Геофизика и геохимия ландшафта. Конспекты лекций

Контрастность распространения элементов станет особенно наглядной, если расположить все элементы в ряд по их кларкам, как в данной таблице. Тогда окажется, что O, Si и Al в сумме составляют 84,5 % твердой земной коры. А если к этим трем элементам добавить Fe, Ca, K, Na и Mg, то получится, что основную массу земной коры (99,03 %) слагают всего восемь элементов. На долю остальных 84 элементов приходится менее 1 %. По весовому соотношению земная кора почти наполовину состоит из O (49,13 %), на четверть – из Si, на тринадцатую часть – из Al.

Восемь химических элементов (О, Si, Al, Fe, Ca, K, Na, Mg), доля каждого из которых в земной коре составляет более 1 %, называются главными. Атомов этих элементов так много, что их большая часть находится в упорядоченном состоянии в кристаллическом веществе. К ним можно добавить второстепенные элементы, содержащиеся в количестве десятых долей процента. Все другие химические элементы, каждый из которых присутствует в земной коре в количестве меньше 0,1 %, следует называть малораспространенными. Они ведут себя неодинаково. Одни из них способны концентрироваться в отдельных местах и образуют многочисленные самостоятельные минералы, другие более или менее равномерно рассеяны в земной коре, редко или совсем не образуют минералов. В связи с этим малораспространенные химические элементы можно подразделять на минералогенные, т. е. образующие минералы, и рассеянные, т. е. их не образующие. В ландшафте в общем преобладают те же элементы, что и в земной коре, но в нем большую роль играют C, H, N, Cl, поступающие главным образом из атмосферы и литосферы.

Знакомство с кларками показывает, что наши представления о редкости или распространенности того или иного элемента часто не совпадают с реальностью. Всем известно, что золото – более редкий металл, чем железо. Однако мало кто знает, что медь, не считающаяся в обиходе чем-то редким, в земной коре встречается в 100 раз реже малознакомого титана. Точно так же кларк галлия в 300 раз больше кларка ртути, известной каждому благодаря термометрам.

В распределении кларков существуют определенные закономерности. Еще в ХIХ веке химики обратили внимание на то, что легкие элементы более распространены, чем тяжелые. В 1889 г. Д.И. Менделеев указал, что наиболее распространенные элементы имеют малую атом-

71

ную массу. Это легко заметить, если кларки элементов расположить не

впорядке убывания их значения, как это сделано в табл. 1, а согласно периодической таблице Д.И. Менделеева, по нарастанию номеров элементов. Масса атома обусловлена массой его ядра, т. е. числом нуклонов (протонов и нейтронов), входящих в его состав.

Можно сказать, что кларки химических элементов, как правило, уменьшаются по мере усложнения строения ядра, с увеличением числа нуклонов. Связь кларков со строением атомного ядра нашла отражение

восновном геохимическом законе В.М. Гольдшмидта, который гласит: кларки элементов зависят от строения атомного ядра, а их миграция – от наружных электронов, определяющих химические свойства элементов.

В1914 г. итальянский физик Дж. Оддо обратил внимание на то, что в земной коре преобладают элементы с четными порядковыми номерами и четной атомной массой. Более подробно это явление было изучено американским ученым У. Гаркинсом, и оно получило название правила Оддо – Гаркинса. Правило гласит: из двух соседних элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева содержание в земной коре четного элемента обычно больше. Это можно легко заметить на примере восьми главных элементов, образующих 99 % массы земной коры. Из них четные элементы составляют 86 %, а нечетные– всего 13 %.

Объяснить, чем обусловлены общие закономерности кларков и отклонения от них, невозможно на основании данных только об одной земной коре. Для этого необходимо привлечь сведения о распределении химических элементов в солнечной системе и всей Вселенной.

Вклассификации элементов в соответствии с их кларками разли-

чают редкие, редкиерассеянные и типоморфные элементы.

Редкими называют элементы с низкими кларками (приблизительно менее 0,01–0,001 %). Некоторые из них концентрируются в земной коре. Например, на участках цинковых, медных и свинцовых месторождений Zn,Cu, Pb могут быть главными элементами ландшафта.

Редкие рассеянные – элементы, которые обладают и низкими кларками, и малой способностью к концентрации. Они рассеяны в земной коре и во всех горных породах, почвах, минералах в ничтожных количествах. Таковы Ra, Sc, Cd, In, Gf, Re и др. Их роль в ландшафте всегда второстепенна.

Строго говоря, атомы всех химических элементов имеются в рассеянном состоянии. Однако есть такие, которые совершенно не встречаются в виде самостоятельных соединений и полностью находятся в

72

виде изоморфной примеси или только в рассеянном состоянии. К ним относятся рубидий, большая часть редкоземельных элементов, гафний, индий, рений, все благородные газы, все радиоактивные элементы, кроме урана и тория. Под рассеянными элементами подразумевают малораспространенные элементы, находящиеся в неминералогической форме, т. е. входящие в состав минералов в виде такой незначительной примеси, что не могут быть отражены в химической формуле.

Типоморфными (ведущими) называются химические элементы, определяющие условия миграции в ландшафте и его характерные особенности. Для того чтобы элемент стал типоморфным, ему необходимо соответствовать следующим критериям: во-первых, его в данной системе должно быть много, т. е. его кларк должен быть достаточно высоким; во-вторых, важно, чтобы элемент активно мигрировал; в-третьих, он должен обладать способностью к накоплению. К примеру, необходимо, чтобы этот элемент принимал активное участие в почвенных процессах – поглощался растительностью, давал растворимые соединения и интенсивно мигрировал. К таким элементам, число которых невелико, относятся Ca, H (вернее водородный ион), Fe, S, Cl и некоторые другие элементы. Это позволяет говорить о кальциевых, кислых и прочих ландшафтах (например, кальциевая и кислая тайга).

При сходстве химических свойств типоморфным становится элемент с высоким кларком. Химическое сходство элементов не показатель их геохимического сходства. Так, у натрия кларк высокий (2,50), поэтому его много в ландшафтах. В солончаках, соленых озерах он определяет геохимическое своеобразие ландшафта, физико-химические условия среды, т. е. является типоморфным. Цезий в химическом отношении похож на натрий, но его кларк мал (3,7×10-4), а его влияние на геохимические особенности невелико. Если бы у цезия был кларк, как у натрия, то его роль в ландшафте была бы также велика, т. е. он был бы типоморфным элементом.

Миграционная способность как причина типоморфности элемента иллюстрируется на тех же солончаках. В них, помимо солей натрия, содержатся и соли кальция (кальцит, гипс), однако последние не играют такой существенной роли, как лучше растворимые и активно мигрирующие соли натрия. Поэтому в солончаках типоморфен натрий, а не кальций. Таким образом, распространенные, но слабо мигрирующие элементы также не становятся типоморфными.

73

Наконец, если элемент энергично мигрирует, но не накапливается, он также не станет типоморфным. Так, Na и Cl энергично выщелачиваются (растворяются и выносятся водами) во влажных тропиках и поэтому не являются там типоморфными. Только в условиях соляных озер и солончаков эти элементы, мигрируя и накапливаясь, становятся типоморфными.

Примечательно, что один и тот же элемент в разных условиях может быть и ведущим, и второстепенным. Например, Fe имеет ведущее значение в таежных болотах, но его роль невелика в пустынях.

В распределении вещества внутри ландшафта типоморфные элементы имеют большое значение. Они, растворяясь в большом количестве в поверхностных и почвенных водах, создают кислотно-щелочные условия. Это влияет на растворение и выпадение в осадок других элементов, определяет тип миграции. Поскольку типоморфные элементы определяют поведение других элементов, их образно называют «геохимическими диктаторами». Например, в степях, где типоморфным элементом является кальций, в воде растворено многоего ионов.

Поэтому воды здесь жесткие, имеют слабощелочную реакцию (рН 7–8,5). В такой среде катионы металлов малоподвижны. Поверхность крупных гумусовых молекул и глинистых частиц насыщена сорбированными ионами кальция, в результате чего образуются прочные агрегаты. Это препятствует процессам вымывания. В таких условиях почва содержит много рассеянных элементов и обладает высоким плодородием, в растениях много кальция и микроэлементов, а травоядные животные не испытывают недостатка в минеральных солях.

Таким образом, геохимическую особенность ландшафта определяют элементы с высокими кларками, наиболее активно мигрирующие и накапливающиеся в данном ландшафте.

Контрольные вопросы

1.Понятие о кларке. Классификация элементов в соответствии с их кларками.

2.Связь кларков со строением атомов. Правила Оддо-Гаркинса.

3.Химические элементы неминералогической формы.

4.Назвать восемь наиболее распространенных элементов земной

коры.

5.Типоморфные химические элементы.

74

ТЕМА 3. Вещественный состав земной коры

1.Формы нахождения химических элементов в земной коре.

2.Участие химических элементов в минералообразовании.

3.Понятие о горных породах и их генезисе.

Земная кора сложена не разобщенными атомами химических элементов, а их соединениями, определяющими ее вещественный состав. Вещества находятся главным образом в твердом состоянии и в меньшей степени – в виде расплавов, растворов и газообразных смесей. Разное состояние атомов в твердом веществе земной коры В.И. Вернадский на-

звал формами нахождения элементов.

При достаточно большой концентрации атомы образуют кристаллохимические структуры со строго упорядоченным расположением, т. е. минералы. При очень низкой концентрации химического элемента его атомы не могут образовывать самостоятельные соединения. Но если величина радиуса атомов таких элементов соответствует имеющимся кристаллохимическим структурам, то они могут войти в них по законам изоморфизма. Многие минералы часто содержат незначительные примеси различных химических элементов, которые обусловлены закономерным вхождением их в кристаллическую решетку минералахозяина. Такие примеси получили название изоморфных. Если же указанного соответствия нет, атомы остаются в твердом кристаллическом веществе в неупорядоченном рассеянном состоянии.

Строго говоря, атомы всех химических элементов имеются в рассеянном состоянии. Однако есть такие, которые совершенно не встречаются в виде самостоятельных соединений и полностью находятся в виде изоморфной примеси или в рассеянном состоянии. К ним относятся рубидий, большая часть редкоземельных элементов, гафний, индий, рений, все благородные газы, все радиоактивные элементы, кроме урана и тория. Следовательно, под рассеянными элементами подразумевают малораспространенные элементы, находящиеся в неминералогической форме, т. е. входящие в состав минералов в виде такой незначительной примеси, что не могут быть отражены в химической формуле.

Кристаллическое и рассеянное состояния являются двумя важнейшими формами нахождения атомов в земной коре. Преобладание той или другой формы зависит от значения кларка элемента.

75

Таким образом, отдельные элементы и их химические соединения образуют минералы – твердые природные тела, имеющие определенный химический состав и кристаллическое строение. При образовании минералов редкие катионы обычно связываются с распространенными анионами, а редкие анионы – с распространенными катионами. Способность к минералообразованию и количество образуемых минералов зависят, с одной стороны, от химических свойств самого элемента, а с другой – от его кларка. Чем больше содержится химического элемента в земной коре, тем больше может быть минералов, в состав которых он входит.

При сходных химических свойствах элемент с большим кларкомобразует большее число минералов. Например, для кальция (кларк 2,96) известно 385 минералов, а его химический аналог Ra (кларк около 10-10) не образует ни одного собственного минерала. Если не учитывать кислород, который входит в состав 1364 минеральных видов, то наибольшее число минералов образует кремний. Известно 432 природного химического соединения этого элемента. Активными минералообразователями являются и остальные пять главных элементов (Al,Fe,Mg,K,Na), составляющих вместе с кислородом и кальцием 99 % массы земной коры. Все те же 8 элементов образуют минералы, слагающие, к примеру, гранит (кварц, полевые шпаты, слюды и роговая обманка) и образующие 99 % его массы. Кроме этих элементов в граните присутствуют несколько десятков других с массой менее 1 %.

Одни элементы распределены в земной коре более или менее равномерно, другие способны накапливаться на отдельных участках. Если низкокларковый элемент достаточно сильно концентрируется на небольшом участке, то здесь возможно образование его химических соединений. Поэтому минералов сульфидов тяжелых металлов (ZnS, PbS, FeS2), составляющих по массе ничтожную часть земной коры (0,2 %), столько же, сколько и минералов группы оксидов, суммарная масса которых в земной коре в 100 раз больше.

В процессе своего рождения минералы довольно редко образуют крупные скопления в виде пластов или жил (за исключением таких, как каменная соль, гипсы и карбонаты). Большей частью они кристаллизуются одновременно, образуя горные породы – природные агрегаты, состоящие из одного или нескольких плотно спаянных минералов. Из бо-

76

лее 2500 минералов только примерно 50 имеют широкое распространение и относятся к породообразующим. К их числу принадлежат галит, кварц, кальцит (известняк), гипс, роговая обманка, слюды, полевые шпаты. Ограниченность породообразующих минералов обусловлена низкими кларками.

В зависимости от того, слагаются горные породы одним или несколькими минералами, они подразделяются на мономинеральные (кварцит, мрамор, известняк) и полиминеральные (гранит, гнейс, кристаллические сланцы). По генезису (условиям образования) горные по-

роды делятся на магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические породы образуются в процессе охлаждения и кристаллизации магмы – расплавленного вещества глубинных частей земной коры. В зависимости от условий остывания из одной и той же по составу магмы образуются интрузивные (внедрившиеся, глубинные) – гранит, или эффузивные (излившиеся) магматические породы – обсидиан (другое название – вулканическое стекло).

Осадочные породы (песок, глина, гравий, галька, валуны, мергель, гипс и др.) образуются в результате сложных процессов разрушения

ипреобразования исходных пород любого происхождения, переноса

ипоследующего накопления вещества. В зависимости от происхождения исходного осадка осадочные породы делят на четыре основные группы: обломочные, глинистые, химические и органогенные.

Метаморфические породы образуются в результате изменений магматических и осадочных пород под воздействием высоких температур, давления, а также горячих газов и растворов. Так, песчаные осадочные породы, уплотняясь, превращаются в песчаники, а при перекристаллизации – в кварциты. Глины аналогичным путем превращаются в глинистые и кристаллические сланцы, а известняк – в мрамор.

Контрольные вопросы

1.Важнейшие формы нахождения химических элементов в земной

коре.

2.Понятие о минералах, связь их образования с кларками химических элементов.

3.Породообразующие минералы, их ограниченность.

4.Классификация горных пород по их генезису.

77

РАЗДЕЛ 3. МИГРАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ФАКТОРЫ, ЕЕ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ

ТЕМА 4. Миграция химических элементов

1.Концентрация и рассеяние химических элементов.

2.Виды миграции химических элементов.

3.Факторы и параметры миграции.

В ландшафтной сфере происходит непрерывная миграция химических элементов. Следствием миграции является концентрация и рассеяние химических элементов. Причиной движения элементов является разность энергетических потенциалов между разными точками геохимического поля. Перемещение атомов связано со стремлением систем к энергетическому равновесию и образованию веществ с наименьшим запасом свободной энергии. Нормой распределения отдельного элемента в данной геосфере является его кларк (среднее содержание).

Миграция приводит к значительному перераспределению химических элементов, и их содержание в различных природных объектах (коре выветривания, почвах, водах, организмах), как правило, отличается от кларков в земной коре. Происходит отклонение концентраций элемента от кларка то в сторону рассеяния, то в сторону накопления. Степень этого отличия определяется кларком концентрации (КК) – отношением содержания данного элемента в конкретном природном объекте к его кларку. Наибольшие значения КК характерны для ртути и сурьмы, содержание которых в месторождениях может быть выше кларка в сотни тысяч раз. Несколько ниже КК для золота, олова, вольфрама (10000–100000). У таких элементов, как железо, магний, калий КК не превышает 10–100. Таким образом, зная кларк и КК элемента, можно представить, в каких пределах он будет встречаться в ландшафте.

Иногда определяют обратную величину – кларк рассеяния (КР), представляющую отношение кларка элемента к его содержанию в данном природном объекте.

Виды миграции химических элементов весьма разнообразны. В зависимости от основного агента, определяющего перемещение химических элементов в ландшафте и формы, в которой они перемещаются, принято выделять несколько видов миграции.

78

Механическая миграция – преобладающая форма миграции, осуществляется водными и воздушными потоками, склоновыми и ледниковыми потоками, перемещающимися под воздействием силы тяжести. Характерно раздробление горных пород, приводящее к их диспергированию и повышению растворимости. Механическая миграция наиболее значима для Si, Zr, Hf и ряда других элементов. Химические свойства перемещаемых частиц практически не имеют значения, и различные химические элементы мигрируют с одинаковой скоростью (например, калий, кремний, алюминий, мигрирующие с песчинками ортоклаза K2Al2Si6O16). Интенсивность механической миграции зависит от величины частиц минералов, их плотности, скорости движения транспортирующей среды (воды, ветра, ледников, вулканов и др.). Ее показателем, к примеру, может служить расход твердого стока в реке.

Физико-химическая миграцияв основном развивается в водах ландшафта. Она осуществляется в ходе процессов растворения, осаждения, сорбции, десорбции, диффузии и подразделяется на ионную и коллоидную миграцию. Ионная миграция идет в водных растворах в виде ионов. Ее интенсивность зависит от растворимости солей, рН среды, окисли- тельно-восстановительного потенциала. Коллоидная миграция протекает в виде перемещения в водной и воздушной среде коллоидов. Водная миграция в коллоидной форме характерна для гумуса, соединений Si, Al, Fe,Mn,Sn,Ti,Zr,V,Cr,Ni и некоторых других металлов.

Как видно, вода является важнейшей средой миграции химических элементов. Для оценки водной миграции элементов А.И. Перельманом предложен такой безразмерный показатель, как коэффициент водной миграции (Кх). Он представляет собой отношение содержания элемента Х в солевом остатке после выпаривания воды к произведению содержания элемента в водовмещающих породах и общей минерализации воды:

Kx aMnxx 100,

где Мх – содержание элемента в солевом остатке, г/л; nx – содержание элемента в породе, дренируемой водами, %; а – общая минерализация воды (солевой остаток воды), г/л. Увеличение Кх указывает на возрастание интенсивности выноса элемента из зоны дренажа.

79

Аэрогенная миграция осуществляется в виде миграции газов, реже ионов и коллоидов в воздушной среде или между разными средами, например, между почвой и атмосферой, атмосферой и гидросферой. Воздушными мигрантами чаще выступают O,C, N, H.

Биогенная миграция является более сложным видом миграции, связанной с деятельностью живых организмов и, по В.И. Вернадскому, главным фактором миграции химических элементов. Геологический эффект деятельности каждого организма бесконечно мал, но геохимия оперирует не отдельными живыми организмами, а всей их совокупностью, названной акад. В.И. Вернадским «живым веществом». При таком подходе геохимическая деятельность организмов с учетом их непрерывного воспроизводства и неограниченного срока действия вполне сопоставима с действием других геологических факторов.

Биогенная миграция химических элементов в ландшафте проявляется двумя противоположными и взаимосвязанными процессами – образованием живого вещества из элементов окружающей среды и разложением мертвого органического вещества. В совокупности указанные процессы образуют биологический круговорот атомов (С, H, O, N, P, S), а другие элементы поглощаются организмами из окружающей среды и включаются в состав их тел, а после их отмирания возвращаются во внешнюю среду в процессе минерализации мертвой органики для повторного использования. Таким образом, биогеохимическая миграция – замкнутые пути-циклы, по которым различные химические элементы циркулируют из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду. Эти циклы – связующее звено между биотическим и абиотическим компонентами экосистем. Непомерное вмешательство в этот природный процесс создает экологические проблемы.

Интенсивность биогенной миграции определяется такими пара-

метрами, как биофильность элемента и коэффициент биологического поглощения.

Биофильность элемента (Бх) выражается уравнением Бх = Ix/Nx. Это – отношение среднего содержания элемента Х в живом веществе (Ix), т. е. кларка живого вещества, к его кларку в земной коре (Nx). Данное понятие аналогично понятию кларка концентрации (КК) элемента в земной

80