентраций химических элементов, называются полем рассеяния месторождений полезных ископаемых.

Для каждого элемента составляется карта его распространения. Полученные данные содержания химических элементов сравниваются с

фоновым содержанием данного		элемента. Геохимические аномалии с
содержанием	элементов,130превышающим фон в несколько раз,
указывают на	наличие рудного	тела.