Pochvovedenie_Kovda_chast1

соединений, его земным кларком, ролью в технобиогеохимических процессах (биофильность, технофильность, геохимическая активность, миграционная способность в растворах), соотноше­ нием между его биологическим, геологическим и техногенным циклами. Баланс элемента в экосистеме может быть как поло­ жительным (прогрессивная аккумуляция, абсолютная или отно­ сительная, остаточная), так и отрицательным (прогрессивный вынос). Технобиогеохимические потоки приводят к существенно­ му перераспределению вещества на земной поверхности, являясь причиной ее пространственной химической дифференциации. В результате образуются зоны концентрации тех или иных эле­ ментов и соединений и, наоборот, зоны обеднения, т. е. различ­ ные геохимические провинции, что непосредственно отражается на химизме почв и почвенных процессов.

Под миграцией веществ на земной поверхности понимаются все формы их перемещения, разделения (пространственной диф­ ференциации) и накопления (аккумуляции). Дифференциация веществ в географическом пространстве как по вертикали, так и по горизонтали является следствием различий в миграцион­ ной способности веществ и, следовательно, в скоростях их пере­ мещения. Миграция веществ осуществляется в миграционных потоках, связанных с движением масс вещества по склону под влиянием силы тяжести (гравитационный поток), с движением воздушных масс (эоловый поток), с движением воды в поверх­ ностных, внутрипочвенных, подземных и речных потоках (вод­ ный поток), с потреблением элементов питания организмами и

с перемещением больших масс веществ человеком в его хозяй­ ственной и биологической деятельности (антропогенный, или тех­ ногенный, поток). Соотношения этих потоков на каждой кон­ кретной территории весьма различны в соответствии с разно­ образием природных и антропогенных факторов. В целом в био­ геохимической дифференциации земной поверхности преобладаю­ щее значение имеет водный поток, переносящий вещества в большем объеме и на большие расстояния, чем другие, с одной стороны, и отличающимся большей устойчивостью во времени, в том числе в геологическом времени, — с другой.

Вообще говоря, миграционная способность веществ зависит от степени их дисперсности и растворимости в воде. Чем более дисперсны продукты выветривания и почвообразования, тем на большие расстояния и в большем объеме они способны пере­ мещаться в водных и эоловых потоках.

В принципе чем выше растворимость веществ в воде, тем больше их миграционная способность. Однако сама раствори­ мость веществ осложняется множеством физико-химических фак­ торов среды.

Характеризуя миграционную способность веществ, Б. Б. Полынов (1947) установил пять групп миграции веществ при

338

элювиальном выветривании и почвообразовании с относительным значением их геохимической подвижности (п):

Близкие, но отличающиеся большим набором элементов и раздельные для окислительной и восстановительной (с H2S) обстановки ряды миграции установил А. И. Перельман (1955) на основании вычисления коэффициента водной миграции эле­ ментов Кх:

нее содержание (кларк) этого элемента в литосфере. Коэффи­ циент Кх может быть вычислен и для ограниченного водосбора, если брать не кларк элемента, а его среднее содержание в по­ родах, корах выветривания и почвах дренируемого данным вод­ ным потоком бассейна.

Обобщив все имеющиеся материалы по геохимии кор вывет­ ривания, почв, гидросферы, В. А. Ковда (1973) установил более полную группировку веществ по их педогеохимической подвиж­ ности (табл. 62).

Как отметил В. А. Ковда, в природе редко достигается пол­ ное геохимическое разделение продуктов выветривания и почво­ образования. Обычно они выпадают в осадок или мигрируют

339

иаккумулируются совместно в виде групп соединений-спутни­ ков, в частности групп близкой педогеохимической подвижности. Например, в солончаковых пустынях континентов отмечается совместная аккумуляция нитратов, хлоридов, сульфатов, а также соединений брома, йода и бора. Совместно мигрируют, хотя частично и разделяются в пространстве в соответствии с раз­ личиями в скоростях миграции, сульфаты и карбонаты кальция

имагния. Гипс и известь являются постоянными спутниками хлоридно-нитратно-сульфатно-натриевых аккумуляций.

Количественная характеристика миграционных потоков доста­ точно сложна и требует большого объема экспериментальных данных. Однако она может быть дана на основании установлен­ ных зависимостей. Так, плотность распределения массы мигри­ рующего вещества М в географическом пространстве ω в за­ висимости от времени t выражается уравнением

где х, у, z — пространственные координаты.

Полная производная плотности распределения dM/dω во вре­

где U — вектор скорости миграции; q — плотность потока. Величина потока Q мигрирующего вещества определяется

выражением

где и — скорость мигрирующего вещества в потоке.

Вектор скорости миграции U можно определить с помощью

При глубоких грунтовых водах в почвах склонов образуется местами временный боковой внутрипочвенный сток по поверх­ ности какого-то слабоводопроницаемого горизонта при интенсив­ ном увлажнении вышележащей почвенной толщи, например вес­ ной после снеготаяния в толще горизонта Е, подстилаемого уплотненным иллювиальным горизонтом. Согласно С. И. Ва­ сильеву (1950), такой сток в подзолистых почвах может иметь скорость 66—84 см/сут в поверхностном горизонте, достигая максимума 202 см/сут. Эти внутрипочвенные воды могут в ниж­ них частях склонов сливаться с основным горизонтом грунтовых

340

вод либо выклиниваться в виде родников, мочажин (мочары Украины и Молдавии). При этом внутрипочвенный поток выносит вниз по склону раст­ воримые соединения, выпадаю­ щие в местах изменения ско­ рости потока или изменения рН и (или) Eh среды. Таким образом, образуются аккуму­ ляции солей, гипса, извести, железа и марганца, кремнезе­ ма на шлейфах или перегибах

склонов. Прослои болотной руды, луговые мергели в таежно-лес- ной зоне, «солонцовые поляны)» лесных массивов южной лесостепи, известковые коры полупустынь и пустынь, латеритные

коры тропиков образуются именно этим путем (рис. 64).

При промывном или периодически промывном водном режиме продукты выветривания и почвообразования уходят за пределы почвенного профиля в грунтовые воды и перемещаются в общем нисходящем грунтовом потоке. За счет этого все грунтовые воды в той или иной степени минерализованы (табл. 63).

1 м/сут, в песках и галечниках 2—5 м/сут) перемещается от возвышенных территорий к понижениям, долинам рек, озерам, морскому побережью либо в бессточные замкнутые понижения

При глубине 0,5—3 м грунтовые воды через свою капилляр­ ную кайму непосредственно участвуют в почвообразовании. При-

341

ближаясь к поверхности в испарительном водном режиме, они испаряются и оставляют в почве принесенные вещества (про­ цесс засоления).

Минерализация грунтовых вод постепенно возрастает в на­ правлении их движения по мере удаления от источника питания. При этом происходят противоречивые процессы: с одной стороны,

выпадать в осадок по пути потока. Постепенно происходит диф­ ференциация компонентного состава по степени растворимости веществ: возрастает концентрация более растворимых компонен­ тов и уменьшается относительная доля менее растворимых. Расходуясь на испарение и транспирацию и постепенно транс­ формируясь по компонентному составу по мере движения, грун­ товый поток со временем создает резко выраженную законо­ мерную пространственную дифференциацию веществ в направле­ нии своего движения. При этом создаются последовательные геохимические пояса аккумуляции в пространстве продуктов вы­ ветривания и почвообразования, соответствующие месту и вре­ мени насыщения потока данным компонентом.

Пространственное перераспределение веществ грунтовыми во­ дами приводит к дифференциации по химическому и минерало­ гическому составу элювиальных, транзитных и аккумулятивных кор выветривания и соответствующих им почв и ландшафтов, почвенно-геохимических провинций и регионов.

Если иметь в виду большой геологический круговорот ве­ ществ на земной поверхности в целом, то в нем существенную роль играют и другие миграционные потоки, в частности океани­ ческий перенос — водо- и солеобмен между различными океа­ нами планеты. Из океана в океан ежегодно перемещается тече­ ниями 21 млн. км3 воды (весь речной сток материков состав­ ляет лишь 0,448 млн. км3). С речным стоком, например, в Ин­ дийский океан поступает воды 6 тыс. км3/год, а с океаническими течениями — 7283 тыс. км3 /год (выносится из него течениями 7284,6 тыс. км3/год).

Атмосферный перенос — это обмен веществами между разны­ ми участками планеты через атмосферу при посредстве ветровых воздушных потоков. Ежегодно с океана на сушу через атмосферу поступает 125 тыс. км3 воды в виде атмосферных осадков, а вместе с нею и 580 млн. т различных солей, около 17% химиче­ ского стока с суши в океан. Имеет место атмосферный перенос и континентального происхождения, имеющий как глобальное (пыль Сахары обнаружена в Северной Америке, пепел ряда вулканов выпадает постепенно на всех материках), региональ­ ное (сера, выбрасываемая заводами Рура, выпадает в Сканди­ навии, а заводами США — в Канаде), так и локальное (хими­ ческие выпадения вокруг заводов, солевая импульверизация по берегам морей и вокруг соленых озер, песчаные и пыльные бури) значение.

342

Существенную и все возрастающую роль в глобальном круго­ вороте веществ играет техногенный перенос — техногенные пото­ ки вещества, совершающиеся при обмене сырья и продуктов производства между различными точками планеты. По расчетам Н. Ф. Глазовского (1976), только с экспортом древесины с тер­ ритории СССР ежегодно отчуждается (в тыс. т) 1,2—5 фосфора, 6—20 азота, 1,2—б кремния; миграция этих элементов с древе­ синой из лесных районов страны в безлесные в 15—20 раз больше. Из Кузбасса в европейскую часть СССР ежегодно по­ ступает с углем 150—220 тыс. т азота и много больше серы. С межгосударственными перевозками зерна в мире ежегодно переносится (в тыс. т) 1700 калия, 170 фосфора, 2400 азота.

Техногенные потоки вещества на планете постоянно возраста­ ют и уже сопоставимы по своей плотности и массопереносу с природными геохимическими потоками. При сжигании угля, например, в атмосферу ежегодно поступает 3•107 т азота и при­ мерно столько же изымается из атмосферы для производства азотных удобрений.

Для характеристики техногенных миграционных потоков ис­

где Q — ежегодная добыча элемента, т; Кl — кларк этого эле­ мента и коэффициент техногенной фиксации вещества Кf

(Н. Ф. Глазовский, 1976), характеризующий степень техногенно­ го временного вывода веществ из общих технобиогеохимических потоков:

где Q1 — количество рассеянного за год вещества; Q — то же, что и в формуле Перельмана.

Миграционные потоки на земной поверхности непосредствен­

18.7. Геохимические барьеры и ареалы аккумуляции

Скорость движения веществ, их подвижность в глобальных региональных и локальных технобиогеохимических потоках за­ висит как от характеристик самих веществ (биофильность, технофильность, геохимическая активность, растворимость), так и от свойств вмещающей среды потоков, т. е. от ее физико-химиче­ ских (термодинамических) параметров на всем пути потока. Поскольку эти параметры по пути природных потоков исклю­ чительно изменчивы в связи с реальным геофизическим разно-

343

образием земной поверхности, на них возникают участки, где изменение условий миграции приводит к уменьшению подвиж­ ности тех или иных веществ или элементов и их накоплению на этих участках, названных А. И. Перельманом (1961) геохими­ ческими барьерами.

Важно подчеркнуть, что геохимические барьеры формируются на земной поверхности не хаотически, а образуют закономерную систему, связанную, с одной стороны, с общей географической зональностью природных условий планеты, а с другой — с за­ кономерной геохимической дифференциацией конкретных гео­ систем. Так, для арктической зоны характерны окислительные и испарительные барьеры; для тундровой — восстановительные и кислые; для мерзлотно-таежной — окислительные, восстанови­ тельные и кислые; для хвойно-широколиственно-лесной — окис­ лительные, восстановительные, кислые и адсорбционные; для степной и сухостепной — сульфатные, карбонатные и адсорбци - онные; для территорий с засоленными и щелочными почвами — сульфатные, карбонатные, щелочные и испарительные; для суб­ тропических и тропических ксерофитных лесов и саванн — окис­ лительные и адсорбционные; для тропических влажных лесов и саванн—окислительные, кислые и адсорбционные Комплекс­ ными геохимическими барьерами являются поймы рек, причем разными в гумидных и аридных областях.

Геохимические барьеры могут иметь как линейный (на гра­ ницах различных геохимических ландшафтов), так и шющадный характер при преобладании последнего. Действием барьеров во многом определяется пространственная дифференциация веществ на земной поверхности и образование ареалов аккумуляции раз­ личных элементов, их ассоциаций и соединений. При этом необ­ ходимо иметь в виду и техногенную природу ряда геохимических барьеров: осушенные или обводненные территории, окисление шахтных вод, восстановление металлов в металлургии и т. п.

Понятие об ареалах аккумуляции продуктов выветривания и почвообразования было сформулировано В. А. Ковдой в 1946 г., под которыми он понимает территории, охватывающие совокуп­ ность ландшафтов и природных областей, где происходит обра­ зование однотипных вторичных почвенных соединений, их пере­ мещение, осаждение и накопление в почвах, грунтовых водах и коре выветривания. В отличие от геохимических барьеров ареалы аккумуляции характеризуются не только абсолютной (путем приноса со стороны) аккумуляцией веществ, но и их от­ носительной, остаточной аккумуляцией. По своим ареалам акку­ муляции продукты выветривания и почвообразования различают­ ся довольно существенно (табл. 64).

18.8. Биогеохимическая дифференциация

По пути водного миграционного потока, а это основной миг­ рационный поток веществ на земной поверхности, вся поверх­ ность Земли может быть разделена на три главных элемента

344

Т а б л и ц а 64. Ареалы аккумуляции продуктов выветривания и почвообразования на суше

(В. А. Ковда, 1973)

бом масштабе рассмотрения территории: от отдельно взятой возвышенности и прилегающего к ней склона и подножия до речного бассейна, сопряжения горной системы и низменности, всего континента, сопряжения суши и океана в целом. Эти три типа земной поверхности тесно геохимически связаны между собой, образуя каскадные ландшафтно-геохимические системы

(М. А. Глазовская, 1964), включающие ряд конкретных экосис­ тем (биогеоценозов, элементарных ландшафтно-геохимических систем, элементарных почвенно-геохимических ландшафтов), находящихся на различных гипсометрических уровнях и связан­ ных между собой едиными водно-миграционными потоками ве­ щества от более высоких уровней к более низким (рис. 65). Как показывает схема Глазовской, атмосферный перенос может вносить какие-то коррективы в каскадный геохимический поток, но в целом не может изменить его направленности.

Миграция вещества в каскадных системах подчиняется опре­ деленным закономерностям, в частности уже описанным законо­ мерностям миграционных потоков, а аккумуляция веществ в той или иной их части регулируется действием геохимических барь­ еров, что в конечном итоге за длительное геологическое время приводит к общей геохимической дифференциации суши земного шара (рис. 66).

Соответственно данной общей схеме в области выноса фор­ мируются автономные (автоморфные, элювиальные) геохимиче­ ски независимые ландшафты, характеризующиеся выносом наи­ более растворимых и подвижных соединений и остаточной акку­ муляцией SiO2, R2O3. В области транзита формируются геохи­ мически подчиненные транзитные ландшафты, в которых частич­ но аккумулируются некоторые соединения (карбонаты и сульфа­ ты кальция, соединения железа и кремния), а наиболее раство­ римые и подвижные продукты выносятся. В поясе аккумуляции

345

Рис. 66. Схема дифференциации и ареалов аккумуляции соединений в почвах бессточной части (А) и дренированной части (Б) континента (В. А. Ковда, 1973)

формируются геохимически подчиненные аккумулятивные ланд­ шафты, для которых характерно накопление наиболее подвиж­ ных продуктов выветривания и почвообразования, прежде всего водорастворимых солей.

Результатом действия глобальных, региональных и локальных технобиогеохимических потоков, прежде всего в рамках каскад­ ных ландшафтно-геохимических систем с разнообразием их гео­ химических барьеров, на поверхности суши является формиро­ вание различных геохимических провинций (А. П. Виноградов),

биогеохимических провинций (В. В. Ковальский), техногенных геохимических аномалий (А. И. Перельман). Первые и вторые формируются природными биогеохимическими миграционными потоками в каскадных ландшафтно-геохимических системах под влиянием природных геохимических барьеров; вторые — техно­ генными или технобиогеохимическими потоками, часто вне кас-

347