osnovy_geokhimii

ОСНОВЫ ГЕОХИМИИ

МИНСК

БГУ

2010

1

1.ГЕОХИМИЧЕСКИЙ ЛАНДШАФТ

1.1.Элементарный ландшафт и его морфология

Ландшафт, по определению А. И. Перельмана (1975), – это сложная неравновесная система, в которой происходит взаимодействие и взаимопроникновение химических элементов между породой, почвой, водами, воздухом, живыми организмами.

Как научный термин, «ландшафт» впервые был использован в первой половине XIX в. А. Гумбольдтом, географами заимствован в XX в. Впоследствии термин ландшафт был положен в основу развития нового научного направления – ландшафтоведения. В геохимии ландшафта «элементарный ландшафт» используется как элементарная географическая единица с целью исследования, классификации и картографирования. В других научных направлениях в качестве элементарной единицы используются термины «микроландшафт», «фация», «биогеоценоз» и др.

Элементарный ландшафт в геохимии ландшафта представляет собой участок территории с однородным рельефом, породой, почвенной разновидностью, растительной ассоциацией, например лишайниковый бор. Площадь его может измеряться от нескольких квадратных метров до сотни и более (полесский ландшафт). Верхняя граница элементарного ландшафта проводится по высоте распространения микроорганизмов и пыли в тропосфере, нижняя – по первому от поверхности горизонту грунтовых вод.

В пределах элементарного ландшафта под воздействием механических, химических и биологических факторов образуется «микрорельеф», например кочка на болоте, муравейник в лесу. Б. Б.

Полынов назвал их предельными структурными элементами

ландшафта, или деталями.

По условиям миграции химических элементов Б. Б. Полынов (1952) предложил различать следующие виды элементарных ландшафтов: элювиальный, супераквальный, субаквальный. М. А. Глазовская (1964) дополнила их новыми видами в пределах основных элементарных ландшафтов.

Элювиальный элементарный ландшафт выделяется на повышенных формах рельефа и развивается автономно. А. И. Перельман предложил называть его автономным элементарным ландшафтом. Слагающие его породы по вертикальному профилю могут быть однородны или разнородны по гранулометрическому

2

составу и генезису. Почвенная разновидность автоморфная (атмосферного увлажнения). Химические элементы привносятся только с атмосферными осадками и пылью. Грунтовые воды залегают глубоко и в почвообразовательном процессе не принимают участия. Преобладает вертикальная миграция химических элементов вниз по профилю. В ходе эволюции элювиальный элементарный ландшафт обедняется химическими элементами. Аккумулируют химические элементы растительностью и при наличии геохимических барьеров. В условиях аридного климата происходит засоление профиля почв и пород, чему способствует галофитная растительность. По профилю элювиального элементарного ландшафта происходит окисление химических элементов. Это способствует миграции V, Mo, Se, U и осаждению Fe, Mn, Co и других элементов.

Впределах элювиальных элементарных ландшафтов иногда встречаются понижения, в которых аккумулируются химические элементы с повышений, иногда протекает процесс заболачивания.

Такой ландшафт называется элювиально-аккумулятивным.

Иногда у элювиального элементарного ландшафта бывают выражены склоны различной крутизны. В таких случаях верхнюю половину склона относят к трансэлювиальному элементарному ландшафту, а нижнюю половину склона – к трансэлювиальноаккумулятивному. С верхней половины склона активно механически выносятся частицы почвы и аккумулируются в нижней половине с образованием делювиальных и пролювиальных отложений.

Супераквальный (надводный) элементарный ландшафт приурочен

кпониженным формам рельефа. Почвенно-грунтовые воды залегают в пределах почвенного профиля, местами в зоне корнеобитаемого слоя. Развиваются полугидроморфные и гидроморфные почвы, в которых аккумулируются и частично выносятся химические элементы. Продуктивность растений лимитируется в гумидном климате избытком влаги и недостатком кислорода, в аридном климате – аккумуляцией легкорастворимых солей. Создаются условия для восстановления химических элементов и соединений, что способствует миграции и выносу Fe, Mn, Co и др., аккумуляции V, Se, Mo, U.

Взависимости от активности миграции грунтовых вод и водообмена супераквальные элементарные ландшафт бывают

транссупераквальными с проточными водами (пойма), собственно супераквальные – с застойными водами замкнутых понижений (болото вне поймы).

3

Субаквальный (подводный) элементарный ландшафт формируется на различных по составу подводных отложениях рек, озер, шельфовой зоны морей и океанов. Химические элементы привносятся с твердым и жидким стоком из элювиальных и супераквальных ландшафтов. Наносы и отложения постепенно при уплотнении превращаются в породу. Она служит источником поступления химических элементов в водные растения. При отмирании и разложении растений откладываются сапропели – органо-минеральные соединения с высоким содержанием битумов. В этих условиях металлы восстанавливаются и при наличии сероводорода осаждаются в форме сульфидов.

Взависимости от активности миграции вод субаквальные элементарные ландшафты подразделяются на трансаквальные – с проточной водой (ландшафты проточных озер и рек) и аквальные – с непроточной водой (ландшафты непроточных озер и водоемов).

Впоймах рек выражено сезонное изменение водного режима. В межень миграция элементов осуществляется по типу транссупераквальных ландшафтов, в половодье – по типу трансаквальных.

Супераквальный и субаквальный ландшафты называют также подчиненными, так как на их формирование влияют продукты выветривания и почвообразования элювиальных ландшафтов.

Сочетание элементарных ландшафтов от повышенных элементов рельефа к местному водоему или местному понижению называют геохимическим ландшафтом. Сочетание геохимических ландшафтов образует местный ландшафт.

Геохимический ландшафт. Обмен химическими элементами происходит в ряду основных элементарных ландшафтов: элювиальный → супераквальный → субаквальный. Они составляют геохимический ландшафт. Он может быть представлен полным и неполным рядом, т. е. выпадать субаквальный или супераквальный ландшафты. Кору выветривания различают монолитную (слагающие породы однородны по генезису и гранулометрическому составу) и гетеролитную (породы разнородные). При изучении закономерностей миграции химических элементов в ландшафте следует использовать монолитный ландшафт.

Если в подчиненные элементарные ландшафты поступают только своего ряда фаций, то такие ландшафты называют автохтонными (геохимически подчиненными. Если в подчиненный элементарный

4

ландшафт поступают химические элементы из других рядов фаций, то их называют аллохтонными (геохимически слабо подчиненными).

Последовательное чередование геохимических ландшафтов (рядов фаций), сходных по условиям миграции, образует местный ландшафт, или местность. М. А. Глазовской выделены простые и сложные, одноступенчатые и многоступенчатые местные ландшафты.

Сложные местные ландшафты характерны для северной части Беларуси: чередование моренных холмов, верховых болот, лугов, озер. Для горных систем характерны многоступенчатые простые и сложные местные ландшафты.

Сопряжение в ландшафте – это характерный для каждого геохимического ландшафта тип обмена веществ (миграции элементов). Различают геохимические ландшафты с сопряженным и несопряженным сопряжением.

При совершенном сопряжении в геохимическом ландшафте кора выветривания монолитная, почвенно-грунтовые воды участвуют в переносе химических элементов из элювиальных ландшафтов в подчиненные. Породы монолитные (песчаные породы Полесья и др.).

Несовершенное сопряжение определяется по одному из следующих критериев или их сочетанию: кора выветривания гетеролитная по вертикальному или горизонтальному профилю; грунтовые воды залегают глубоко и не участвуют в переносе химических элементов из автономного в подчиненные ландшафты. В Беларуси это ландшафты с покровными маломощными супесями, которые подстилаются суглинком или песком; в пустыне при однородных песках грунтовые воды залегают глубоко и не участвуют в переносе химических элементов.

1.2. Морфология элементарного ландшафта

Морфологические особенности элементарных ландшафтов изучены недостаточно. Приводятся сведения о площади и форме, вертикальном строении и мощности, сделана попытка объяснить причину окраски элементарного ландшафта.

Площадь и форма элементарного ландшафта чаще всего зависит от рельефа, реже от породы. Элементарный ландшафт может занимать площадь от нескольких квадратных метров до квадратных километров, например солонцы и такыры Средней Азии, низинные болота Полесья и Западной Сибири. Элементарные ландшафты могут

5

иметь круглую, эллипсоидную, полосчатую, зигзагообразную, дугообразную и другие формы.

Вертикальный профиль элементарного ландшафта делится на ярусы или горизонты. В надземной части выделяется ярус живого вещества. Для него характерна концентрация элементов-органогенов (С, Н, О, N). Мощность яруса живого вещества максимальная во влажных экваториальных лесах, минимальная – в водорослевых и лишайниковых сообществах пустынь.

Ниже расположен ярус почв, мощность которого определяется степенью интенсивности почвообразовательного процесса. В пределах этого яруса выделяются почвенные горизонты, которые определяются содержанием элементов. В почвенной толще протекают процессы взаимодействия между живыми организмами и органоминеральными соединениями.

Ниже яруса почв расположена порода, где протекают физикохимические процессы, которые носят общее название – выветривание, или собственно гипергенез. Здесь формируется ярус коры выветривания. Самый нижний ярус вертикального профиля ландшафта – ярус грунтовых вод. Геохимические процессы этого яруса определяются режимом и составом вод и водовмещающих пород, составом химических элементов, поступающих из ярусов коры выветривания и почв.

В элементарных ландшафтах могут отсутствовать отдельные ярусы. Верхний водоносный горизонт может находится за пределами ландшафта в горах, иногда он совмещен с корой выветривания или почвой в торфяно-болотных почвах.

Окраска ландшафта – важный морфологический признак. По современным представлениям окраска – физическое явление селективного поглощения или отражения кристаллом определенного диапазона электромагнитного излучения в пределах видимой области спектра (А. Н. Платонов, 1976).

Окраски минеральных соединений по их происхождению А. Е. Ферсман (1936) впервые разделил на идиохроматические, т. е. собственные; аллохроматические, вызванные наличием в кристалле минерала второстепенных элементов – хромофоров (титан, железо, марганец, хром и др.); псевдохроматические, связанные с интерференционными явлениями.

Общая окраска ландшафта зависит от наиболее распространенных элементов и минералов, а также от органических соединений. Совокупность ионов кремния придает кварцевому песку

6

прозрачность. Белый цвет почвенных новообразований степных и пустынных ландшафтов объясняется наличием кальция, натрия (корки солончаков, известковые конкреции). В ярусе почв и коры выветривания преобладают оттенки красного и желтого цвета как результат присутствия трехвалентного железа и гидрофильности их соединений. Зелено-голубой цвет глеевых горизонтов заболоченных почв определяется двухвалентным железом. Оттенки окраски изменяются также в зависимости от степени увлажнения породы. Влажная почва имеет более яркий и темный оттенок по сравнению с аналогичной сухой породой.

Окраску высших растений создают антоцианы , которые содержатся во всех растительных тканях. Цвет антоцианов определяется их структурой и физическими свойствами растворителя. С увеличением количества фенольных гидроксильных групп (ОН) цвет изменяется от розового к синему, а метилирование (СН3) гидроксильных групп приводит изменение цвета от синего к розовому. Антоцианы меняют цвет также под влиянием реакции растительного раствора, ионов металлов. Например, цианидин в кислом растворе имеет красный цвет, в щелочном – синим. Добавление хлорида алюминия к раствору цианидина и его производных цвет раствора переходит из красного в синий.

Понижение температуры воздуха влияет на изменение цвета листьев высших растений, что объясняется накоплением в них прежде всего производных цианидина (С. С. Танчев, 1980).

7

2. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

2.1. Образование Вселенной

По современным представлениям Вселенная возникла 12–15 млрд лет назад. Теорию очень плотной и горячей Вселенной развил физик Г. Гомов. Первоначальное сингулярное состояние Вселенной было сжатое. Первичный нуклеосинтез, т. е. образование ядер легких элементов (в порядке убывания количества –Н, 4 Не, D, 3 He, Li) стал возможен через несколько минут после начала Большого Взрыва очень плотного и малого сгустка материи, а через один миллион лет началось формирование атомов химических элементов в ходе термоядерного синтеза в звездах.

По информации современной теоретической физики процесс Большого Взрыва выглядит следующим образом: в начале взрыва температура 1032 по Кельвину была достигнута через 10– 43с, через одну секунду она снизилась до 10 10 К, через одну минуту – до 10 9 К, через 100 тыс. лет – до 10 4 К, через 1 млн лет – до 10 3 К.

Вначале своего существования (до 300–400 тыс. лет) Вселенная представляла собой «кипящую смесь» из протонов, электронов, нейтрино и излучения, которые взаимодействовали между собой и вследствие продолжавшегося расширения вещества охлаждались. Остывшая плазма превратилась в нейтральный атомарный водород. В дальнейшем гравитационное сжатие и нагрев остывшей массы привело к образованию первичных звезд и галактик. Любая звезда формируется в результате коллапса и гравитационного сжатия газа и пыли.

В расширяющейся и в настоящее время Вселенной обычное вещество (сочетания атомов и молекул – барионная форма) составляет 4 % от общей плотности, небарионная темная материя (скрытая масса)

– 26 %, темная энергия – 72 %.

Любая звезда формируется в результате коллапса и гравитационного сжатия газа и пыли.

Выделяют следующие этапы эволюции звезды.

8

1 этап. Облако межзвездного газа и пыли под действием гравитации сжимается, уплотняется, привлекая окружающее вещество.

2 этап. Вещество постепенно сжимается с образованием протозвезды, в которой температура и давление растут, однако нет светимости. При достижении температуры 10–15 млн К начинаются ядерные реакции в центре сгустка, превращение водорода в гелий. При этом излучение приводит к светимости и выделению тепла.

3 этап. Основная стадия жизни звезды. В это время она почти не меняет температуру и светимость.

4 этап. Исчерпав запасы топлива в ядре, стареющая звезда размером Солнца расширяется и превращается в красный гигант, а большие по массе звезды (до 25 масс Солнца) – в красный сверхгигант. Температура падает. Солнце возможно поглотит ближайшие планеты. Образуется планетная туманность.

5 этап. Умирающая малая звезда сбрасывает газовую оболочку, а массивные звезды делаю это бурно, взрываясь и выделяя огромное количество энергии. Во Вселенной этот процесс зарегистрирован как взрыв Сверхновой. Газопылевые оболочки сброшенные звездами (туманности) являются материалом для формирования новых звезд или планет.

6 этап. После сброса газовой оболочки малая звезда типа Солнца превращается в компактный объект – белый карлик, размеры которого сравнимы с Землей. Массивные звезды сжимаются до размеров 10–20 км, превращаясь в сверхплотные образования – нейтронные звезды или черные дыры.

Время жизни звезд зависит от ее размера. Чем большая масса звезды, тем короче ее жизненный путь. Считается, что Солнце окажется на стадии умирающей звезды примерно через 5 млрд лет.

2.2. Образование химических элементов

Содержание химических элементов в природе и их происхождение связано с законами, управляющими ядерным веществом.

Физики связывают эволюцию элементов с определенными реакциями, в которых из более простых ядер рождаются сложные. Эволюция элементов – результат определенной последовательности ядерных реакций, протекающих во Вселенной, где есть подходящие

9

условия. Предложенные гипотезы образования химических элементов можно разделить на две группы.

Согласно первой группе гипотез все химические элементы образовались в течение нескольких минут из сверхплотной материи при расширении Вселенной путем ядерных реакций между элементарными частицами: протонами, нейтронами, электронами, позитронами, мезонами.

По другой группе гипотез образование химических элементов происходило в массивных звездах, в которых высокие температура и давление создавали условия для ядерных реакций и превращения одних элементов в другие. Она в настоящее время общепризнанна. Исходным материалом для построения всех элементов считается водород – господствующий элемент Вселенной.

Для рождения атомных ядер необходим исходный материал и достаточное количество энергии. Гравитационные силы, сжимая вещество, могли разогреть водородный газ до необходимой температуры в несколько миллионов градусов. В ходе ядерных реакций он превращался в гелий. Из них в дальнейшем предстояло природе создать элементы Периодической системы.

После начала синтеза элементов его продолжили гравитационные и ядерные силы. В сердцевине звезды выгорает водород (N-процесс), падает давление, новое гравитационное сжатие поднимает температуру еще выше – до 100 млн °С (Н-процесс). При такой температуре роль топлива продолжил вновь образованный из водорода гелий. Ядра гелия приобретали энергию, достаточную для преодоления более высокого, чем у протона водорода,

электростатического барьера – α-частицы (Не-процесс):

3 4Не → 12С + γ.

Ядра элементов, захватывая α-частицы, создавали новые

химические элементы (С-, О-процессы) до железа включительно:

12С + 4Не → 16О,

16О + 4Не → 2Ne,

20Ne + 4Нe → 24Mg.

Процесс с участием α-частиц завершается, видимо, к концу активной жизни звезды. Дальше начинали действовать накопившиеся в продуктах горения кремния нейтроны (n-процесс). Сложные ядра оказались, как бы погружены в «ванну» из этих частиц.

Если звезда остается устойчивой, после завершения α-процесса она испытывает дальнейшее сжатие при котором возникают термоядерные реакции в обстановке статического равновесия. В этих

10