Геохимические барьеры

Это фундаментальное понятие ввел в геохимию Перельман А.И. в 1961г. Геохимический барьер – участок земной коры, где на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов, и, как следствие, их концентрация. Аналогично макро-, мезо- и микрорельефу выделяют макро-, мезо- и микробарьеры. Примеры: макробарьер – дельта реки (n∙100÷n∙1000м), мезобарьер – краевая зона болота, микробарьер – рудные прожилки.

Главное условие для выделения барьера – резкое изменение условий миграции и концентрация элементов.

Выделяются различные генетические типы барьеров: 1. Комплексные – образующиеся в результате наложения нескольких взаимосвязанных процессов. Пример: кислый физико-химический барьер в почве и биогеохимический в растительности краевой зоны болота. 2.Латеральные (выделяются при субгоризонтальном движении ) и радиальные (выделяются при субвертикальном перемещении вещества).

В основу классификации ГХБ положены различия в миграции: группы барьеров природные и техногенные. В каждой группе выделяются типы барьеров: механические, физико-химические, биогеохимические.

Классы физико-химических барьеров: 1. Кислородный А: глеевые или сероводородные воды контактируют с кислородной обстановкой;

2. Сульфидный (сероводородный) В: кислородные воды + сероводородная обстановка;

3. Глеевый С: кислородные воды + глеевая обстановка;

4. Щелочной Д: при резком увеличении рН;

5. Кислый Е: при резком уменьшении рН;

6. Испарительный F: Na, K, Rb, S, Cl, Ca…

7. Термодинамический H: теплые воды + холодные (травертины – на выходах углекислых вод: Mg, Ca, Sr, Ba.

Геохимические барьеры в ландшафтах (по Авессаломовой И.А.).

Биогенная миграция

Вернадский В.И.: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом.» Геохимия преимущественно рассматривает не отдельный живой организм, а всю их совокупность, которую В.И.Вернадский назвал живым веществом.

Миграция химических элементов в ландшафте определяется двумя противоположными и взаимосвязанными процессами: 1. образование живого вещества из элементов окружающей среды или биогенная аккумуляция; 2. разложение органических веществ. Эти 2 процесса составляют суть биологического круговорота (БИКа).

Образование живого вещества: живое вещество образуется в процессе фотосинтеза на свету в присутствии катализатора (хлорофилла):

6CO₂ + 6H₂O + Q →C₆H₁₂O₆ + 6O₂

В результате происходит изменение вещественного состава; свободный кислород и органическое вещество аккумулируют энергию. В фотосинтезе участвуют простые химические соединения, а образуется все многообразие органических соединений (порядка сотен тысяч, при том, что минералов – несколько десятков тысяч). Происходит информационный взрыв, образуется много новой информации. Следующий этап: из сотен тысяч органических соединений образуется несколько миллионов видов растений и животных. Появляется новый вид информации – биологический. Таким образом, при образовании органических веществ происходят вещественные, энергетические, информационные изменения…

Средний химический состав живого вещества.

Живое вещество состоит из воздушных (C, O, N, H), водных мигрантов (Ca, K, Na, Mg и др.) и микроэлементов. Живое вещество – это, в первую очередь, кислородное вещество, т.к. содержание кислорода в нем – 70%. Большая часть кислорода связана с водородом и образует воду, количество которой обычно превышает 50%; содержание C=18%, H=10.5%, N=0.3%; в сумме – 98.8%.

Водные мигранты – 1.2%, из них Ca – главный металл живого вещества, его содержание – 0.5%. Микроэлементы – Cu, Ni, Co, Fe и др.: n×10^-3- n×10^-5%.

Закономерности химического состава живого вещества: 1. Живое вещество состоит из элементов, которые в ландшафтах образуют или газообразные, или легкорастворимые соединения;

2. Наименее распространены элементы, находящиеся в конце периодической системы: Se, U, Hg… Они ядовиты для живого вещества.

3. По химическому составу живое вещество следует за кларками литосферы, хотя прямой зависимости нет.

Биофильность элементов. Показатель был предложен А.И.Перельманом в 1972г. Он рассчитывается как отношение содержания элемента в живом веществе к его кларку. Биофильность или КК элементов в живом веществе характеризует способность живого вещества концентрировать элементы (или способность элементов концентрироваться в живом веществе). Наиболее биофильны C(7800), N (160), H (70). Близки по биофильности анионогенные элементы O (1,5), Cl (1,1), S (1), P (0,75), B (0,83), Br (0,71). Наименее биофильны Fe (2×10^-3), Al (6×10^-11).

Средний химический состав вида является важным систематическим признаком. Так, в ряске малой содержится 2.5% C, в кладонии – 21.8% C; в клевере-0.01% Na, в солянке – 1.5-2% Na. Многие современные водоросли, бактерии, простейшие накапливают Si, Fe, Sr, I и др. элементы. Некоторые моллюски, водоросли, ракообразные (так называемые организмы-концентраторы) содержат до 10-15% Ca, из которого построены их раковины, в то время, как большинство растений и живых организмов содержат 0,n – 0,0n% Са. Целые крупные таксономические единицы растений накапливают определенные элементы: хвощи, злаки – кремнезем, плауны – алюминий, мхи – железо, грибы- фосфор и радиоактивные элементы, муравьи – марганец, змеи – цинк (в яде), моллюски – медь (входит в состав крови вместо железа, поэтому у них кровь – голубая; в ландшафтах, обогащенных медью, хорошо развиваются улитки), сфагнум и чай – кальциефобы.

O, H, Ca, C, N накапливают все виды, остальные элементы разными видами накапливаются по-разному. Низкоорганизованные накапливают отдельные элементы, а высокоорганизованные содержат элементы в сбалансированном количестве. Такой отбор осуществлялся в ходе эволюции: сначала искалась оптимальная концентрация элементов и в конце эволюции пришли к накоплению самых важных элементов.

Дефицитные и избыточные элементы. Дефицитными называются такие элементы, добавление подвижных форм которых в ландшафт увеличивает ежегодную продукцию живого вещества (П). В большинстве случаев недостает именно подвижных форм, в то время, как общее (валовое) содержание элемента может быть велико. Поэтому существуют 2 пути компенсации дефицитных элементов в ландшафте: добавление извне недостающих элементов и повышение подвижности инертной части элементов. Агрохимия изучает вопросы дефицита химических элементов в с/х и решает их путем компенсации с помощью удобрений. В геохимии проблема дефицитных элементов стоит шире: дефицитные элементы изучаются для растений, животных, человека. Их дефицит может быть не только в почвах, но и в воздухе, в водах. Поэтому список дефицитных элементов расширился. В него, кроме традиционных N, P, K, вошли также кислород (в болотных ландшафтах, в высокогорье), в подзолистых почвах – Са (поэтому одним из методов химической мелиорации подзолистых почв является известкование), Со, дефицит которого в ландшафте может привести к анемии, т.к. Со входит в состав крови.

Избыточными называются такие элементы, удаление которых (или их подвижных форм) увеличивает П. Например, О и Н (Н₂О) избыточны в болотных ландшафтах. В аридных (засоленных) ландшафтах избыточны Na, Cl, S. Ландшафты рудных месторождений и некоторые другие имеют избыток тяжелых металлов; например, избыток Pb в придорожных ландшафтах может вызвать заболевание периферической нервной системы. Избыточность элементов может иметь разные аспекты; например, избыток Ni близ месторождений на Ю.Урале приводит к тому, что овцы, поедающие траву, слепнут, но качество шерсти у них улучшается. Геохимической особенностью Полесских ландшафтов является дефицит Ca, Mg, многих микроэлементов, избыток H, O, Fe. С избыточностью бороться труднее, чем с дефицитом, один из способов – осушительная мелиорация.

Установление избыточных и дефицитных элементов – важная задача геохимии ландшафта. Прикладное значение это направление имеет для сельского хозяйства, медицины, поисков полезных ископаемых.

Биогеохимический барьер (БГХБ) формируется в живом веществе. Выделяются 2 класса БГХБ: фитобарьер и собственно биогеохимический. На фитобарьере концентрируются C, O, H, N, I, Ca, K, P, Mn, Br и др. Он представлен фитоярусом в ландшафтах. На БГХ барьере концентрируются Ca, K, P, B, Sr, Mn, Ni и др., в ландшафте это торф, гумусовые горизонты почв.

Разложение органического вещества – процесс, протекающий в ландшафтах параллельно биогенной аккумуляции, но в противоположном направлении, т.е. в направлении перехода химических элементов из органических соединений в минеральные. При минерализации органического вещества происходит выделение энергии. Основная роль в минерализации органики в ландшафте принадлежит микроорганизмам. Различают аэробные и анаэробные бактерии, которые могут развиваться, соответственно, в присутствии O₂ и в бескислородных условиях. Используя химическую энергию, заключенную в органических соединениях, микроорганизмы превращают белки, жиры, углеводы и другие высокомолекулярные соединения в простые: CO₂, H₂O, NH₄ и др. Все органические вещества поддаются микробиологическому разложению, даже такие устойчивые, как смолы, воск, хитин.

В ходе минерализации высвобождается энергия, заключавшаяся в органическом веществе, часть этой энергии выделяется в виде тепла, другая часть – в виде химической энергии минеральных веществ, которой обогащаются, преимущественно, природные воды. В них попадают продукты минерализации (СО₂), что повышает химическую активность вод и способствует увеличению их растворяющей способности. Т.о., процессы минерализации обогащают ландшафт свободной энергией, делают его неравновесной системой. Однако это не приводит природную геосистему (ландшафт) в неустойчивое состояние, поскольку снижение энергии в системе (благодаря минерализации органического вещества) компенсируется поступлением энергии в ландшафт в результате образования органического вещества (биогенной аккумуляции). Это пример действия обратной отрицательной связи в системе. Таким образом, природная геосистема (биогенный ландшафт) – это саморазвивающаяся и саморегулирующаяся неравновесная, но стационарная (устойчивая) система, т.е. находящаяся в состоянии динамического равновесия. Минерализация – это процесс уменьшения биологической информации, т.к. он ведет к уменьшению сложности, упорядоченности, разнообразия системы. Важным геохимическим параметром процесса минерализации органического вещества является опад (ц/га). Он состоит из ежегодного растительного опада, зеленой части опада, лесной подстилки, гумуса. Отношение подстилки к зеленой части опада характеризует интенсивность разложения органических веществ. Для заболоченных лесов Зап. Сибири он равен 5000%, для влажных тропиков – 10%.

Биогенная аккумуляция химических элементов в почве. После минерализации остатков растений в верхнем горизонте почв аккумулируются элементы биологического накопления (A_x2≥1). Наибольшее биологическое накопление характерно для P и S (A_x2≈n ×100). Биогенным путем накапливаются также Ca, K, Mn, редкие элементы Cu, Ni, Co, Ge, Mo, Zn и др. Таким образом, биогенная аккумуляция препятствует выщелачиванию химических элементов из ландшафтов. Это – механизм отрицательной обратной биокосной связи, способствующей сохранению химического состава почв в равновесном состоянии, что объясняет очень медленную эволюцию почв (несколько тысяч лет).