osnovy_geokhimii

Небольшие контуры барьера встречаются на севере Гродненской (Ошмянская возвышенность) и Минской областей (в районе Логойска). Характерен для холмисто-моренно-озерных, холмисто- моренно-эрозионных и озерно-ледниковых родов ландшафтов.

Сорбционный геохимический барьер встречается повсеместно.

Выражен на глинистых, тяжело- и среднесуглинистых породах, сильно гумусированных почвах. Сорбируются практически все химические элементы, встречающиеся в растворе в ионной форме, особенно с высоким коэффициентом водной миграции (Кх > 1) – неметаллы, щелочные и щелочноземельные элементы. С сорбцией связывают буферную емкость ландшафта. Чем она выше, тем больше будет задерживается токсических элементов и соединений. Однако часть из них будет находиться в обменной форме и может поступать в биологические объекты. Поэтому сорбция лишь частично может выполнять роль регулятора оптимальных условий жизни. Ее может дополнять биологический барьер – выращивание растений-концентра- торов определенных металлов. Этот барьер крупных консолидированных участков фактически не образует, за исключением двух контуров на севере Беларуси, где сорбционный барьер сочетается с механическим (расположены в пределах Полоцкой низменности вдоль рек Дисна до впадения в Западную Двину и далее по Западной Двине вниз по течению). На остальной территории республики сорбционный барьер встречается, как правило, в виде вытянутых узких участков в долинах рек.. Наибольшие площади занимает в пределах озерно-ледникового и пойменного родов ландшафтов.

Органогенный геохимический барьер (см. рис. 4.3) обусловлен сорбционными и комплексообразующими свойствами органического вещества почв и тяготеет к заболоченным долинам крупных рек и их притоков. Накапливает широкий спектр биофильных химических элементов. На севере Беларуси площади занимаемые органогенным барьером меньше, чем в центральной и южной части республики

61

Масштаб 1 : 3 300 000

Рис. 4.3. Латеральные геохимические барьеры в ландшафтах Беларуси

Восстановительный (глеевый) геохимический барьер выражен в супераквальных и субаквальных ландшафтах, где формируются торфяные и минеральные заболоченные почвы со слабым доступом свободного кислорода или других окислителей, избытком влаги. Такие условия необходимо создавать или использовать природные возможности для осаждения V, Mo, Cr, Se, U, Re в случае загрязнения ими ландшафтов. География данного барьера более обширная, чем органогенного. Барьер характерен для всех родов ландшафтов, но наибольшая его удельная доля приходится на низменную группу ландшафтов, в которой он занимает доминирующую долю.

Окислительный геохимический барьер наиболее выражен в автономных ландшафтах, которые господствуют в республике и приурочены к положительным формам рельефа. На нем концентрируются практически все элементы с переменной валентностью (Fe, Mn, Co и др.), и металлы, образующие устойчивые оксиды в большинстве геохимических обстановок: Al, Ti, Zn, Ta, W, Hf, Te, Ce, Nd, Y, La, Ga, Sc, In, Bi, Th, лантаноиды. Окисленная форма этих элементов слабо доступна для корневой системы растений и при загрязнении ими ландшафтов необходимо поддерживать свободный доступ кислорода в почву (вспашка, осушение). Он занимает доминирующее положение фактически на всей территории республики в автоморфных условиях.

4.3.2. Радиальные барьеры

Радиальные барьеры характерны для системы «почва-порода», «почва-растение». Миграционные потоки химических элементов направлены по вертикали. Тем самым радиальные барьеры отражают вертикальную геохимическую контрастность и дифференциацию элементарных ландшафтов. Для них характерно сочетание нескольких геохимических барьеров. Количество барьеров иногда может соответствовать количеству генетических горизонтов почв. Радиальные геохимические барьеры в значительной степени являются результатом развития почв во времени. О барьерных функциях почвенных горизонтов свидетельствует дифференцированное накопление в них ряда элементов даже в условиях нормального геохимического фона. Наложение геохимических барьеров может усиливать или ослаблять процессы накопления на них химических элементов, в зависимости от специфики барьеров.

63

Образование радиального механического барьера связано со снижением скорости механической миграции вещества внутри почвенного профиля. Название некоторых из них и специфика осаждения аналогичны латеральным геохимическим барьерам.

Выделяется ряд разновидностей механических барьеров (аэродинамический седиментационный, гидродинамический седиментационный, фильтрационный механический и адгезионный механический. В почве фильтрационный геохимический барьер препятствует развитию и распространению на глубину лессиважа – механического переноса вниз по почвенному профилю илистых частиц без их химического разрушения.

Биогеохимический (биологический) барьер. Принято различать собственно биогеохимический барьер – накопление элементов органическим веществом в верхних частях почвенного горизонта и фитогеохимический барьер – накопление элементов живыми растениями Формирование барьера определяется сочетанием ряда факторов, объединяемых в три большие группы: 1) внутренние биохимические, определяемые биологическими особенностями конкретного вида организмов; 2) внутренние химические, определяемые свойствами ионов, входящих в состав растений и животных; 3) внешние, ландшафтно-геохимические факторы, определяемые условиями среды обитания.

В радиальном направлении профиля почв действуют сорбционный и гумусовый барьеры, связанный с накоплением элементов органическими и органо-минеральными соединениями. Данные барьеры представлены в республике повсеместно.

Кальциевый (карбонатный) радиальный геохимический барьер

приурочен к вертикальному профилю дерново-карбонатных почв и почв с содержанием жестких грунтовых вод.

Окислительный и восстановительный геохимические барьеры

могут проявлять себя как совместно про профилю в заболоченных почвах, так и самостоятельно (в дерново-подзолистых и болотных почвах).

Выделено пятнадцать различных сочетаний радиальных геохимических барьеров, распространение которых имеет следующие особенности (рис. 4.4).

Гумусово-окислительный барьер является одним из самых распространенных сочетаний радиальных геохимических барьеров. Образуется на легких по гранулометрическому составу (пески,

64

супеси) одночленных почвах в автоморфных условиях на плакорных участках. Представлен практически во всех частях республики.

Гумусово-окислительно-механический барьер образуется в тех же условиях, что и предыдущее сочетание барьеров, формируясь на почвах более тяжелого гранулометрического состава (суглинки) или почвах с двухили трехчленным строением, при подстилании легких пород более тяжелыми, например при перекрытии водноледниковыми или лессовидными отложениями нижележащих моренных глин и суглинков.

Гумусово-окислительно-механическо-дисперсионно-сорбционный барьер сформировался на небольших участках в Белорусском Поозерье. Образуется в автоморфных условиях на тяжелосуглинистых и глинистых почвах.

Гумусово-переменно-окислительно-восстановительный барьер

образуется на почвах легкого гранулометрического состава (пески) с временным избыточным увлажнением. Для этого барьера характерно чередование окислительных и восстановительных условий.

Гумусово-механическо-переменно-окислительно-

восстановительный барьер по генезису почвообразующих пород аналогичен гумусово-окислительно-механическому, но формируется в условиях временного избыточного увлажнения на склонах, западинах.

Гумусово-механическо-дисперсионно-сорбционно-переменно- окислительно-восстановительный образуется на временно избыточно увлаженных тяжелосуглинистых и глинистых почвах. Значительное распространение получил в Белорусском Поозерье.

Гумусово-восстановительно-глеевый барьер развивается на мощных песчаных и супесчаных почвах в условиях избыточного увлажнения. Барьер широко распространен на заболоченных минеральных почвах Полесья и Центральноберезинской низменности.

Гумусово-восстановительно-глеево-механическо-дисперсионно-

сорбционный барьер образуется на глеевых тяжелосуглинистых и глинистых почвах, распространен на озерно-ледниковых глинах Полоцкой низменности.

Гумусово-восстановительно-глеево-дисперсионно-сорбционный барьер характерен для пойменных минеральных заболоченных почв, обогащенных органическим и илистым веществом и обладающих высокой емкостью поглощения. Линейные формы контуров на карте, приуроченные к долинам рек.

Органогенно-восстановительно-глеевый барьер формируется на торфяно-болотных почвах. Наиболее широко представлен в Полесье.

65

66

Сочетания барьеров: 1 – гумусово-окислительный; 2– гумусово-окислительно-механический; 3 – гумусово-окислительно-механическо-дисперсионно-сорбционный; 4

– гумусово-переменно-окислительно-восстановительный; 5 – гумусово-механическо-переменно-окислительно-восстановительный; 6 – гумусово-механическо- дисперсионно-сорбционно-переменно-окислительно-восстановительный; 7 – гумусово-восстановительно-глеевый; 8 – гумусово-восстановительно-глеево-механическо- дисперсионно-сорбционный; 9 – гумусово-восстановительно-глеево-дисперсионно-сорбционный; 10 – органогенно-восстановительно-глеевый; 11 – кальциево-гумусово- окислительный; 12 – кальциево-гумусово-окислительно-механический; 13 – кальциево-гумусово-механическо-переменно-окислительно-восстановительный, 14 –

кальциево-гумусово-восстановительно-глеево-диспер- сионно-сорбционный; 15 – кальциево-органогенно-восстановительно-глеевый

67

Рис.4.4. Радиальные геохимические барьеры в ландшафтах Беларуси

Глава 5. ВОДНАЯ МИГРАЦИЯ

Выделяют несколько видов миграции химических элементов в зависимости от формы движения материи. С участием воды и атмосферы характерна механическая и физико-химическая миграция. Деятельность живых организмов характеризует биогенную миграцию. Производственная деятельность человека определяет техногенную миграцию. Ниже в отдельных главах рассмотрим последовательно водную, биогенную, атмосферную и техногенную миграции.

5.1. Свойства и состав воды

Вода является универсальным растворителем и самой важной средой миграции химических элементов в ландшафтах. Гидросфера составляет 7–8 % земной коры, или 1,5 ∙ 1018 т. В ландшафте вода встречается в трех агрегатных состояниях: газообразном (Н2О), жидком (2 Н2О), твердом (3 Н2О). Чистая вода состоит из водорода (протий 1Н) и кислорода (16О).

Изотоп водорода дейтерий (D) образует тяжелую воду (D2О), содержание которой незначительно (3 ∙ 10–6 % от общего объема воды). Тяжелая вода замедляет биологические процессы в живых организмах, избыток ее может привести к аномальному их развитию. Ее содержится больше в поверхностных водах ландшафтов с аридным климатом.

Изотоп водорода тритий (Т) радиоактивен (период полураспада 12,26 лет). Тритий образуется в стратосфере при взаимодействии космических лучей и солнечной радиации с ядрами химических элементов. Здесь же образуется тритиевая вода (Т2О). Содержание ее в гидросфере ничтожное, выпадает с атмосферными осадками.

Основной состав природной воды представлен обычной водой (1Н216О), в небольшом количестве образуется с тяжелым кислородом (1Н218О). Химическая связь в воде между кислородом и водородом водородноковалентная, поэтому диссоциация ее на ионы слабая. Молекула воды поляризована, имея три полюса зарядов: отрицательный, обусловленный избытком электронной плотности, и два положительных, обусловленных ее недостатком.

Химический состав природной воды зависит от ее происхождения, а также растворимости и состава дренируемых пород.

Способность воды хорошо растворять многие минералы и породы обусловлена полярностью ее молекул и образованием объемной системы водородносвязанных структур. Они делают воду реакционным соединением с хорошей растворяющей способностью по отношению к полярным и ионогенным соединениям. Большой дипольный момент, высокая диэлектрическая постоянной ускоряют ее растворяющую способность. Вода обладает амфотерными свойствами, выступая в роли кислоты и основания, а также в роли окислителя, восстановителя. Она может гидратироваться, гидролизовать минеральные и68органические соединения. Для воды характерны некоторые аномальные явления, обусловленные полярностью ее

молекул и образованием объемной системы водородносвязанных структур: теплоемкость, скрытая теплота плавления и испарения, поверхностное натяжение, диэлектрическая постоянная. Эти аномалии определяют многие положительные особенности физиологических, геохимических и геофизических явлений в природе и живых организмах. Например, высокая теплоемкость воды стабилизирует температуру воздуха у поверхности Земли. Вода хороший растворитель по отношению к полярным и ионогенным веществам. В воде растворяются почти все природные соединения. Вода со многими солями образует кристаллогидраты. Масса 1 мл очищенной речной воды принята за единицу массы (1 грамм).

Структура жидкой воды изучена недостаточно. Известна ажурная структура льда, поэтому лед менее плотный и более легкий. Связанная вода более агрессивна, так как имеет рН 3,6, а окислительно-восстановительный потенциал при повышенной плотности отрицательный. Свободная вода представляет собой нейтральный и активный растворитель. Рост температуры ослабляет структуру воды, а рост давления – усиливает ее. При высоком давлении водяной пар ведет себя как жидкая вода, молекула ее ассоциирована. Такие газово-жидкие растворы с включением других элементов относят к флюидам.

С разложением и синтезом воды связаны преобразования пород и минералов. Взаимодействие воды с породами (гидролиз) приводит к разложению ее молекул и связыванию их разными минералами – глинами и карбонатами. Разложение воды протекает также под воздействием радиации (радиолиза).

Синтез воды характерен для зоны метаморфизма и делает ее более агрессивной. Это приводит к выщелачиванию пород. Агрессивность воды повышается под воздействием растворенных в ней газов: О2, СО2, Н2S и др.

Большинство металлов в воде находится в форме гидроксокомплексов, полимерных ионов, комплексных соединений с анионами. В воде мигрируют

недиссоциированные молекулы. Например, в нейтральных водах на один ион Fe3+ приходится 3 ∙ 105 ионов [Fe(OH)]2+, 6 ∙ 106 ионов [Fe(OH)2]+, 9 ∙ 106

ионов [Fe(OH)3]+.

Геохимия вод невозможна без участия растворенного органического вещества. Его ориентировочные запасы в подземных водах составляют более 2,5 ∙ 1012 т. Это в 10 раз больше запасов нефти и больше в 2,5 раза запасов торфа.

Таким образом, минерализация воды, агрессивность, химический состав, органическое вещество, диэлектрическая проницаемость, температура, давление, рН и Еh и другие свойства воды – мощные геохимические факторы в миграции химических элементов в ландшафте. Ниже рассмотрим важнейшие свойства воды.

Растворимость воды определяется величиной диэлектрической постоянной («ди» – два, т. е. плюс и минус, силы взаимодействия между ионами), которая характеризует69силу притяжения противоположных электрических зарядов в воде. Она самая высокая в воде (81). Чем

больше сила взаимодействия двух электрических зарядов, которые находятся в жидкости на определенном расстоянии, тем меньше диэлектрическая постоянная. Это значит, что два заряда в воде притягиваются друг к другу силой, равной 1 /81 от силы их притяжения в ваакуме. Высокая диэлектрическая постоянная воды в сочетании со стремлением молекул воды присоединиться к ионам обеспечивает необычайную способность воды к растворению ионных веществ. Растворитель с высокой диэлектрической постоянной хороший для жизни организма как хороший изолятор и аккумулятор тепла.

Большинство органических соединений не имеет ионной связи и поэтому не растворяются в воде, но хорошо растворимы в жидкостях с низкой диэлектрической постоянной (2–10), например в бензине.

С повышением температуры воды растворимость минералов увеличивается, а газов – уменьшается.

Чем выше концентрация воды, тем меньше растворяется минералов и органических соединений.

Повышение содержания углекислого газа и кислорода в воде повышает растворяющую способность воды, как и наличие иона водорода и других ионов. Наиболее высокая растворимость у глинистых сланцев и базальтов, слабее растворяются габбро, сиениты, кристаллические сланцы.

Геохимическая деятельность воды определяется суммой растворенных ионов в литре воды – общей минерализацией. Она колеблется в пределах 0,02–400 г/л и возможно выше. Общая минерализация выражается в миллиграммах, граммах на дециметр кубический или в промилле. Высокая минерализация вод понижает растворимость дренируемых пород. Воды, характеризующиеся предельными значениями минерализации (ультрапресные и рассолы), отрицательно действуют на развитие живых организмов. Существует несколько классификаций вод по степени минерализации. Для изучения ландшафтов лучше подходит классификация А. М. Овчинникова (1949):

Воды	Минерализация, г/дм3
ультрапресные	< 0,2
пресные	0,2–1,0
солоноватые	1,0–3,0
соленые	3,0–35,0
рассолы	> 35,0

Ультрапресными, как правило, бывают атмосферные осадки, поверхностные воды тундры, влажных тропических и экваториальных лесов, некоторых районов северной тайги. Пресные воды характерны для южной и средней тайги, широколиственных лесов, лесостепи, степей, высокотравных саванн. Солоноватые, соленые воды и рассолы характерны для ландшафтов с аридным климатом, для вод морей и океанов.

Концентрация ионов в воде, соотношение катионов и анионов положены в основу классификации вод по химическому составу (О. А. Алекин,1946). По содержанию преобладающих70анионов природные воды делятся на три класса: гидрокарбонатные (НСО3– ), сульфатные (SO42–), хлоридные (Cl–).