Геофизика и геохимия ландшафта. Конспекты лекций

процессов денитрификации, большая часть атмосферного азота находилась бы сейчас в океане или была бы связана в осадочных породах.

Восстановительная сероводородная обстановка (Eh < 0) создается в сильно минерализованных бескислородных водах, богатых сульфатионом SO42-. В этих условиях сульфатвосстанавливающие бактерии, отнимая кислород у сульфатов, окисляют органические вещества. При этом шестивалентная сера восстанавливается до двухвалентного состояния с образованием сероводорода по следующей схеме:

С6Н12О6 + Na2SO4 →CO2 + Na2CO3 + H2S + H2O + Q кал.

В такой обстановке Fe3+ тоже восстанавливается до Fe2+. Однако глея не образуется, так как железо, соединяясь с сероводородом, дает нерастворимый, черный, мажущийся коллоидный минерал гидротроилит FeS∙nH2O. Сероводород осаждает не только железо, но и другие металлы, давая нерастворимые сульфиды цинка, свинца, никеля, кобальта и др.

В геохимическом отношении восстановительная сероводородная обстановка противоположна восстановительной глеевой обстановке. Миграция или осаждение элементов в этой обстановке определяется, в первую очередь, не значением окислительно-восстановительного потенциала среды, а содержанием сероводорода. При одном и том же Еh, но при разном содержании сероводорода элемент может мигрировать или осаждаться. Данный тип окислительно-восстановительной обстановки характерен для солончаков и илов соленых озер степей и пустынь, для глубоких горизонтов подземных вод в районах с серосодержащими горными породами. Он также возникает в техногенных ландшафтах (отстойниках, хвостохранилищах) с повышенным содержанием SO42- в водах.

Соленые болота и солончаки с гидротроилитом ценны, поскольку соленые гидротроилитные грязи обладают целебными свойствами и под названием «лечебные грязи» используются в медицине. Сероводородные (сульфидные) илы соленого озера Тамбукан, богатые органическими веществами, создали славугрязевых курортов Пятигорска и Нальчика.

Величина окислительно-восстановительного потенциала связана со значением рН – показателем кислотности среды, который оказывает значительное влияние на водную миграцию элементов. Так, в кислых ландшафтах окислительно-восстановительный потенциал имеет более высокие значения, чем в нейтральных или щелочных ландшафтах. Это обусловлено растворением в кислой среде таких соединений, как Fе(ОН)3, и увеличением концентрации ионов Fе3+, что приводит к по-

91

вышению окислительно-восстановительного потенциала. В нейтральной и тем более в щелочной среде ионы Fе3+, соединяясь с ионами ОН-, уходят из раствора, концентрация окислителей уменьшается, в связи с чем падает и окислительно-восстановительный потенциал.

По величине рН природные ландшафтные воды различают:

1)сильнокислые (рН меньше 3) – кислотность обусловлена свободной серной кислотой (реже соляной в вулканических ландшафтах);

2)кислые и слабокислые (рН от 3 до 6,5) – кислотность связана

сбольшим количеством органических кислот и окисью углерода;

3)нейтральные и слабощелочные (рН от 6,5 до 8,5) – среда обу-

словлена присутствием бикарбонатов кальция; 4) сильнощелочные (рН больше 8,5) – щелочность в большинстве

случаевсвязанасприсутствиемсоды(карбонатаилибикарбонатанатрия). В кислых средах наиболее подвижны катионогенные элементы (Ca,Sr,Ba,Ra,Cu,Zn,Cd). В щелочных средах наибольшая подвижность характерна для анионогенных элементов (V, As, Se, Mo, Ge). Миграция

таких элементов, какNa,Li,Br,I, почти неконтролируютсярН. Изменения значения рН приводят к осаждению элементов или, на-

оборот, к переводу их в подвижное состояние. Наиболее показательно в этом отношении поведение железа: рН выпадения двухвалентного железа составляет 5,5. В тайге среда более кислая и двухвалентное железо интенсивно мигрирует. При увеличении значения рН двухвалентное железо осаждается. В болотах степей и пустынь, в условиях слабощелочной среды, двухвалентное железо неподвижно. Интенсивность миграции большинства металлов в щелочной среде слабая, так как в щелочных условиях они не переходят в раствор. Значения рН осаждения каждого элемента определены и содержатся в справочных таблицах.

Контрольные вопросы

1.О чем свидетельствуют кларк концентрации и кларк рассеяния?

2.Какие виды миграции химических элементов существуют?

3.В чем заключаются внутренние и внешние факторы миграции химических элементов?

4.Что делает железо удобным индикатором окислительно-восста-

новительных условий в ландшафтах?

5.Почему в богатых сульфидами сильно минерализованных водах не образуется глея?

6.Какие природные условия благоприятны для нитрификации?

7.Почемухорошийдренаживспашкаповышаютплодородиепочвы?

92

ТЕМА 6. Геохимические барьеры, дыры и ореолы рассеяния

1.Понятие о геохимических барьерах, их классификация.

2.Парагенная ассоциация химических элементов.

3.Практическое приложение теориигеохимических барьеров.

4.Геохимические дыры– альтернативагеохимическим барьерам.

5.Понятие об ореолах рассеяния элементов. Первичные и вторичные ореолы рассеяния.

6.Практическое приложение учения об ореолах рассеяния.

Изучение границ между геохимическими обстановками, т. е. тех участков, где один их класс сменяется другим, показало, что на подобных границах происходит уменьшение миграционной способности отдельных элементов и их избирательное накопление. Такие границы А.И. Перельман в 1961 г. предложил называть геохимическими барьерами. Таким образом, геохимический барьер – это участок природной среды, на котором резко снижается интенсивность миграции химических элементов и соединений и происходит их концентрация на небольшой площади. Причина образования геохимического барьера (рис. 4) – резкое (на коротком расстоянии) изменение геохимических характеристик среды, на фоне которых протекает миграцияхимических элементов.Геохимическиебарьеры– это своеобразные природные фильтры. Интерес к ним обусловлен тем, что на них концентрация отдельных элементов может достигать промышленнозначимыхвеличин,атакжеиметьэкологическиепоследствия.

Рис. 4. Схематическое изображение геохимического барьера: 1 – направление миграции химических элементов до барьера;

2 – то же после барьера;3– область концентрации химических элементов на барьере (аномалии, рудные тела);m1 – геохимическая характеристика среды до барьера;m2– то же после барьера;L– длинабарьера

93

Геохимические барьеры возникают в зонах разломов скальных пород, в местах разгрузки подземных вод, на границах горных пород различного состава, на границах почвенных горизонтов, у подножия склонов. Они образуются не только на границе разных фаз, но и в гомогенной среде при изменении Eh-pH условий. В природе встречаются как отдельные виды геохимических барьеров, так и их разнообразные сочетания.

Классификация геохимических барьеров основана на представлени-

ях о формах движения материи. На этой базе А.И. Перельман разделил геохимические барьеры на четыре основных типа – механические, фи- зико-химические, биохимические и техногенные. Механические барьеры – участки резкого уменьшения механического переноса. Это участки резкого изменения движения миграционных потоков воды, ветра, горных пород, на которых происходит накопление химических элементов и соединений, движущихся в виде обломочных частиц разного размера. Часто они связаны с пересеченным (горным) рельефом, где доминирующим фактором выступает гравитация. Типичными механическими барьерами выступают горные хребты, преграждающие путь воздушным течениям и перехватывающие у них осадки.

Физико-химические барьеры – участки резкого уменьшения физи- ко-химической миграции в связи со сменой параметров состояния. Эти барьеры, в пределах которых по фактору, вызывающему осаждение элементов, выделяются окислительные, восстановительные, щелочные, кислые, испарительные, сорбционные и прочие виды, наиболее изучены и важны.

Окислительные геохимические барьеры развиваются на участках резкой смены восстановительных условий окислительными. Главным агентом окисления здесь является кислород, отчего такая разновидность барьера называется кислородным. На таких барьерах происходит осаждение гидроокислов железа и марганца. Простейшим примером может служить капающая из-под крана вода, которая оставляет ржавый след на раковине: двухвалентное железо окисляется до трехвалентного состояния.

Восстановительные геохимические барьеры возникают на участ-

ках, где окислительные условия сменяются восстановительными из-за дефицита или отсутствия кислорода. Сообразно двум вариантам восстановительной обстановки различают два варианта восстановительного барьера – глеевый и сероводородный. На глеевых барьерах наблю-

94

дается осаждение ряда анионогенных металлов, как уран, ванадий, молибден. На сероводородном (иначе сульфидном) барьере анаэробное микробиологическое окисление органических веществ с использованием сульфатов как акцепторов электронов сопровождается образованием сероводорода, который осаждает металлы в виде нерастворимых сульфидов.

Щелочные барьеры возникают в местах, где щелочная среда на небольшом расстоянии сменяет кислую. Для них характерна концентра-

ция Fe,Ca, Mg, Mn,Ba,Sr,Cr, Zn, Cu,Ni,Co, Pb,Cd.

Кислые барьеры (менее характерны) формируются при резком уменьшении рН. На них осаждаются такие анионогенные элементы,

как Si,Se, Mo,Ge.

Испарительные барьеры возникают на участках интенсивного испарения вод. На этих барьерах в степях и пустынях концентрируются

Ca, Na, Mg, F, S, Sr, Cl, Rb, Zn, Ni, Co, Pb, U, As, Mo, Hg, Ra. С ними связано засоление почв.

Сорбционные барьеры среди физико-химических барьеров наиболее распространены в природе. Они обусловлены появлением на путях миграции участков, обогащенных веществами с повышенной сорбционной способностью (монтмориллонитовые глины, торф, глинистые прослойки в песках и т.п.). К важнейшим природным сорбентам относятся коллоиды оксида Mn (IV), сорбирующие (иногда до промышленных концентраций) К, Ва, Си, Zn, Hg, Au, W; гидрооксида Fe (III), сорбирующие As, V, Р, Sb, Se; кремнезема, сорбирующие радиоактивные элементы; доломита, сорбирующие РЬ и Zn. Изучение последствий Чернобыльской катастрофы показало, что Ra осаждается на сорбционных природных барьерах глинистыми минералами и органическим веществом.

Биогеохимические барьеры связаны с уменьшением биогенной миграции. Они приурочены к местам концентрации химических элементов и соединений за счет жизнедеятельности различных организмов. Избирательное накопление химических элементов организмами – яркое проявление таких барьеров. Примерами могут служить колонии микробов, концентрирующие серу (серобактерии), железо (железобактерии) и др. Морские водоросли могут накапливать йод в таком количестве, что концентрация его в клетках становится в 2 млн. раз выше, чем в окружающей воде. Оболочники (примитивные хордовые) способны накап-

95

ливать ванадий, и концентрация этого элемента в их клетках также примерно в 2 млн раз превышает его концентрацию в морской воде.

Накопление химических веществ в высоких (токсичных) концентрациях сельскохозяйственными культурами по своей сути – проявление таких же барьеров. Это обычно происходит при внесении в почву чрезмерных доз удобрений и использовании средств химической защиты растений.

Техногенные барьеры связаны с концентрацией химических элементов в результате хозяйственной деятельности человека. Примеры таких барьеров – плотины, простое оконное стекло, свалки и т.п.

Обычно на геохимическом барьере происходит концентрация целого комплекса элементов, образующих парагенную ассоциацию. При этом каждая разновидность барьера обладает способностью концентрировать лишь определенную ассоциацию мигрирующих веществ. Отсюда по обнаруженной парагенной ассоциации можно установить тип барьера. К примеру, если в ассоциацию элементов входят Ca, Na, Mg, F, S, Sr, Cl, Rb, Zn, Ni, Co, Pb, U, As, Mo, Hg, Ra, то можно опреде-

лить барьер как испарительный.

Изменение геохимических показателей в направлении миграции химических элементов характеризует градиент барьера и описывается формулой: G = (m1 – m2)/L. Контрастность барьера измеряется отношением величины геохимических показателей в направлении миграции до и после барьера согласно формуле: G = m1/m2 =Сх1/Сх2, где Сх1 и Сх2 – концентрация элемента до и после барьера.

Степень концентрации компонентов на геохимическом барьере можно охарактеризовать через кларк концентрации (КК). Так, если КК в породах изучаемого участка равен 1, то его концентрация считается нормальной (фоновой), если больше 1 – положительно аномальной, если меньше 1 – отрицательно аномальной. Геохимические барьеры можно разделить по степени концентрации компонентов (превышению КК) на интенсивно концентрирующие (больше 10 КК) и концентрирующие (от больше 1 КК до 10 КК).

Практическое приложение теории геохимических барьеров много-

образно. Техногенные барьеры использовались еще в древности: с помощью дамб отгораживались небольшие участки моря, где происходило усиленное испарение морской воды и осаждение поваренной соли.

96

Ныне эта теория служит одной из методологических основ изучения процессов образования руд, а, следовательно, прогнозирования и поиска полезных ископаемых. Не менее велико значение понятия о барьерах для выяснения природы геохимических аномалий. Это понятие важно и для решения проблем охраны природы и борьбы с загрязнением окружающей среды. На нем зиждется научное обоснование создания искусственных геохимических барьеров, ограничивающих или полностью исключающих распространение химических загрязнителей. Так, снижения концентрации в дренажных стоках взвешенных веществ добиваются устройством искусственных грунтовых фильтров, а загрязнение подземных вод предотвращается путем создания комплексного барьера-экрана. Искусственные защитные насаждения вокруг населенных пунктов также являются своеобразными барьерами на пути переноса неблагоприятных для здоровья веществ.

Геохимическая дыра – понятие, противоположное геохимическому барьеру. Она возникает в местах, где на коротком расстоянии резко изменяются гидрогеохимические условия, усиливающие подвижность элементов вплоть до их полного исчезновения в зоне «дыры». Примером служит техногенная резко восстановительная газовая геохимическая дыра, которая возникает в кислородных подземных водах на участках их загрязнения органическими соединениями. Складывающаяся при этом восстановительная среда запускает анаэробное микробиологическое разложение растворенных соединений, переводящее их в состояние газов (метан, углекислый газ, водород, сероводород и др.), мигрирующих из водоносного горизонта.

Ореол рассеяния химических элементов как понятие возникло в связи с разработкой геохимических методов поиска рудных месторождений. Поэтому оно сопряжено с такими понятиями, как рудное те-

ло и руда.

Рудное тело, или залежь полезного ископаемого – часть месторождения, в которой содержание рудных элементов достигает величин, допускающих их эксплуатацию. Руда – само вещество с кондиционным содержанием нужного элемента.

Ореолы рассеяния – зоны повышенного (реже пониженного) содержания химических элементов в природных образованиях, генетиче-

97

ски связанные с месторождениями полезных ископаемых. Различают ореолы первичные и вторичные.

Первичный геохимический ореол месторождения – часть поля кон-

центрации, окаймляющая рудное тело и одновременно возникшее с ним в результате одних и тех же процессов в окружающих горных породах. Граница между рудным телом и первичным ореолом условна

иопределяется требованиями промышленности: при изменении определенных обстоятельств первичный ореол может быть переведен в разряд руды. Протягиваясь на десятки, сотни и тысячи метров, первичные ореолы повторяют в расширенном объеме контур залежи полезного ископаемого.

Вторичный ореол рассеяния формируется в связи с выветриванием

иденудацией рудных тел и первичных ореолов. В результате рудные элементы, мигрируя за пределы месторождения, поступают в почву, воду, атмосферу, а через них накапливаются в растениях и животных. Так возникает повышенная концентрация элементов в ландшафте, образующая вторичный ореол рассеяния химических элементов месторождения полезных ископаемых. Протяженность вторичных ореолов достигает сотен и тысяч метров.

Площади ореолов рассеяния в десятки, сотни и тысячи раз больше площади рудного тела, отсюда понятно, что при поиске полезных ископаемых легче обнаружить ореол месторождения, а по нему – и само месторождение.

Другое практическое приложение учения об ореолах – борьба с загрязнением и мониторинг окружающей среды. Разрушающееся рудное месторождение и образующиеся при этом вторичные ореолы рассеяния оказались хорошей моделью загрязнения окружающей среды от локального источника – города, горно-обогатительного комбината и т. д.

Контрольные вопросы

1.Определение геохимического барьера.

2.Причины образования геохимического барьера.

3.Классификация геохимических барьеров.

4.Что такое «парагенная ассоциация элементов»?

5.Примеры практического приложения теории геохимических барьеров.

98

РАЗДЕЛ 4. ХИМИЯ ЖИЗНИ И ГЕОХИМИЧЕСКИЙ ФАКТОР В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМОВ

ТЕМА 7. Химия жизни

1.Макро- и микроэлементы в среде и живых организмах.

2.Роль химических элементов в жизнедеятельности организмов.

3.Антагонизм и синергизм элементов.

Среди более 100 известных химических элементов в основу живого положены только около 20 из них, т. е. лишь ограниченное количество элементов было отобрано в ходе эволюции для формирования сложного, высокоорганизованного живого вещества. Фактически, как видно из табл. 2, около 99 % (по массе) протоплазмы построено всего из шести

макроэлементов-органогенов – O,C, H, N, P и S. Вместе с Cl и четырьмя

«металлами жизни» (Mg, K, Ca, Na), образующими группу «неорганических» макроэлементов, они составляют чуть ли не все 100 %. Для нормального протекания жизненных процессов потребовался еще целый ряд

микроэлементов(Fe,I,Mn,F,Zn и др.) с содержанием0,001 % и менее.

Таблица 2

Химические элементы в теле животных и их приблизительное содержание (в весовых процентах)

Главная функция макроэлементов состоит в построении тканей, поддержании постоянства осмотического давления, ионного и кислот- но-щелочного баланса. В живых организмах они образуют четыре главных класса органических веществ: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Микроэлементы, входя в состав ферментов, гормо-

99

нов, витаминов и других биологически активных веществ, участвуют

вподдержании и регуляции жизненных процессов. При этом, являясь

вничтожно малых дозах жизненно необходимыми, они при более высоких концентрациях становятся токсичными. Попадание в организм даже в микродозах априори токсичных элементов (Ag, Hg, Pb, Cd) приводит к тяжелым патологическим явлениям.

Далеко не все элементы, необходимые организмам, принадлежат к числу наиболее распространенным в природе. Так, углерода в земной коре несоизмеримо меньше, чем кремния, но последний встречается в очень немногих организмах, тогда как углерод совершенно необходим всем живым существам. Особые свойства углерода сделали его глав-

ным органогенным элементом: атомы углерода связываются друг с другом, образуя цепочки и кольца, составляющие остов жизни. Важно, что окисел углерода СО2 легко удаляется из организма. Жизнь – это всевозможные превращения множества разнообразных крупных молекул, главным элементом которых является углерод. Само зарождение жизни на Земле связывается с поступлением СО2 в атмосферу в результате начала вулканической деятельности.

Водород и кислород замечательны не только как биогены: они – ведущие элементы в энергетических процессах клетки (первый – в роли «горючего», второй – акцептора электрона).

Примечательно, что на «постройку» жизни на Земле пошли в основном легкие элементы, т. е., живые организмы по сравнению с химизмом земной коры (алюмосиликатным панцирем Земли) представляют собой геохимическую аномалию. По отношению к Вселенной, состоящей из самых легких элементов (H и He), сама Земля – также химическая аномалия.

В организме, как правило, с увеличением массы атома элемента происходит уменьшение его содержания и увеличение токсичности. Объяснение этому находится в свойствах самих элементов, которые определяются их местоположением в периодической системе Д.И. Менделеева. По мере нарастания порядковых номеров элементов идет нарастание их атомного радиуса и заряда ядра, усложняется электронная конфигурация, в результате чего образуемые такими элементами соединения плохо растворяются, а равно и плохо усваиваются организмом.

Макро- и микроэлементы воздействуют на живые организмы не изолированно, а находятся в тесном взаимодействии. Оказалось, что для растений соблюдение правильного баланса химических элементов

100