Глава 29. ПОДВИЖНЫЕ И СЛАБОПОДВИЖНЫЕ ЛИТОФИЛЬНЫЕ ВОДНЫЕ МИГРАНТЫ

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

Слабоподвижные катионогенные элементы — К, Ва, Li, Rb, Be, Cs, Т1

Калий — К (19; 39,0983).

Кларк калия такой же, как у Na — 2,5%, но он значительно биофильнее и дефицитнее. В золе многих растений более 10% К, богаты им картофель, подсолнечник. Очень необходим он и животным.

Многие соли калия легкорастворимы, однако в биосфере он мигрирует слабо, чем резко отличается от Na. Хотя при выветривании горных пород он и переходит в воды, но быстро захватывается организмами и сорбируется глинами. Поэтому реки бедны К, в океан его поступает меньше, чем Na, и океанические воды содержат К в 25 раз меньше Na. Так, эти два парагенных в глубинах литосферы элемента в биосфере ведут себя резко различно — Na накапливается в океане, а К остается на материках или входит в состав морских осадочных пород. Следовательно, Na талассофильнее К.

В глинах, живом веществе калий концентрируется энергичнее Na и Mg и по водной миграции сильно отстает от этих элементов. Еще раз отметим, что его слабая водная миграция обусловлена не плохой растворимостью солей, а активным участием в биологическом круговороте, дефицитностью для организмов и сорбцией глинами. Поэтому, хотя по химическим свойствам К — аналог Na, в биосфере его геохимия ближе к Mg — например, оба входят в состав глинистых минералов (в магматических процессах они антиподы).

В прошлые геологические эпохи на поздних стадиях испарения морской воды в лагунах вслед за Na осаждались соли К вместе с солями Mg (например, карналлит — MgCl2.KCl.6H2O). Особенно энергично эти процессы протекали в пермском периоде (Соликамское месторождение в России, Стассфуртское в Германии и др.).

В ноосфере начался новый этап истории калия. Резкий его дефицит в большинстве агроландшафтов вызвал необходимость применения калийных удобрений, и огромные количества К стали извлекаться из недр и рассеиваться в виде удобрений, мигрируя на сотни и тысячи километров. Меньше его значение в других отраслях народного хозяйства. В металлургии, атомной технике используется и металлический К.

Барий — Ва (56; 137,327).

В химическом отношении Ва активнее Sr и Са, но его геохимическая активность ниже. Для сульфатов щелочно-земельных металлов характерен следующий ряд растворимости: MgS04 (легкорастворим) > CaS04 (труднорастворим) > SrS04 > BaS04 > RaS04- В лабораторной практике барит (BaS04) относится к "нерастворимым солям". При 20°С его растворимость равна 2,3.10"4% (2,3.10"3 г/л), что соответствует 1,35.10~3 г/л Ва. Эти количества значительно превышают обычные его содержания в водах ландшафтов, которые, таким образом, не насыщены баритом. Поэтому миграция Ва вполне возможна в

водах, содержащих небольшое количество S04^_, и только при высокой

концентрации этого иона и при повышенных содержаниях бария происходит осаждение барита.

Кларк бария довольно высок — 6,5.10"^%, среди его соседей по периодической системе и после него нет ни одного столь распространенного элемента. Кларк ближайшего аналога Sr (№ 38) почти в 2 раза ниже. Кларк Ва близок к F (№ 9), превышает S (№ 16).

Особенности химии Ва определяют важнейшие черты его поведения в биосфере — низкую интенсивность миграции в аридных ландшафтах с сульфатными водами (ниже, чем у Sr) и сравнительно высокую в гумидных ландшафтах с гидрокарбонатными водами. Имеет значение и сорбция крупного катиона Ва отрицательно заряженными коллоидами (геохимический барьер G2). Сорбируемость Ва^+ и низкая растворимость барита снижают интенсивность миграции Ва в биосфере и определяют его место в одной группе с К, а не с соседями по Периодической системе — Sr и Са.

Важнейшими геохимическими барьерами для Ва служат биогеохимический (поглощение живым веществом) и сорбционный, локальное значение имеет сульфатный барьер (в морях, подземных водах) (29.12). С последним барьером связаны наиболее крупные концентрации Ва, в том числе промышленные его месторождения.

В живом веществе в среднем 3.10"3% Ва, его биофильность ниже, чем у Са, того же порядка, что у Mg и Sr, больше, чем у Na. Животные им беднее, чем растения. У высших животных и человека барий концентрируется вместе с Са. Особенно его много в пигментной оболочке глаз (до 1% в золе). Известны концентраторы Ва — некоторые травы (астрагалы), морские корненожки. Большинство организмов плохо переносят его избыток, как и другие тяжелые элементы конца Периодической системы, он ядовит для большинства животных.

На баритовых жилах в любых климатических условиях формируются своеобразные геохимические ландшафты. Почвы здесь нередко содержат целые проценты Ва (КК 10 п), травы ядовиты, многие растения болеют от избытка Ва, растет особая "бариевая флора". Такие "бариевые ландшафты" описаны в Миссури, Вирджинии, Теннесси и других штатах США. На одном из полиметаллических месторождений Сибири почвы содержат барит, зола растений содержит до 3% Ва.

В гумидных ландшафтах барий сравнительно подвижен, но все же менее Mg, Са и Sr. Он легко сорбируется органическим веществом, глинами и особенно гидроксидами Мп, содержащими местами до 10% Ва. В аридных ландшафтах Ва малоподвижен и в биологическом круговороте, и в водах. В отличие от Mg, Са и Sr он не участвует в испарительной концентрации в соленых озерах и солончаках.

Океаническая вода в среднем содержит 2.10"^% Ва, что свидетельствует о низкой его талассофильности. Основным источником для океана, вероятно, служило выветривание пород континентов, однако не исключается и роль подводного вулканизма. Но и тот Ва, поступая в морскую воду, геологически быстро извлекался из нее глинистыми илами, а частично и в результате поглощения организмами.

Морская вода в основном не насыщена баритом, но насыщение местами возможно в иловых водах — в океанических осадках встречаются стяжения барита и его конкреции. Они образовались в илах с нормальной соленостью. Значительно менее распространены осадочные породы, почти нацело состоящие из барита. В этих породах он, как правило, не ассоциируется с целестином и другими минералами испарительной концентрации. Характерен парагенезис барита с пиритом, органическим веществом (битумы), местами кальцитом.

По миграции в подземных водах барий более похож на К, чем на Sr, Са и Mg.

Содержание его в водах лимитируется содержанием главного осадителя — SO42". Между этими компонентами наблюдается обратная зависимость. Благоприятны для накопления Ва бессульфатные глеевые глубинные воды хлоридного и гидрокарбонатного состава. В них он, вероятно, поступает из вмещающих пород, возможно, также из вод, захороненных в поровых растворах. При встрече глубинных бессульфатных вод с инфильтрационными водами возникает сульфатный барьер и осаждается барит. Так образовались некоторые баритовые жилы.

Технофильность бария (3.107) ниже, чем у Са, но выше, чем у Mg и К. По технофильности он близок к Ni, Mn, Fe. Промышленность получает его из гидротермальных баритовых жил, реже из жил витерита (ВаСОз). Барит входит в состав глинистых растворов при нефтяном бурении, он применяется в рентгенотехнике (барий хороший поглотитель рентгеновских лучей), при изготовлении резины, бумаги, красок, пластмасс и др. Соли Ва известны как ядохимикаты. В сплавах с металлами в небольших количествах находит применение и металлический Ва. Человечество в основном рассеивает Ва, усиливает процесс, который характерен для биосферы.

Литий — Li (3; 6,941)

Это самый легкий металл. Обладая общими химическими и геохимическими свойствами с другими щелочными металлами, он во многом от них отличается. Сходство с соседом по диагонали — Mg, объясняется строением атома Li. Его внутренняя (гелиевая) электронная оболочка состоит из двух электронов, в то время как остальные щелочные металлы имеют 8-электронную оболочку Ar, Ne и других инертных газов. Такое строение атома определило меньшие размеры иона (Li+) по сравнению с ионами других щелочных металлов. В результате размеры радиусов ионов Li и Mg почти совпали, чем и объясняется сходство их поведения в некоторых системах биосферы. Этот переходный характер Li — от щелочных к щелочноземельным металлам проявляется и в слабой растворимости его карбоната, фосфата и фторида (но хлорид и сульфат — легкорастворимы). Однако слабая растворимость солей не оказывает существенного влияния на миграцию Li из-за его низкого кларка (3,2.10"3%). Воды земной коры, как правило, им не насыщены.

А.И. Гинзбург особенно подчеркивал геохимическую двойственность Li: с одной стороны, это щелочной металл, аналог Na во многих процессах, с другой — в минералах он, как правило, аналог не Na, a Mg, Fe и Al. Следовательно, в природных водах Li — аналог Na, в кристаллах (минералах) — Mg и А1. В биосфере особенно проявляется его сходство с Mg, К, Rb и А1.

Кларк лития в живом веществе 1.10~5%, биофильность его значительно ниже, чем у других щелочных и щелочноземельных металлов, по этому параметру он близок к Fe и Ti. Согласно Боровик-Романовой, в золе растений в среднем 1.10"3% Li, что дает Ах меньше 1. Известны концентраторы лития — "литиевая флора", к которой относятся представители семейств пасленовых, лютиковых, солянок. Формирование этой флоры, вероятно, происходило на засоленных территориях и в других ландшафтах, обогащенных Li. Повышенные количества лития токсичны для животных и человека.

В ландшафтах влажного климата литий энергично мигрирует и выщелачивается из почв. В аридных ландшафтах он участвует в испарительной концентрации, накапливаясь в грунтовых водах, засоленных почвах, растениях солончаков (до 0,1% в золе). Особенно много Li в солончаках и соленых озерах областей молодого магматизма и вулканизма, питающихся глубинными литиеносными термальными водами.

Основным источником лития для океана служат реки и, возможно, подводные вулканы. Его месторождения связаны как с магматическими процессами (пегматиты), так и с биосферой (соляные озера).

Хотя Li открыт еще в 1818 г., его широкое применение началось лишь во второй половине XX в. Это важный элемент атомной техники (производство трития, использование в атомных реакторах и др.), электротехники, металлургии. Используются не только его соединения, но и металлическая форма (в сплавах) и его изотопы — 6Li и Технофильность лития быстро растет.

Рубидий — Rb (37; 85,47)

Несмотря на сравнительно высокий кларк — 1,5.10" Rb не образует собственных минералов и на основе близости ионных радиусов входит в виде изоморфной примеси в полевые шпаты, слюды и другие минералы калия. Это типичный рассеянный элемент. Однако в биогенной миграции Rb не является аналогом К и биогеохимические процессы не благоприятствуют его накоплению. Так, почвы США содержат в среднем 6-8.10"3% Rb (Г. Шаклетт), что составляет 0,4 — 0,5 КК. В живом веществе он еще более рассеян (Ах = 0,0п — 0,п), и лишь бобы сои, некоторые кормовые травы, отдельные сорта винограда концентрируют Rb (А. Кабата-Пендиас и Г. Пендиас, Н.Ф. Мырлян). В водах биосферы, напротив, Rb аналогичен К, но в связи с большими размерами иона еще легче поглощается глинами. Поэтому, хотя соли Rb растворимы лучше солей К, интенсивность его водной миграции ниже.

В ноосфере рубидий пока используется слабо, технофильность его очень низкая, для него характерна та же тенденция, что и в земной коре, и в биосфере — рассеяние. ТЭЦ, работающие на минеральном топливе, служат источником загрязнения рубидием.

Бериллий — Be (4; 9,0121)

Это наиболее легкий металл второй группы Периодической системы. По химическим свойствам, как и его соседи по второму периоду — Li и В, Be существенно отличается от Mg, Са и других элементов второй группы, имея ряд общих черт по диагонали с элементом третьей группы — А1. Малый ионный радиус не позволяет Be изоморфно замещать другие катионы второй группы, он также обладает значительно более слабыми щелочными свойствами, чем Mg и Са, занимая по щелочности промежуточное положение между Mg и А1. Отмечаются также общие черты геохимии Be и Zn, что объясняется строением их атомов. А.Е. Ферсман подчеркивал большую геохимическую близость Be и Cd. В сильнокислых водах Be катионогенен и представлен кислородными соединениями, в сильнощелочных ведет себя как анионогенный элемент, образуя растворимые комплексы с F-, СО2"? (например,Be (СОз)22"). Бериллий — типичный редкий и рассеянный элемент с кларком3,8.10"4%. БОЛЬШИНСТВО его минералов образуется в условиях высоких температур, он накапливается в кислых магматических породах.

В биосфере бериллий преимущественно рассеивается. Только в корах выветривания бериллиевых месторождений обнаружены редкие фосфаты Be. В сильнокислых рудничных водах сульфидных месторождений интенсивность миграции Be повышается. Воды некоторых ртутных, медноколчеданных и других гидротермальных месторождений несколько обогащены Be. Особенно энергично он мигрирует при наличии в рудах пирита и флюорита (окисление пирита поставляет в воды серную кислоту, которая, взаимодействуя с флюоритом, дает фтористоводородную кислоту — энергичный агент разложения бериллиевых минералов). Осаждение Be из кислых растворов зоны окисления возможно в результате его сорбции гидроксидами железа. Из сильнокислых растворов при повышении рН до слабокислых и нейтральных значений Be осаждается фосфатным ионом. На этом щелочном фосфатном барьере D1, вероятно, он накапливался в древних корах выветривания. Повышено его содержание и в фосфоритах, ископаемых костях. Осаждение Be из вод связано с его сорбцией глинами, гидроксидами железа и другими тонкодисперсными минералами. Осадителем может быть и органическое вещество.

Биофильность Be низкая, для многих видов он ядовит. У животных при повышенном потреблении Be поражается костная система. Реагируют на его концентрацию и растения, однако для них он, вероятно, менее токсичен, так как на бериллиевых месторождениях отдельные виды содержат в золе до 1% этого металла.

Характерна слабая систематическая дифференциация Be по видам, родам и семействам растений. Более контрастно его распределение по их органам — накопление преимущественно в корнях.

Как и в других системах земной коры, в биосфере бериллий более похож на А1, чем на Mg и Са. Наиболее энергично он мигрирует в ландшафтах влажных тропиков и субтропиков, накапливаясь в болотных почвах, о чем свидетельствуют его аккумуляции в некоторых углях — до 0,1 — 1,0% и бокситах (особенно если в области сноса распространены гранитоиды и другие породы, обогащенные этим металлом). Распределение Be в почвах фоновых ландшафтов малоконтрастно. Так, в почвах России, Казахстана и Средней Азии его содержание обычно колеблется от 1,12 до 1,3.10~3%, в почвах Сибири от 0,2 до 0,7.10~3%; среднее содержание Be в почвах Англии 0,27.10"^% (Ковалевский, Ковалевская; Ure, Baron). Наблюдается слабая тенденция к аккумуляции Be в гумусовых горизонтах.

Подобно алюминию в аридных ландшафтах бериллий менее подвижен, чем в гумидных, он не участвует в испарительной концентрации и галогенезе.

В ноосфере Be еще более рассеивается, чем в земной коре. Его соединения ядовиты (бериллиевая пневмония, бериллозы), что требует особых мер по технике безопасности при производстве этого металла. Загрязнение ландшафтов Be — актуальная экологическая проблема, важная для городских, горнопромышленных и агроландшафтов. В районах бериллиевых месторождений встречаются почвы с повышенным содержанием этого элемента и травоядные животные болеют там бериллиевым рахитом.

Аквамарин, изумруд и другие минералы бериллия известны с глубокой древности как драгоценные камни. Они добывались во многих странах, в том числе в Средней Азии и на Урале. Однако металлический бериллий был получен лишь в 1828 г. и только в 1930 г. началось его промышленное использование. Ныне Be — металл атомной техники и электроники, сплавы с его добавлением применяются в самолетостроении,электротехнике.

Цезий — Cs (55; 132,905)

Этот элемент обладает наиболее выраженными щелочными свойствами. И в химическом, и в геохимическом отношении он больше всего похож на Rb, его соли также легкорастворимы, что, как и у Rb не влияет существенно на миграцию в биосфере. Катион Cs обладает наибольшим радиусом среди других простых катионов. А.Е. Ферсман подчеркивал исключительную склонность Cs к рассеянию, отмечал его нечетность — особенность, характерную именно для рассеянных элементов (нечетность порядкового номера, атомной массы, валентности, группы Периодической системы).

Кларк цезия 3,7.10"4%. Как и Rb, это элемент земной коры и кислых пород. Известны лишь два его минерала, оба крайне редкие. Крупные ионы Cs+ изоморфно замещают К и Rb в полевых шпатах и слюдах. Среди щелочных металлов Cs отличается наименьшей интенсивностью водной миграции, он особенно легко переходит из природных вод в твердую фазу. Живое вещество не играет роли в его концентрации, не типичны и нерастворимые минералы. Поэтому единственным механизмом извлечения Cs из вод биосферы является сорбция глинистыми минералами. В ноосфере цезий пока используется слабо. При ядерных взрывах, авариях АЭС в ландшафты поступает очень опасный для здоровья радиоактивный 137cs> которого не знала биосфера, что используется для абсолютного датирования современных донных отложений (J.E.M. Beurskens, Н. Winkels и др.).

Таллий — Т1 (81; 204,38)

Это редкий и рассеянный элемент, наиболее тяжелый металл третьей подгруппы Периодической системы, химический аналог Al, Ga, In. Однако высшая валентность Т1 (+3) не характерна для земной коры, во многих системах он ведет себя как щелочной металл — аналог Rb (их ионные радиусы одинаковы) и К. Но в отличие от щелочных металлов сульфид таллия (TI2S) труднорастворим, что указывает не только на литофильность, но и на халькофильность элемента.

Кларк таллия 1.10"4%, в изверженных породах почти все его атомы сосредоточены в полевых шпатах и слюдах, в которых таллий (Т1+) изоморфно замещает Rb и К. Все семь его минералов очень редкие.

Условия для существования трехвалентного Т1 возникают только в резкоокислительной щелочной среде, например в пустынях, где в зоне окисления сульфидных руд обнаружен авиценнит (TI2 О3).

Как и другие элементы конца Периодической системы (Pb, Hg, U), Т1 ядовит для большинства организмов и, вероятно, характеризуется низкой биофильностью. Он используется для приготовления гербицидов, крысиного яда, его препараты применяются для уничтожения волос (депилирующие средства).

Таллий не концентрируется биогенным путем, хотя возможность существования организмов, адаптированных к нему, не исключается. Из природных вод Т1 сорбируется углями, глинами, гидроксидами марганца, концентрируется при испарении. Золы некоторых углей Таджикистана, Киргизии, Сахалина, Донбасса, Урала содержат до 0,01 — 0,1% Т1. В углях наиболее обогащены им сульфиды железа. Таллий мог накопиться в эпоху углеобразования в результате сорбции его органическим веществом и осаждения на сероводородном барьере, но мог осаждаться и из подземных вод. Аккумуляцию Т1 в углях связывают с его повышенным содержанием в породах питающей провинции.

Талассофильность Т1 низкая, он не концентрируется в морской воде и в результате сорбции переходит в глинистые илы, марганцевые конкреции. При испарении морских вод в лагунах Т1 осаждается вместе с К и Rb, калийные соли нередко обогащены этим металлом.

В ноосфере таллий используется в сельском хозяйстве (ядохимикаты), в фотоэлементах, сплавах, в нефтехимии, при изготовлении оптических стекол. Пока технофильность его низкая, близка к Rb. Основным источником Т1 являются свинцово-цинковые гидротермальные руды. Человеческая деятельность усиливает тенденции, характерные для миграции Т1 в земной коре — в ноосфере этот рассеянный элемент еще больше рассеивается.

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