Глава 2. ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛАНДШАФТАХ

Смотрите также:

История атомов и география - Перельман

Геохимия - химия земли

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

В зависимости от вида миграции мы выделяем три основных ряда элементарных и геохимических ландшафтов.

1.         Абиогенные ландшафты, для которых характерна только механическая и физико-химическая миграция.

2.         Биогенные ландшафты с ведущим значением биогенной миграции и подчиненной ролью физико-химических и механических процессов.

3.         Техногенные (антропогенные), культурные ландшафты, своеобразие которых определяется техногенной (социальной) миграцией, социальными процессами, хотя в них развиваются и все остальные виды миграции.

Типоморфные (ведущие) элементы, принцип подвижных компонентов.

Химические элементы, ионы и соединения, определяющие условия миграции в ландшафте, именуются типоморфными (ведущими). Число их невелико: Са, Н (вернее, водородный ион), Fe, S, С1 и другие. 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 Na кларк высокий (2,50), поэтому его много в ландшафтах. Солончаки, соляные озера — это "натриевые ландшафты", т.к. Na определяет геохимическое своеобразие ландшафта, физико- химические условия среды, т.е. является типоморфным. Cs в химическом отношении похож на Na, но его кларк мал (3,7.10"^) и влияние на геохимические особенности ландшафта невелико. Он не определяет физико-химических условий среды и мигрирует в той обстановке, которая создана типоморфными элементами. Если бы у Cs кларк был, как у Na, то его роль в ландшафте была бы так же велика, он был бы типоморфным. Следовательно, химические элементы с низкими кларками не могут быть тнпоморфнымн из-за малых концентраций в системах — они вынуждены мигрировать в той обстановке, которую создают типоморфные элементы. Именно различия в кларках определяют ведущую роль S и второстепенную Те, ведущее значение Na и подчиненное Rb, Li, Cs.

Редкие элементы в местах их концентрации становятся ведущими, например, в месторождениях U, Мо и т.д. 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, Fe имеет ведущее значение в таежных болотах, но его роль невелика в пустынях. Наконец, если элемент энергично мигрирует, но не накапливается, он также не является ведущим. Так, Na и С1 энергично выщелачиваются во влажных тропиках из кислой коры выветривания и не являются там ведущими. Только в соляных озерах и солончаках, где Na и С1 мигрируют и накапливаются, они становятся ведущими. Из сказанного следует принцип подвижных компонентов: геохимическая особенность ландшафта определяется элементами с высокими кларками, наиболее активно мигрирующими и накапливающимися в данном ландшафте (А.И. Перельман).

Парагенные и запрещенные ассоциации элементов. Понятие о парагенезисе элементов ввел в 1909 г. В.И. Вернадский, имея в виду их совместную концентрацию, обусловленную единым процессом. Ассоциация может быть как одновременной, так и неодновременной, связанной, например, с последовательным осаждением элементов из вод. В дальнейшем парагенезису элементов уделялось много внимания в трудах геохимиков, так как одна из главных задач геохимии и состоит в изучении парагенных ассоциаций элементов. Наиболее изучены парагенные ассоциации элементов в минералах. Ассоциация главных элементов, как правило, объясняется законами кристаллохимии (например, Са, С и О в кальците, Na и С1 в галите). Более сложны и разнообразны парагенезисы элементов-примесей. Так, для гидроксидов Мп часто характерна примесь Ва и Со, для урановых минералов — Ra, для гипса — Sr. Причины образования подобных ассоциаций различны: сорбция, близость ионных радиусов, радиоактивный распад и др. Хорошо изучены также парагенные ассоциации элементов в континентальных отложениях, корах выветривания и почвах. Например, для солончаков характерен парагенезис Na, С1, S, Са, Mg, Sr, а из редких элементов местами также Mo, Zn, U, V, Li, В, Se, Br, J и др. Понятие парагенезиса элементов применимо и к более крупным системам — ландшафтам, бассейнам рек, всей биосфере.

Кроме парагенных различают запрещенные ассоциации элементов (отрицательный парагенезис), т.е. ассоциации, невозможные в данной системе.

Экстенсивные и интенсивные параметры физико-химической миграции

В термодинамике экстенсивными называют параметры, обладающие аддитивными свойствами — зависящими от размеров системы или фазы, от массы элементов (объем, энтропия, масса и т.д.). Интенсивные параметры, напротив, не обладают аддитивными свойствами и не зависят от размера системы или фазы (сила, давление, температура, химический потенциал и т.д.). Миграцию химических элементов, как и всякую работу, можно выражать через произведение экстенсивных и интенсивных параметров. В случае механической работы это F, S, где экстенсивный параметр путь — S, а интенсивный — сила F. В уравнении работы газа dA = P.dV, Р — давление — интенсивный параметр, a dV — изменение объема — экстенсивный и т.д.

Экстенсивные параметры миграции — это количество мигрирующих веществ, расстояние миграции и т.д. Об интенсивности миграции химического элемента можно судить по тому его количеству, которое в единицу времени переходит в подвижное состояние (например, в природные воды). Однако при этом надо учитывать и величину кларка, особенно общее число атомов данного элемента, содержащихся в ландшафте. Например, если предположить, что интенсивность миграции Na и Li одинакова, то в подвижное состояние из горных пород в природные воды Na перейдет значительно больше, чем Li, так как у Na кларк высокий (2,50), а у Li низкий (3,2.10"^). Следовательно, чтобы охарактеризовать интенсивность миграции элемента, необходимо учитывать не только количество его атомов в ландшафте, перешедшее в подвижное состояние, но и общее количество атомов. Иначе говоря, интенсивность миграции выражается скоростью перехода в подвижное состояние одного грамма вещества данного элемента. Если общее количество атомов элемента л в ландшафте или какой-либо его части (почве, горной породе, организмах) обозначить Ь, то количество атомов, перешедшее в подвижное состояние за промежуток времени dt, составит db. Тогда относительная часть атомов, перешедших в подвижное состояние, равна db/b, а в единицу времени — db . J_. Эта величина и представляет собой интенсивность миграции — или в дифференциальной форме для бесконечно малого промежутка времени:

Р* = J_ • db b dt

Данное уравнение интенсивности миграции применительно к выветриванию было выведено А.И. Перельманом в 1940 г. и более подробно охарактеризовано в 1956 г. Член уравнения db играет важную роль в геохимии ландшафта при характеристике миграции. Из уравнения следует, что чем больше величина Ь, тем (при неизменности db) меньше интенсивность миграции. Так как величина b в общем зависит от кларка элемента, то можно сказать, что при сходных химических свойствах элемент с меньшим кларком мигрирует энергичнее (Se энергичнее S, Sr энергичнее Са и т.д.).

Для определения необходимо знать ее зависимость от времени, которая в большинстве случаев неизвестна. Однако если принять, что в изучаемом процессе интенсивность миграции постоянна (Рл = Const), то уравнение интегрируется:

Ь2 = Ы . ер* (t2-tl)

где bj — содержание элемента л в системе до начала изучаемого процесса в момент времени t^; b2 — количество элемента в системе к моменту времени t2- Зависимость количества элемента л в системе от времени передается экспонентой (2.2). Эту формулу можно использовать для приблизительного расчета интенсивности миграции. Ориентировочные расчеты для коры выветривания влажных субтропиков Аджарии показали, что если принять длительность выветривания в 1 млн. лет (четвертичный период), то ежегодно из коры выносились миллионные доли от каждого грамма Si, А1, Са, Мп, К, Na, находящиеся в этом году в коре выветривания, и стотысячные доли от каждого грамма Mg.

Время миграции одинаково для всех элементов данной системы, поэтому можно рассчитать интенсивность миграции элемента л: относительно элемента у.

Уравнение интенсивности миграции применимо и для характеристики иммигра-

еского элемента в систему, его концентрации. При этом приобретает положительное значение, так как b2 > сЦ (напомним, что все построения предполагают постоянство интенсивности миграции, т.е. независимость от времени).

К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов