48. Геохимические потоки в ландшафтах. Принципы миграции вещества в ландшафтах. Геохимические градиенты и барьеры.

Геохимические потоки в ландшафтах.

Геохимический ландшафт представляет собой сложную природную систему, состоящую из подсистем или элементарных ландшафтов. Каждому геохимическому ландшафту присущи определенные условия миграции и концентрации химических элементов, типы радиальной (в вертикальном профиле ландшафта) и латеральной (в пространстве) дифференциации веществ. Потоки вещества в ландшафтах имеют важное системообразующее значение и определяют их миграционную структуру. Ландшафтно-геохимическая карта России отражает разнообразие геохимических ландшафтов и закономерности их размещения на территории страны. Она содержит информацию об условиях миграции веществ в ландшафтах, основных типах миграционных структур и главных ландшафтно-геохимических процессах, характерных для каждого геохимического ландшафта. Условия миграции химических веществ и элементов определяются тремя основными группами параметров. Первая группа — это биоклиматические характеристики: «климатический потенциал», отражающий зональные гидротермические условия миграции и метаболизма веществ, и «биогеохимический потенциал» миграции, определяемый интенсивностью и емкостью биологического круговорота веществ (ежегодная продукция и запасы органического вещества в фитомассе и почвах). Эти параметры тесно связаны с зональными типами ландшафтов. Вторая группа — это физико-химические условия миграции, обусловленные климатическим потенциалом (варьирующим от «очень низкого» до «очень высокого») и сочетанием окислительно-восстановительных и кислотно-основных параметров среды миграции.

Особенности водной миграции в почвах ландшафтов получили название классов водной миграции. Каждый класс водной миграции в зависимости от состава типоморфных элементов — это либо активная среда миграции определенных элементов, либо «запрещенная» обстановка, где элементы концентрируются. Как правило, пространственная дифференциация классов миграции также подчиняется зональности: кислые (H+) и кислые глеевые (H+–Fe2+) классы бореальных лесов сменяются в степных ландшафтах кальциевыми (Са2+) и кальциево-натриевыми (Са2+–Na+). Классы водной миграции характризуются формулами типоморфных элементов и соединений, в которых на первом месте стоят типоморфные элементы автономных, на втором — подчиненных ландшафтов. Так, формула степных содовых ландшафтов: Са2+, Na+– ОН+ ; лесных заболоченных: Н+, Н+– Fe2+ и т.д. Третья группа — это условия, определяемые интенсивностью механической миграции веществ и характером горных пород, что связано, в основном, с расчлененностью рельефа (углы наклона, проницаемость почв, рыхлых отложений и кор выветривания и др.) и литологическими особенностями горных пород (пески, глины, массивные породы).

Миграционная структура ландшафта формируется в результате сложных сочетаний ландшафтно-геохимических условий: биоклиматических и литолого-геоморфологических. Она определяется сочетанием двух основных миграционных потоков: вертикально направленного радиального (R), осуществляющего обмен веществом между ярусами геохимического ландшафта, и латерального — склонового и внутрипочвенного (L) потоков в сопряженных системах «автономный ландшафт — подчиненный ландшафт». Радиальные и латеральные потоки имеют разную геохимическую контрастность, их соотношение образует фоновую миграционную геохимическую структуру ландшафта. Выделяются 3 основных типа миграционных структур: R > L — радиальная миграция более интенсивна, чем латеральная; характерна для таежных ландшафтов с высоким климатическим потенциалом, на субстратах с высокой проницаемостью (пески, щебнистые породы) и с пологими формами рельефа; R = L — примерно одинаковая интенсивность радиальной и латеральной миграции; характерна для широкого спектра ландшафтов от лесотундры до степей, низменных аккумулятивных равнин со слабо расчлененным рельефом; R < L — радиальная дифференциация меньше латеральной миграции; характерна для ландшафтов расчлененных возвышенных равнин и плато с покатыми и крутыми склонами на плотных консолидированных породах. Иной тип миграционных структур присущ заболоченным ландшафтам с застойным водным режимом и близким залеганием грунтовых вод или верховодки — «W». Для локальных миграционных потоков, связанных с микрорельефом и особыми режимами увлажнения используются комбинации символов r, 1 и w: r, 1 — миграционные структуры равнинных субаридных степных и полупустынных ландшафтов, с низким и очень низким климатическим потенциалом, со слабыми радиальными и латеральными миграционными потоками и наличием испарительной концентрации солей; r, 1, w — миграционные структуры равнинных тундровых ландшафтов с преобладанием разнонаправленной криогенной миграции. Все выделенные миграционные структуры ландшафта являются интегральными характеристиками геохимических ландшафтов. Ландшафтно-геохимические процессы — это совокупность процессов миграции и концентрации вещества в ландшафтах, обуславливающих их геохимическую дифференциацию. Ландшафтно-геохимические процессы делятся на собственно миграционные, обеспечивающие перемещение и вынос веществ в ландшафтах, и миграционно-аккумулятивные процессы, приводящие в основном к аккумуляции веществ. Разделение всех ландшафтно-геохимических процессов на эти две группы достаточно условно, т.к. между ними есть много переходных разностей. Миграционные процессы в зависимости от формы миграции делятся на водные, мерзлотные, эоловые, склоновые и зоогенные. На территории России наиболее распространены процессы водной миграции. В зависимости от величины коэффициента увлажнениявыделяются три категории интенсивности водной миграции. Криогенная миграция связана с радиальным перемещением вещества к фронту промерзания и его латеральной дифференциацией при солифлюкции. Склоновые миграционные процессы протекают в результате водной эрозии, оползневой, осыпной и обвальной дифференциации веществ. Подчиненное значение на территории России имеют эоловые процессы и зоогенное перемешивание почв. Миграционно-аккумулятивные процессы приводят к формированию органических, органо-минеральных и минеральных новообразований в почвах, корах выветривания и континентальных отложениях. В ландшафтах наиболее широко распространены: Детритогенез — накоплениенеразложившихся и полуразложившихся остатков растений и образование лесных подстилок, торфа, сапропеля. Хелатогенез — образование и накопление в ландшафтах ненасыщенных подвижных органоминеральных соединений железа,алюминия, марганца с фульвокислотами и бурыми гуминовыми кислотами. Кальцитогенез — образование и накопление кальцита, формы его проявления весьма разнообразны. Кальцит накапливается в клетках живых организмов, в растительных остатках, осаждается на дне водоемов. Кальцитогенез сопровождает процессы выветривания и почвообразования. Галогенез — аккумуляция легкорастворимых солей. Глеегенез — процесс, протекающий в ландшафтах с водозастойным режимом, проявляется в образовании восстановленных соединений железа, марганца и других элементов с переменной валентностью. Геохимические ландшафты речных долин своеобразны, поэтому, кроме интенсивности биологического круговорота для их характеристики, используется интенсивность водообмена, связанная с гидрологическим режимом рек, длительностью периодов половодья, зимней и летней межени. По соотношению миграции и аккумуляции в долинах реки разделены на горные и равнинные, а также дельты. Таким образом, каждый тип геохимического ландшафта, описывается большим набором показателей. Например, ландшафты южнотаежных равнин (Подмосковье), формирующиеся на рыхлых четвертичных отложениях, характеризуются замедленным водообменом, очень высоким потенциалом миграции, умеренно-интенсивным биологическим круговоротом с биопродукцией 11–16 т/га/год, запасами фитомассы 300–400 т/га, содержанием органически веществ в почвах 150–200 т/га, с кислым и кислым глеевым классом водной миграции и близким соотношением контрастности R и L миграционных потоков. Преобладает интенсивная водная миграция, характерны процессы детрито-, хелато-, глее- и оксидогенеза.

Геохимические градиенты и барьеры.

Геохимические барьеры (1961, Перельман) – те участки земной коры, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их осаждение. Выделяют макро-, мезо- и микробарьеры. К макробарьерам относятся геохимические барьеры шириной до первых километров и длиной тысячи километров (современные и древние зоны смешивания пресных речных вод с солеными морскими). Протяженность мезобарьеров доходит до десятков км при ширине до сотен метров (краевые зоны болот, где отлагаются многие элементы, сносимые с водоразделов). Размеры микробарьеров изменяются от нескольких мм до первых метров (рудные прожилки, родники). Иногда к одному и тому же барьеру поступают химические элементы (соединения) из разных миграционных потоков – многосторонние барьеры.

Главная особенность барьера – резкое изменение условий и концентрация элементов. Это зона, где одна геохимическая обстановка сменяется другой. На геохимических барьерах образуются рудные тела большинства месторождений, поэтому оно важно для разработки методики геохимических поисков. В земной коре происходит совмещение и комплексирование различных геохимических процессов, в связи с чем выделяются:

- комплексные барьеры, образующиеся в результате наложения двух или нескольких взаимосвязанных геохимических процессов;

- двусторонние барьеры, которые формируются при движении различных элементов к барьеру с разных сторон, происходит осаждение разнородной ассоциации химических элементов;

- латеральные барьеры, образующиеся при движении вод в субгоризонтальном направлении (на границе фаций, на границе почв и подстилающих их горных пород);

- радиальные (вертикальные) барьеры, формирующиеся при вертикальной или слабонаклонной миграции растворов в зонах разломов, корах выветривания и др.

В основу классификации геохимических барьеров положены различия в миграции. Выделяются 2 основных типа барьеров – природные и техногенные.

Природныеделятся на 3 класса:

1. механические – участки резкого уменьшения интенсивности механической миграции, к ним приурочены различные продукты механической дифференциации осадков;

2. физико-химические - образуются в местах резкого уменьшения интенсивности физико-химической миграции. Они возникают в местах изменения температуры, давления, окислительно-восстановительных, щелочно-кислотных и других условий;

3. биогеохимические – обязаны уменьшению интенсивности биогенной миграции (угольные залежи, торф, концентрации элементов в телах организмов и др.).

Изменение геохимических показателей m (T, P, Eh, pH и других) в направлении миграции химических элементов называется градиентом барьера G.

G=m1-m2/l,где m1 – значение данного геохимического показателя до барьера (рН, З, температура, количество растворенного в воде кислорода и др.); m2 – после барьера; l – ширина барьера.

Величина градиента барьера может быть выражена в град./м; рН/м и др.

Контрастность барьера (S) – характеризуется отношением величины геохимических показателей в направлении миграции до и после барьера: S=m1/m2

Интенсивность накопления элемента (например, рудообразования) увеличивается с ростом контрастности и градиента барьера.