1.7. Геохімія ландшафтів

Мета: вивчити геохімію ландшафтів, основні терміни.

План:

1.Геохімія ландшафтів.

2.Закономірності розповсюдження та поведінки різних хімічних елементів у ПТК.

3.Елементарні геохімічні ландшафти.

4.Спряжений геохімічний ряд.

Геохімія ландшафтів - це наука, що вивчає хімічні процеси функціонування ландшафтів, а саме поширення, міграцію, розсіювання та акумуляцію хімічних елементів всередині ПТК і між різ­ними ПТК.

Основи цієї науки започаткували В.І.Вернадський та О.Є.Ферсман, теоретичні положення сформулював у 20-30-ті роки Б.Б.Полинов, а в повоєнний час розвинули О.І.Перельман, М.А.Глазовська та їхні чис­ленні учні. Головною ідеєю геохімії ландшафтів є уява про наявність певних закономірностей розповсюдження та поведінки різних хімічних елементів у ПТК.

Перша закономірність заключається в тому, що кожний ПТК характеризується певним рівнем вмісту різних хімічних елементів. Це обу­мовлено властивостями ПТК і самих елементів. Найбільш поширені на Землі O, Sі, Аl, Fе, Са, Nа, К, Мg. Ці елементи утворюють основ­ну масу гірських порід, ґрунтів, вод і організмів (99,03 %) і називають­ся головними. Всі інші елементи складають менш 1 % земної кори і на­зиваються рідкісними. Якщо вони не здатні до концентрації, то назива­ються рідкісними розсіяними. Наприклад, у U і Вr кларки майже одна­кові, але U просто рідкісний елемент, оскільки відомі його родовища, а Вr - рідкісний розсіяний, оскільки він майже не концентрується в зем­ній корі. В геохімії використовується також термін "мікроелементи". Під ним розуміються елементи, які зустрічаються в якомусь середовищі в мікрокількостях (менше 0,01 %). Ним може бути і головний елемент. Так, Аl - мікроелемент в організмах і макроелемент в гірських породах.

Вивчення вмісту хімічних елементів в земній корі започатковано наприкінці XIX століття американським вченим Ф.У.Кларком, який вперше встановив кількісну поширеність хімічних елементів в земній корі. Тому одиниця середнього вмісту хімічного елементу в земній ко­рі, за пропозицією О.Є.Ферсмана, отримала назву кларк.

Головні хімічні елементи мають кларк більше одиниці. Кларки рідкісних елементів не перевищують 0,01. Дослідження хімічного складу гірських порід, ґрунтів, підземних і поверхневих вод різних ПТК до­зволяє виявити геохімічні аномалії - ділянки території, які суттєво від­різняються концентраціями хімічних елементів або їх сполук порівняно з переважаючими значеннями суміжних ділянок і є індикаторами родо­вищ корисних копалин або місць антропогенного забруднення.

Друга закономірність розповсюдження хімічних елементів у ПТК полягає у їх властивості мігрувати. Міграційна здатність хімічних еле­ментів визначається як внутрішніми, так і зовнішніми факторами. До внутрішніх факторів відноситься здатність хімічних елементів створю­вати хімічні сполуки різної розчинності.

Елементи, які активно вступають в реакції і створюють різні хіміч­ні сполуки мають високу міграційну здатність в гірських породах, ґрунтах, рослинах, поверхневих і підземних водах. Вони визначають хара­ктерні риси хімічного складу ПТК і називаються типоморфними. Го­ловні з них Sі, Аl, Н, Na, Са, Сl, Мg.

Типоморфність того чи іншого елементу визначається характером ПТК. Так, у степових ПТК типоморфним елементом є кальцій, який визначає нейтральну або слаболужну реакцію ґрунтових розчинів. В ПТК тайги типоморфним елементом є гідроген, який обумовлює кисле середовище і нестачу кальцію в ґрунтах. Типоморфними елементами пустельних ПТК є натрій і хлор. За переважаючою роллю певного типоморфного елемента виділяють відповідні типи ПТК: 1) кислі (Н) і кислі глейові (Н-Fе) - в хвойних лісах; 2) кальцієві (Са) і кальцій-натрієві (Са-Nа) - в степах; 3) натрієві (Nа) і хлоридно-натрієві (С1-Nа) - в степових або пустельних западинах із солончаками тощо.

Неактивні хімічні елементи (цирконій, гафній, ніобій, тантал, платиноїди, інертні гази) майже не беруть участі в реакціях і мають незначний вплив на властивості ПТК.

Головними зовнішніми факторами міграційної здатності хімічних елементів є фізико-географічні умови - температурний режим, воло­гість, рельєф і т.д. Температурні умови впливають на швидкість хіміч­них реакцій. Від температури води залежить також міграційна актив­ність елементів. В жаркому кліматі вона може бути більш високою, ніж в тундрі або зоні багаторічної мерзлоти з їх низькими температурами. Наявність води є необхідною умовою переходу хімічних елементів у розчини і включення їх у міграційні потоки.

В залежності від форми руху матерії виділяють чотири види мігра­ції хімічних елементів: 1) механічну; 2) фізико-хімічну, 3) біогенну; 4) техногенну. Механічна міграція включає розсипи, вітрову і водну ерозію. Фізико-хімічна міграція включає розчинення, осадження, сорбцію та інші складні процеси, які протікають за участю води і повітря. Тому фізико-хімічну міграцію поділяють на водну і повітряну. Біогенна міграція здійснюється в результаті діяльності живих організмів. Техногенна міг­рація - це процеси переміщення, концентрації та розсіювання хімічних елементів під впливом діяльності людини. Усі форми міграції тісно зв'язані і зустрічаються практично повсюди. Але за різних природних умов співвідношення та роль різних видів міграції не однакові. Так. у пустелях зростає роль механічної міграції, а у вологих тропіках - фізико-хімічної і біогенної міграції і т.д. Кількісною оцінкою міграції елементів у ландшафті слугує інтенсивність міграції - кількість хімічного елементу, яка переходить у рухомий стан за одиницю часу.

Якщо інтенсивність міграції різко зменшується на короткій відста­ні, це призводить до осаду мігруючих елементів і спричиняє їх значну концентрацію на певній ділянці. Такі ділянки називають геохімічними бар'єрами. Вони виникають в місцях розвантаження підземних вод, на межі порід різного складу, на межі ґрунтових горизонтів, біля підніжжя схилів і т.д.

Рудні тіла деяких родовищ корисних копалин утворюються саме на геохімічних бар'єрах. Класифікація бар'єрів побудована відповідно до видів міграції хімічних елементів. Виділяють механічні, фізико-хімічні і біогеохімічні бар'єри.

Механічні бар'єри утворюється в результаті зміни пухких порід на щільні. Найбільш характерними вони є для елементів благородних ме­талів (Аu, Ті, Сr та ін.). Фізико-хімічні бар'єри зв'язані із зміною фізич­них і хімічних умов міграції. Відрізняють: 1) окисний, 2) відновний глейовий, 3) відновний сірководневий, 4) кислий, 5) лужний, 6) нейтральний, 7) випарний, 8) сорбційний, 9) сульфатний фізико-хімічні бар'єри. Окисний бар'єр формується на межі зміни відновної обстановки на окисну. Наявність вільного кисню та інших окислювачів приводить до утворення нероз­чинних окисних сполук, що характерно для заліза, марганцю (іржаві плями). Відновний глейовий бар'єр перешкоджає міграції відновних сполук селену, ванадію, урану, молібдену, кобальту, які випадають в осад. Відновний сірководневий бар'єр формується там, де створені умо­ви для утворення сірководню. Вступаючи в геохімічну реакцію з мета­лами, сірководень утворює сульфіди металів (FеS, РbS), які випадають в осад. На цьому бар'єрі затримується міграція Fе, V, Sn, Ni, Со, Сu, Рb, Сd, Нg, Sе. Кислий бар'єр формується при зміні лужної або нейтральної реакції на кислу. Такий бар'єр затримує міграцію Sі, Мо, Sе, Нg, сполу­ки яких в кислому середовищі слаборозчинні. Лужний бар 'єр утворю­ється на межі зміни кислої або нейтральної реакції на лужну. В умовах лужного середовища сполуки Fе, Са, Мg, Zn, Сu, Nі, Со, Рb, V, Сd пе­реходять в слаборозчинні сполуки. Нейтральний або кальцієвий бар'єр утворюється при наявності карбонатних порід або жорстких вод, які насичені іонами СО₃^2- . На бар'єрі зупиняється міграція Са, Fе, Ва, Sr. Сульфатний бар'єр характерний для вод, які збагачені сульфатними іонами. Тут концентрується Ва, Са, Sr. Випарний бар'єр характерний для верхніх горизонтів ґрунтів арідних ландшафтів. Вода з розчинними сполуками рухається вверх, випаровується, а елементи випадають у вигляді хлоридних, сульфатних і карбонатних солей. Цей бар'єр при­пиняє міграцію всіх розчинних у воді речовин. Сорбційний бар'єр проявляється в тих ландшафтах, у яких багато колоїдних частинок (гумусу, глини). Він може осаджувати практично всі елементи, які зустрічають­ся в розчині у іонній формі.

Біогеохімічні бар'єри - це здатність живих організмів утримувати хімічні елементи.

Третя закономірність розповсюдження хімічних елементів у ПТК заключається в тому, що всі процеси міграції, розсіюванні та акумуляції хімічних елементів обумовлені геохімічним сполученням ПТК.

В основі уяви про геохімічне сполучення ПТК лежить вчення Б.Б.Полинова про елементарний геохімічний ландшафт (ЕЛ) ~ ділянку земної поверхні, яка відрізняється певним типом міграції хімічних елементів і є найменшою, найпростішою таксономічною одиницею в геохімії ландшафтів, що прирівнюється до поняття "фація ".

Геохімічний ландшафт - це той же географічний комплекс, але та­кий, що розглядається під кутом зору міграції хімічних елементів. Фації вододілів, схилів, річкових долин, водойм в межах одного геохімічного ландшафту - це не окремі, ізольовані один від одного ділянки земної поверхні, а взаємозв'язані між собою потоками речовини і енергії час­тини цілого. Вони формують спряжений геохімічний ряд елементарних ландшафтів, який Б.Б.Полинов назвав місцевим геохімічним ландшафтом.

Кожний елементарний ландшафт можна охарактеризувати певни­ми рівнями вмісту хімічних елементів і певним типом радіальної (вер­тикальної) і латеральної (горизонтальної) геохімічної структури. Дослі­дження радіальної геохімічної структури передбачає встановлення різ­ниці вмісту певних хімічних елементів в різних природних компонен­тах, які складають ЕЛ - в ґрунті та його генетичних горизонтах, ґрунтоутворюючий породі, підземних та поверхневих водах, рослинах.

Латеральну геохімічну структуру складають ЕЛ, які сформувалися в межах місцевості з однорідною геологічною будовою і єдиною історі­єю формування, але займають різне положення в рельєфі і, внаслідок цього, характеризуються різними умовами міграції і акумуляції хіміч­них елементів.

Спряжений геохімічний ряд складають три основних і п'ять перехідних типів ЕЛ. Основними типами ЕЛ є елювіальний, супераквальний і субаквальний типи, перехідними - транселювіальний, елю­віально-акумулятивний, акумулятивно-елювіальний, транссупераквальний і трансаквальний.

Елювіальні (автономні) ЕЛ розташовані на вододілах і характеризуються глибоким заляганням ґрунтових вод. Багато хімічних елемен­тів з них виноситься з ґрунтовими і поверхневим стоком, а надходження нових відбувається лише з атмосферними опадами і пилом. По всьому вертикальному профілю ЕЛ має місце процес окислення, який сприяє акумуляції заліза, марганцю, кобальту і міграції молібдену, се­лену, урану та ін.

Супераквальні (надводні) ЕЛ займають знижені елементи рельєфу і характеризуються близьким заляганням ґрунтових вод. Вони підпоряд­ковані елювіальним, оскільки лежать нижче за гіпсометричним рівнем і знаходяться під впливом надходження хімічних елементів з ЕЛ вододі­лу. Вміст хімічних елементів в ґрунтах супераквальних ЕЛ вищий, ніж в автономних, але частина хімічних елементів виноситься з них ґрунто­вими і поверхневими водами в субаквальні ЕЛ, які лежать ще нижче.

Субаквальні (підводні) ЕЛ формуються по днищах річок, озер, шельфовій зоні морів. Хімічні елементи приносяться сюди з твердим і рі­дким стоком з вище розташованих ЕЛ. Це має як позитивні, так і нега­тивні наслідки. Принесений зверху матеріал нагромаджується і підвод­ні рослини нерідко ліпше забезпечені мінеральними речовинами, ніж надводні. Але інколи у водоймах може створюватися надлишок шкід­ливих компонентів техногенного забруднення - важких металів і син­тетичних органічних сполук.

Транселювіальні ЕЛ - це верхні частини схилів вододілів, де відбу­вається переважно транспортування хімічних елементів. Елювіально-акумулятивні ЕЛ - це нижні частини схилів вододілів, де відбувається і транспортування, і накопичення хімічних елементів. Акумулятивно-елювіальні ЕЛ - це замкнені пониження вододілів з глибоким рівнем ґрунтових вод, де винос хімічних елементів відбувається лише з ґрун­товим стоком. Транссупераквальні ЕЛ - це схили знижених, підпоряд­кованих вододілам межиріч, де відбувається переважно транспортуван­ня хімічних елементів. Трансаквальні ЕЛ - це днища річок, озер, морів з проточними водами, аквальні — днища озер з непроточними водами.

Згідно із Б.Б.Полиновим, сукупність ЕЛ, які послідовно чергуються в межах певного геоморфологічного елемента (вододілу, схилу, тераси, днища водойми) і схожі за умовами міграції, складає місцевий геохімі­чний ландшафт або місцевість. Серія ЕЛ, які змінюють один одного в напрямку від вододілу до днища долини і зв'язані латеральним напрям­ком міграційних потоків, формують ландшафтно-геохімічну катену (ЛГК) - найпростішу, за М.А.Глазовською, каскадну ландшафтно-геохімічну систему - КЛГС. Сукупність ЛГК, які обмежені загальним водозбірним басейном, формує ландшафтно-геохімічну арену (ЛГА).