1 Химический состав воды зоны гипергенеза. Интенсивность водной миграции химических элементов

Водные растворы образуют отдельную оболочку Земли – гидросферу. Ее большая часть приходится на до­лю мирового океана, меньшая – на поверхностные и подземные воды континентов. В сумме на долю морей и океанов приходит­ся около 71 % земной поверхности. В большинстве случаев именно наличие воды контролирует раз­витие живых организмов. Вода является и основным природным растворителем минералов, газов и техногенных соединений, не име­ющих аналогов в природе. Считается, что в воде взаимодействие между ионами в 80 раз слабее, чем в кристаллах, поэтому для рас­тений и животных облегчено выборочное поступление необходи­мых им ионов.

Около 70 % воды, используемой человеком, приходится на до­лю сельского хозяйства. По данным С. А. Брылова с соавторами (1985), при выращивании растительной массы в 1 кг лишь на транс­пирацию уходит, в зависимости от вида растений и внешних условий, от 150 до 1000 м^Зводы. У нас в стране основные объемы воды в сельском хозяйстве расходуются на орошение по следую­щим нормам, м^З/га: зерновые – от 1500 до 3500; многолетние тра­вы – от 2000 до 8000; хлопок – от 5000 до 8000; рис – от 8000 до 15000. К сожалению, в подавляющем большинстве случаев оро­шение про водится без учета ландшафтно-геохимических особен­нocтeй орошаемых участков, что часто при водит к засолению зе­мель и накоплению в них тяжелых металлов. Значитель­ное количество воды требуется также для разведения рыб и водо­плавающих птиц, а также для водоснабжения.

Более 20 % воды используется промышленностью. По данным разных исследователей расход воды на 1 т готовой продукции со­ставляет, м^З: синтетического волокна – от 500 до 5000, хлопча­тобумажной ткани – свыше 1000, пластмасс - от 500 до 1000, бумаги – от 400 до 800, никеля - около 4000, меди – 500, нефти ­около 18, каменного угля – 2.

Вода – это “кровь ландшафта”, она находится в сложных обратимых взаимоотношениях с организмами, горными породами, атмосферой. Большинство химических элементов мигрирует в ионных, молекулярных или коллоидных растворах. Важнейшими компонентами вод являются растворенные газы, особенно О₂, СО₂, Н₂S. Значительная часть растворенных веществ находится в форме ионов, среди которых преобладают Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, HCО₃^-, SO₄^-, Cl^-(“шестикомпонентный состав”). Все воды содержат также ионы Н⁺и ОН^-, роль которых, несмотря на низкое содержание (обычно 10^-5– 10^-8г/л), чрезвычайно велика. Мало содержание распространенных в литосфере элементов – K, P, Si, Al, Ti, Ni, Co, Cu, Mo, Zn, U и других (обычно не более 10^-5– 10^-7г/л). Кроме ионов растворенные неорганические соединения находятся в форме молекул и коллоидных частиц. Велика роль и растворенного органического вещества (РОВ). Характерна также миграция тонкой мути и более крупных взвешенных частиц. Таким образом, воды ландшафта – это сочетание ионных, молекулярных и коллоидных растворов с суспензиями. Почти все воды – биокосные тела, т.е. содержат живое вещество.

В биосфере протекает грандиозный круговорот воды, связывающий материки и океаны. Проявляется круговорот и в пределах отдельных ландшафтов. При этом происходит поглощение солнечной энергии, которая затрачивается на испарение, а после конденсации водяных паров и выпадения осадков потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию рек и ручьев. Круговорот воды можно сравнить с биком, причем бик в ландшафте является основным источником химической энергии, а круговорот воды – механической. Конечно, и вода совершает химическую работу (выветривание, растворение и т.д.), но эта работа осуществляется преимущественно за счет биогенной энергии: или за счет организмов, находящихся в воде, или за счет продуктов их жизнедеятельности — СО₂, Н₂S, гумуса и т.д. Как и бик, круговорот воды в геологическом времени не замкнут, большие массы воды поступают в биосферу при вулканизме, горообразовании и покидают ее при прогибании осадочных толщ (гидратные воды минералов).

В аридных ландшафтах при испарении воды формируется испарительный геохимический барьерF в соляных озерах, засоленных почвах, на котором концентрируются Са, Na, K, Mg, F, S, Sr, Cl, Zn, Li, N, U, Mo и другие элементы.

Интенсивность водной миграции химических элементов. О ней нельзя судить только по содержанию элементов в водах. Допустим, что в воде реки содержится 10^-2г/л Si и 5.10^-5г/л Zn. Следует ли из этого, что Si более энергичный мигрант, чем Zn? Если судить по содержанию в воде, то Si мигрирует энергичнее, но, с другой стороны, его намного больше в горных породах и почвах, откуда Si поступает в воды. Американский ученый Смит в 1917 г. разработал метод количественной оценки интенсивности водной миграции элементов, сопоставив средний состав речных вод с составом горных пород. Таким путем была установлена последовательность выноса отдельных элементов при выветривании. В дальнейшем Б.Б. Полынов вывел широко известные ряды миграции химических элементов в коре выветривания, которые позволили ученому разработать геохимию коры выветривания и геохимию ландшафтов. Развивая эти идеи, А.И. Перельман для характеристики интенсивности водной миграции элементов предложил коэффициент водной миграции(К_х), равный отношению содержания элементахв минеральном остатке воды к его содержанию в горных породах или почвах, дренируемых этими водами. Так как содержание элементахв водах (m_х) обычно измеряется в граммах на литр, а содержание в породах (n_x) в процентах, то расчетная формула имеет следующий вид:

К_х= m_х*100 / а*n_х

где а – сумма минеральных веществ, растворенных в воде (в г/л). Чем больше К_х, тем сильнее элемент выщелачивается из пород и почв, тем интенсивнее его водная миграция. Вернемся к примеру с Si и Zn. Примем, что оба элемента содержатся в горных породах речного бассейна в кларковых количествах (29,5 и 8,3.10^-3%). Тогда, принимая сумму минеральных веществ речной воды в 0,5 г/л, получаем, что Zn мигрирует в 17 раз интенсивнее Si, хотя Si в воде больше, чем Zn:

Коэффициент водной миграции можно вывести из уравнения интенсивности миграции. Член этого уравнения можно рассматривать как количество элемента х, вынесенное речными или подземными водами в течение года (это величина бесконечно малая по сравнению с “b” – всем содержанием элементахв горных породах бассейна). Время в один год также бесконечно мало (dt) по сравнению с возрастом ландшафта. Поэтому, обозначив среднегодовой расход поверхностного или подземного потока через Q, получаем: db_x/dt = m_x.Q,

где m_x– содержание элементахв воде в г/л.

Так как величины Q и М общие для всех элементов, то интенсивность миграции yиzбудет составлять:

Отсюда, используя формулу для К_х, получаем: .

Следовательно, в ландшафте коэффициенты водной миграции элементов относятся друг к другу как интенсивности их миграции.