2. Введение в геохимию ландшафтов

■■

Геохимия ландшафтов - это наука о миграции химических элементов в верхней части

литосферы, где активно происходят все процессы выветривания горных пород - зоны гипергенеза; сегодня сё считают разделом геохимии в системе геологических и географических наук. Геохимия ландшафтов изучает закономерности миграции и распределения химических элементов под воздействием факторов, которые определяют географический (Б.Ф. Мицкевич, 1981). В миграции элементов выделяется три основных типа, первый тип представляет собой изменение формы нахождения элементов без их ""значительного перемещения (переход элементов из минеральной формы в раствор). Второй тип-передвижение элементов без изменения форм их нахождения {перемещение обломков "минералов или отдельных элементов, находящихся в растворе, при движении поверхностных и подземных вод). Третий тин объединяет два предыдущих и включает в себя перемещение ■элементов с изменением форм их нахождения (переход из минералов в растворы и последующее перемещение с поверхностными и подземными водами; переход элементов из минералов горных пород в растноры, а затем в растения и т.д). В соответствия с основными формами движения материи, в пределах биосферы выделяют четыре вида миграции химических элементов в ландшафте: биогенная, механическая, физико-химическая и техногенная. Биогенная миграция осуществляется живыми организмами. Они принимают непосредственное участие в миграции элементов и оказывают; на псе значительное косвенное влияние, так как н процессе жизнедеятельности они зачастую определяют условия среды, в которой происходит миграция. Механическая миграция представляет собой передвижение обломков минералов и горных пород. В современном ландшафте механическая миграция преобладает над химической. Антропогенное уничтожение растительности также способствует развитию механической миграции. Физико-химическая миграция характеризуется перемещением элементов в ионной и молекулярной формах, зачастую в комплексе с различными органическими соединениями. Техногенная миграция предполагает перемещение элементов в любой форме нахождения, а также их изменение, происходящее под воздействием разнообразной деятельности людей. Роль техногенной миграции элементов в ландшафте непрерывно и постоянно возрастает, что является закономерностью, отражающей современное развитие процессов в верхних оболочках Земли. Все это требует особо осторожно подходить экологам к различным проектам, оказывающим влияние на изменение природных процессов миграции элементов. Интенсивность различных видов миграции химических элементов в ландшафте имеет широкий спектр колебаний, но иногда происходит резкое изменение интенсивности миграции на коротком расстоянии. Следствием этого - концентрация элементов *на сравнительно небольших участках, которые у Перельмана получили название геохимических барьеров.

По условиям образования можно выделить два основных типа геохимических барьеров: природные и техногенные. Их дальнейшее подразделение связано с основными видами миграции элементов, поэтому можно говорить о трех классах геохимических барьеров: механическом, физико-химическом, и биогеохимическом. Необходимо отметить, что в 1гределах геохимических барьеров может происходить накопление как отдельных, так и

целого ряда элементов, причем, если накапливается один или несколько элементов, а у "большинства других интенсивность миграции не изменяется, то даже при низком содержании накапливающихся элементов в миграционном потоке, их концентрация на барьере может быть очень высокой. Это положение имеет особое значение при рассмотрении техногенных барьеров и процессов загрязнения окружающей среды, результатом которых является возникновение новых техногенных геохимических аномалий. Довольно часто на сравнительно небольших участках располагается несколько различных геохимических барьеров. Например, механический, сорбционный и глеевый. Обычно на сочетании группы различных барьеров возникают месторождения полезных ископаемых. Такой тип месторождений характерен для стратифицированных медных, никелевых, титано-магнетитовых. Таким образом, в результате непродуманных техногенных процессов непрерывно концентрируются различные геохимические аномалии.

Геохимическая аномалия является отклонением от нормы или от кларкового содержания элементов на данном участке. Выделяются три основных типа техногенных аномалий. Первый тип аномалий, формируется на техногенных геохимических барьерах. При этом могут концентрироваться элементы, поступающие в результате природной техногенной миграции. Второй тип аномалий, образуется в природных геохимических барьерах за счет поступления в миграционный поток элементов, связанных с антропогенной деятельностью. Такие аномалии встречаются вблизи различных промышленных предприятий, на механических, сорбциоппых и других природных барьерах. И третий тип аномалий возникает за счет интенсивного антропогенного выноса элементов. Примером такого выноса служит растворение и перенос целого ряда элементов и их соединений кислыми шахтными водами, поступающими в результате откачки на поверхность Земли. Число техногенных аномалий, в том числе особо опасных, непрерывно возрастает. Они начинают играть существенную роль в геосфере Земли. Поэтому, для удобства проведения мониторинга ученые выделяют так называемые элементарный ландшафт и геохимический ландшафт. Элементарный ландшафт, в своем типичном проявлении, должен представлять один определённый тип рельефа. Он с южен одной породой или наносом и покрыт в каждый момент своего существования определенным растительным сообществом. На нем заселены определенные животные.) Все выше перечисленное свидетельствует об одинаковом, на протяжении развития геосистемы, элементарном ландшафте.

Исследованиями геохимических закономерностей в ландшафте занимается наука ландшафтная геохимия. Развитие геохимии ландшафтов как целостного научного направления связано с Московским государственным университетом им. М.В. Ломоносова с именем А.И. Перельмана, М.А. Г лазовского и их школами. В 1951г. А.И. Перельман впервые прочитал курс «Геохимия ландшафтов» па географическом факультете МГУ. С 1959)'. Теоретическими источниками геохимии ландшафтов наравне с трудами В.В. Докучаева о зонах природы и почвоведении, геохимии костного и живого вещества В.И. Вернадского и физико-химические исследования В.М. Гольдшмидта. Гольдшмит определил в золе опавшей листвы содержание BI, Co, Ni, Zn, C\u Pb, Ge, Gd превышающее в несколько раз их содержаний в кристаллических породах (пегматитах). На основании этого он сделал вывод, что корни растений потребляют химические элементы, которые накапливаются в растениях, достигая концентраций выше, чем их концентрация в горных породах. Объясняется это процессом биогенной аккумуляции, который обусловливает накопление этих элементов в почвах. Развитие теории геохимии ландшафтов в Украине начался в 60-х годах и связан с именем Ь.Ф. Мицкевича а его школы в Институте геохимии и физики минералов АИ Украины. Труды Б.Ф. Мицкевича «Геохимические методы поисков и условия их применения в Украине и в Молдавии» (1965), ((Геохимические ландшафты Украинского щита» (1971), «Основы яандшафтно-геохимического районирования» (1981) дополнили фундаментальные положения науки о ландшафтах с учетом природных условий Украины. Начиная с 1986г. ландшафтво-геохимические исследования приобретают четкое экологическое направление, как в пределах Украины, так и в других странах. Благодаря этому активно развивается

изучение" и анализ форм нахождения химических элементов, моделирования процессов техногенной миграции, ландшафта о-геохимического картографирования и мониторинга. Именно геохимия ландшафта, позаимствовав у географии объект исследования - ландшафт, а у геохимии - метод его исследования - атомный уровень, способна решать большое количество задач техногенного загрязнения и прогнозирования состояния окружающей среды.

Понятие «ландшафт геохимический» введено Б.Б. Полиновым, который системный подход В.В. Докучаева к изучению зон природы объединил с геохимией В.В. Вернадского. Переходя от географического ландшафта к ландшафту геохимическому, необходимо изучить миграцию химических элементов. Лишь поняв переход химических элементов от одного компонента к другому, мы поймем прямые и обратные связи в ландшафте. Главным принципом геохимии ландшафтов, который используется при экологических исследованиях, является принцип дифференциации, сформулированный А.И. Перельманом. «Зщрязнение зависит не только от источника загрязнения, а и. от ландшафтно-геохимических условий». Следствием признания принципа дифференциации является принятие территориальной и ландшафтной неоднородности и, соответственно, при разных концентрациях загрязняющих веществ и условий их распространения необходимо разрабатывать разные меры относительно их локализации и дальнейших исследований. Методологической основой ландшафтно-геохимических исследований является принцип согласованности: все части ландшафта связаны и взаимообусловлены как единая сложная еиегша.

Главными понятиями и категориями геохимии ландшафтов являются: кларки, пути миграции, элементарный ландшафт, внутренние и внешние факторы миграции химических ЭПЮОДПОВ, виды миграции элементов (механическая, физико-химическая, биогенная, ГвХНОГбННЙя) и геохимический барьер.

Клпрки химических элементов. В 1815г. английский минералог В.Филипс пытался приблизительно определить среднее содержание в земной коре 10 химических элементов. В 80-О годы ЗТОЙ проблемой стал систематически заниматься американский геолог Ф.У. Кларк (1847-1931), руководитель химической лаборатории геологического комитета в Вашингтоне. В 1889г по данным 880 анализов горных пород он определил содержание 10 химических элементов, которые характеризовали 16-километровую толщу земной коры. В 1924г. вместе с Г.Вашингтоном привел данные относительно 50 элементов. В 1923г. российский геолог О.Е. Ферсман предложил термином «кларк» определять среднее содержание химического элемента в земной коре В 1944г. О.Е. Ферсман писал: «После долгой полувековой работы геохимия овладела новым числом, новой константой мира». Подтвердилось положение В.И. Вернадского о рассеянном состоянии химических элементов. Это положение об общем рассеивании химических элементов вошло в науку под названием закона Кларка-Вернадского. Кларки элементов почти не зависят от свойств и строения атома элемента. В земной коре преобладают легкие атомы. 99,5% твердой части земной коры составляют Q, Si, Al, Fe, Са, К, Na, Mg, Mn, Ti, H, кларки которых составляют 46 - 0,7 весовых процента; меньше 1% составляет редкие элементы и менее 0,1 вес к рассеянными. К последним относятся Ra, Sc, Cd, In, Ba, Hf, Re. В геохимии ландшафтов широко используется понятие «типоморфных элементов», к которым относятся распространенные химические элементы, которые определяют главные геохимические особенности ландшафта. Значимость химического элемента в ландшафте определяется по принципу подвижности компонентов, сформулированному А.И. Перельманом. Роль элемента в ландшафте определяется его содержанием в среде и интенсивностью миграции. Распространенные элементы наиболее интенсивно мигрируют и накапливаются в ландшафте, а роль других, неспособных к накоплению (аккумуляции), второстепенна.

Миграция химических элементов. Это перемещение химических элементов, что приводит к их концентрации или рассеиванию - двух противоположных сторон единого процесса. Миграция осуществляется под влиянием большого количества факторов, которые могут иметь 'даже случайный характер. Общее содержание элемента в компоненте

ландшафта обусловлено кларком элемента, и соответственно этому, элементам с низкими кларками свойственна более интенсивная миграция, нежели элементам с большими кларками. Вследствие процессов миграции в ландшафтах наблюдаются закономерные изменения содержания химических элементов и формирование геохимической зональности. Все аспекты экологических исследований в полной мере используют прикладные направления определения геохимически однородных частей ландшафтных структур через определение природного геохимического фона, природных и техногенных геохимических

аномалий.

Элементарный ландшафт. Понятие введено Б.Б. Полыновым в 1915г.; критерием для его выделения автором была принята однородность грунта. Пространственно элементарный ландшафт, приближенный к территориям микроландшафта (И.В. Ларин, 1976г.), фракция (Л.С, Берг, 1945т), микробиогеоценоз (В.Н. Сукачев). Элементарный ландшафт в типовом проявлении должен представлять один определённый тип рельефа, который сложен одной jjojiojag^HjTOKpbiTbiH растительно{ГсВвокушюстыо^1акое положение в'рельефе Б.6Д Шлыков™"' называет элювиальным, супераква>тьТъТм~1Г~ТуШкйштьш,ш. Выше указанные условия определяют развитие одной разновидности почвы и свидетельствуют об одинаковом развитии в пределах элементарного ландшафта горных пород и организмов, Радиальные границы и, соответственно, мощность элементарного ландшафта Б.Б. Пояьтов определял как расстояние от поверхности почвенпо-раститсльного покрова до уровня грунтовых вод, Характерной особенностью элементарного ландшафта является вертикальная неоднородное! ь^бусловлеиная резкой дифференциацией веществ в вертикальной структуре по количеству органического (живого) вещества и изменению его качественного состава.

""Геохимический ландшафт. Это парагенетичёская ассоциация соединенных элементарных ландшафтов, связанных между coб^JlJШЩlaI^eй^ллeJvICj^тoв₁ Главную роль "играет поверхностный и подземный сток геохимического соединения, разный для отдельных геологических ландшафтов. В основе пространственного обособления химических и элементарных ландшафтов лежат представления о евязях между климатом, горными породами, рельефом, почвой, растительностью и водами. Поэтому как геохимические, так и элементарные ландшафты могут быть выделены по физико-географическим и геологическим данным без применения специальных геохимических материалов. Характеристика ландшафтов требует особенные геохимические исследования.

Механический вид миграции. Имеет начальное значение в процессах водной и ветровой эрозии ночи и механическом загрязнении поверхности, преимущественно в аллювиальных отложениях водотоков. Зависит от размера частиц минералов и пород, их плотности, скорости движения в водных и ветровых потоках.

Физико-химический вид миграции. Происходит по законам диффузии, растворения, осаждения, сорбции, что осуществляется в природных водах и атмосфере. Интенсивность и направление .водной миграции выделяют кислотно-щелочные и окислительпо-восстановительные условия среды (рН, Eh), а также типоморфные элементы с высокими кларками. Эти элементы определяют по А.И. Перельману - класс водной миграции и, соответственно, класс геохимического ландшафта. Интенсивность водной миграции в разных ландшафтах сравнивается с коэффициентом водной миграции (К_х). Мщрацию химических элементов в атмосферном воздухе определяет их атмогеохимическаз активность, что рассчитывается М.А. Глазовской как отношение количества поступления элемента с атмосферными осадками к количеству усвоенного растительным покровом.

Биогенный вид миграции. По В.И. Вернадскому, живое вещество является главным фактором миграции химических элементов, В окружающей среде химические элементы находятся преимущественно в виде относительно простых минеральных соединений. В растениях поглощенные элементы входят в состав сложных, обогащенных энергией органических соединений (белки, нуклеопротеиды, гормоны, витамины т др.), что является геохимическими аккумуляторами. Этот процесс называют биогенной аккумуляцией

минеральных соединений. Интенсивность поглощения элементов растениями определяет коэффициент биологического поглощения (КБП).

Техногенный вид миграции. Процессы техногенной миграции делятся на две группы: унаследованы от биосферы (хотя и видоизменены) и чужеродные биосфере (никогда в её границах не существовали). Первые - биологический круговорот, рассеивание при разработке месторождений полезных ископаемых и др. - изучают по методологии природной миграции- Вторые - резко противоположны природным процессам, например: металлическое состояние Fe, Ni, Cr, V и других элементов. Значения видов миграции для разных ландшафтов и элементов различно. В зависимости от вида миграции, по А.И. Перельману, выделяют абиогенные (с преимуществом механической физико-химической миграции), биогенные, техногенные ландшафты

Внутренние факторы миграции химических элементов. Обусловлены размером ядра атома, количеством электронов и составом электронных оболочек, которые определяют химические свойства элемента и его способность образовывать соединения разной растворимости, летучести, твердости, поглощаться организмами. Важной является форма нахождения элемента - кристаллическая (в структуре кристаллической клетки элемента), в ■ составе молекулы газа или органического соединения, водного иона и тд.

-а— Геохимический барьер. Характеризует ландшафт в целом как систему. Это участок ландшафта, где на небольших расстояниях происходит резкое изменение интенсивности миграции химических элементов и как следствие этого их концентрация и является границей перехода одних физико-химических условий миграций элементов к другим, где осуществляется осаждение и концентрация определенных элементов. Теория геохимических барьеров разработана А.И. Перельманом (1961г.).Выделяют барьеры латеральные (площадные) и радиальные (при вертикальной миграции вод), а по генетическому происхождению природные, искусственные и техногенные. Для каждого из типов барьеров А.И. Перельманом установлены парагенетические ассоциации элементов. На геохимических барьерах формируются рудные тела месторождений полезных ископаемых, а также аномалий химических элементов природного и техногенного генезиса. Создавая искусственные геохимические барьеры, можно локализовать загрязнение, то есть не дать ему распространиться на большие площади.

Список литературы [5,8,9,13]

Вопросы для самоконтроля

^.Что является предметом и методом исследования геохимии ландшафтов? ^^.Дайте определение ландшафту элементарному и геохимическому. ^.Назовите компоненты структуры и признаки границ элементарного ландшафта. ^Что характеризуют внутренние факторы миграций химических элементов в пределах

ландшафта?

5.Что характеризуют внешние факторы миграции химических элементов в пределах

ландшафта?

^-.Определите главные черты и примеры механического, физико-химического, биогенного и

техногенного видов миграции химических элементов.

"лЧто такое геохимический барьер?

' ЙКакие характеристики ландшафта обуславливают формирование классов и шиш

геохимических барьеров по А.И. Перельману? \ У о-—

9.Назовите и поясните формулы интенсивности миграции^ кларка концентрации,

коэффициента биогенной и водной миграции, коэффициента почвенного накопления.

г$.Объясните значение принципов когерентности и дифференциации при изучении

ландшафтов.