3. Геохимические процессы в ландшафтах

3.1. Химические элементы в ландшафтах

Кларки химических элементов.Содержание одних и тех же химических элементов в разных ландшафтах неодинаково, что во многом обусловлено их перемещением – миграцией. Однако некоторые общие закономерности распределения химических элементов только миграцией объяснить невозможно. Так, во всех ландшафтах содержание кислорода велико, а золота и платины мало. Очевидно, существует какая-то закономерность распространенности химических элементов, которая может быть выявлена лишь при анализе среднего химического состава земной коры, который впервые был установлен в 1889 г. В честь американского геохимика Ф.У. Кларка в 1923 г. А.Е. Ферсман предложил среднее содержание химического элемента в земной коре или какой-либо ее части называть кларком. Кларки литосферы неоднократно проверялись различными методами, и средний химический состав части литосферы доступной для исследования установлен достаточно точно. Главная особенность распространения химических элементов установлена – это огромная контрастность кларков. Величины кларков литосферы различаются в миллиарды раз: от 47 % для кислорода до 7х∙10^-8для рения (еще ниже содержание радия, протактиния и некоторых других элементов). Контрастность распространения химических элементов станет особенно наглядной, если расположить все элементы в ряд по их кларкам. Тогда окажется, что почти половина твердой земной коры состоит из одного элемента – кислорода (кларк 47 %). На втором месте стоит кремний (29,5 %), на третьем – алюминий (8,05). В сумме они составляют 84,55 % твердой земной коры. Если к этому числу добавить еще железо (4,65), кальций (2,96), калий (2,5), натрий (2,5), магний (1,87), титан (0,45), то получим 99,48 %, т.е. практически почти всю земную кору. На долю остальных 80 % элементов приходится менее 1 % массы литосферы.

Различают кларки весовые(в процентах массы на 100 частей или в граммах на тонну),атомные(в процентах от общего количества атомов),объемные(в процентах от общего объема электростатических полей атомов).

В каждой сфере Земли можно выделить несколько наиболее распространенных химических элементов. Основную массу литосферы составляют три элемента (кислород, кремний и алюминий), живых организмов – три (кислород (кларк весовой 70 %), углерод (18 %), водород (10,5 %), гидросферы – два (кислород (85,77 %) и водород (10,73 %), атмосферы – два (азот (75,31 %) и кислород (23, 01%). На долю всех остальных химических элементов приходится в земной коре 0,97 %, в живых организмах – 1,5 %, в гидросфере – 3,5 %, в атмосфере – 1,68 %.

В ландшафте, в общем, преобладают те же элементы, что и в литосфере, но в нем большую роль играют углерод, водород, азот, хлор, поступающие главным образом из атмосферы и гидросферы. Понятие «кларк» нельзя применять при характеристики среднего содержания элементов в пределах отдельного региона или массива (например, Кавказских гор, Беларуси и т.д.). В таком случае используются понятия «среднее содержание» или «фон».

Все элементы по величине среднего содержания в земной коре делятся на основные, редкие и рассеянные. Основные элементы (кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, калий, натрий, магний, водород, кларк их больше единицы) широко распространены в породах, иногда концентрируются в месторождении. Элементы с низкими кларками (примерно менее 0,01-0,0001 %) называются редкими. Например, медь, цинк, молибден, кобальт, ванадий, вольфрам и др. Некоторые из них концентрируются в земной коре. Например, на участках медных, цинковых и свинцовых месторождений медь, цинк, свинец могут быть главными элементами ландшафта. Элементы, которые обладают и низкими кларками и малой способностью к концентрации, рассеяны в земной коре и во всех породах почвах и минералах встречаются в ничтожных количествах. Такие элементы называются редкими рассеянными. Их роль всегда в ландшафте второстепенна (кадмий, радий, скандий, галлий, индий, гафний и др.).

А.И.Перельман, рассматривая поведение химических элементов, выделяет типоморфные (ведущие), или геохимические диктаторы, т.е. химические элементы, определяющие существенные и характерные черты данного ландшафта. Число их невелико. К ним относятся кальций, водород, железо, сера, хлор и другие элементы. Это позволяет говорить о кальциевых, кислых и прочих ландшафтах (например, кальциевая и кислая тайга).

Различия в кларках приводят к тому, что химическое сходство элементов отнюдь не означает их «геохимическое сходство». Так, например, у натрия кларк высокий (2,5), поэтому его много в ландшафтах. Солончаки, соляные озера – это «натриевые ландшафты», т.к. натрий 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) и влияние на геохимические особенности ландшафта невелико. Следовательно, химические элементы с низкими клаками не могут быть типоморфными из-за малых концентраций в системах. Они вынуждены мигрировать в той обстановке, которую создают типоморфные элементы. Но ведущее значение элемента зависит не только от его кларка и концентрации в данной системе. Важно, чтобы элемент мигрировал и накапливался. Распространенные, но слабо мигрирующие элементы не являются ведущими. Один и тот же элемент в разных системах может быть и ведущим и второстепенным. Например, железо имеет ведущее значение в ландшафтах таежных болот, но его роль не велика в ландшафтах пустынь. Наконец, если элемент энергично мигрирует, но не накапливается, он также не является ведущим. Так, натрий и хлор энергично выщелачиваются в ландшафтах влажных тропиков из кислой коры выветривания и не являются там ведущими. Только в соляных озерах и солончаках, где натрий и хлор мигрируют и накапливаются, они становятся ведущими. Из сказанного следует, предложенный А.И. Перельманом, принцип подвижных компонентов: геохимическая особенность ландшафта определяется элементами с высокими кларками, наиболее активно мигрирующими и накапливающимися в данном ландшафте.

В начале 20 века В.И.Вернадский пришел к выводу о всеобщем распространении (рассеянии) химических элементов в природе, о том, что «все элементы есть везде», а наличие или отсутствие элемента в изучаемом объекте зависит не от их собственных свойств, а от чувствительности используемых аналитических методов. Это положение о всеобщем рассеянии химических элементов называется законом Кларка-Вернадского.

Итак, было установлено, что в земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки периодической системы, ядра которых содержат небольшое количество протонов и нейтронов. После железа (№ 26) нет ни одного элемента с большим кларком. Эта закономерность была отмечена еще в 1869 Д.И. Менделеевым. Другую особенность распространенности элементов установили итальянский ученый Г. Оддо и американский – В. Гаркинс. Оно получило название правило Оддо-Гаркинса. Правило гласит: из двух соседних элементов в таблице Д.И. Менделеева содержание в земной коре четного элемента обычно больше. Для первых по распространенности 9 элементов кларки четных составляют в сумме 86,43 %, а кларки нечетных – только 13,03 %. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4. Это кислород, магний, кремний, кальций и т.д. среди атомов одного и того элемента преобладают изотопы, массовые числа которых кратны 4.

В ландшафте в общем преобладают те же элементы, что и в земной коре, но все же их содержание в почвах, водах, организмах, как правило, отличается от кларка, хотя порядок величин нередко сохраняется.

В ландшафтах Беларуси типоморфными элементами чаще всего являются водород, железо двухвалентное, редко кальций, и сероводород. Осушение земель привело к уменьшению площади ландшафтов с восстановительной глеевой обстановкой и расширению площадей с окислительной обстановкой, что замедлило миграцию железа и активизировало перемещение кальция, марганца, хлора, калия, азота (Чертко, 1981).