 |
|
|
ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА |
Глава 30. ХАЛЬКОФИЛЬНЫЕ И СИДЕРОФИЛЬНЫЕ ВОДНЫЕ МИГРАНТЫ
|
Смотрите также:
История атомов и география - Перельман
Биографии геологов, почвоведов
|
Катионогенные элементы подвижные и слабоподвижные в окислительной и глеевой обстановках, инертные в восстановительной сероводородной среде — Zn, Си, Ni, Pb, Cd, Jn, Hg, Ag, Bi
ЭТИ элементы имеют общие особенности строения атомов, концентрируются вместе с серой в гидротермальных месторождениях. В.М. Гольдшмидт назвал такие элементы (кроме Ni) халькофильными — с выраженным сродством к сере.
Для халькофилов характерны неионные связи, поэтому ионная концепция и понятие о радиусах ионов для анализа их миграции значительно менее применимы, чем при изучении геохимии литофилов. Все халькофильные металлы обладают большой способностью к концентрации в глубоких частях земной коры— поясе гидротермальных процессов. В биосфере они в основном рассеяны, многие сильно ядовиты (особенно Hg, Pb, Cd). Это обусловило острые проблемы загрязнения ноосферы халькофилами.
Цинк — Zn (30; 65,39) Кларк Zn 8,3.10"3%. Известно 66 его минералов, важнейшие из них — сфалерит (ZnS) и смитсонит (ZnCC>3). Основные изверженные породы слабо обогащены Zn (8 — 12.10"3%), кислые — обеднены (4 — 6.10-3%).
Цинк в биосфере. Биофильность Zn наивысшая среди халькофильных металлов, она лишь немного ниже, чем у К и Са, превосходит Mg и Na. Валентность Zn постоянная, и поэтому главное влияние на его миграцию оказывают изменение щелочно-кислотных условий и сорбционные процессы. Существенно также значение гидролиза и комплексообразования.
В почвах со слабощелочной реакцией Zn малодоступен растениям. Поэтому, например, дерново-карбонатные почвы на известняках нуждаются в цинковых микроудобрениях. Бедны Zn и песчаные почвы. В Калифорнии в таких районах известна "розеточная болезнь" у плодовых деревьев, полностью излечиваемая применением цинковых удобрений. Дефицитом Zn там обусловлены также болезни грецкого ореха, тунга, кукурузы. Болеют организмы и от избытка Zn.
В поверхностных водах среди микроэлементов Zn занимает второе место после Мп. По C.J1. Шварцеву, воды зоны гипергенеза содержат в среднем 34 мкг/л Zn, по Муру и Рамамурти в незагрязненных пресных водах растворено от 0,5 до 15 мкг/л Zn. Формы миграции Zn разнообразны. В кислых и слабокислых водах гумидных ландшафтов он мигрирует в виде катиона Zn2+, в виде гидроксокатиона ZnOH+, в органо-минеральных комплексах с гуминовыми и фульвокислотами. В почвах здесь выше доля его растворенных форм (до 40 — 60%). В некоторых ландшафтах отмечены анионные формы миграции. В щелочных водах аридных ландшафтов Zn менее подвижен из-за плохой растворимости карбонатных соединений. В аридных и горных областях резко возрастает (до 80 — 90%) доля взвешенных форм миграции Zn, среди которых существенны поверхностно- сорбированные формы на глинистых частицах, гидроксидах Fe, Мп, органических коллоидах.
Высокая биофильность и подвижность в природных водах определили важное физиологическое значение цинка для человека, животных и растений. Цинк участвует в углеводном и белковом обмене, окислительных процессах, связан с деятельностью ферментов и гормонов, является составной частью многих энзимов, участвует в синтезе РНК и ДНК. Относительно много его в печени, половых органах, мышцах, костях, в яде змей.
Среднее содержание Zn в поверхностном горизонте почв различных стран 6 — 7.10"3% (А. Кабата-Пендиас, Г. Пендиас, В.А. Петрухин и др.), т.е. немного меньше кларка. Адсорбция Zn минеральными и органическими коллоидами, биогенная аккумуляция определили биоаккумулятивное и элювиально- иллювиальное распределение его в лесных почвах. Биогенная аккумуляция валового (R = 1,5 — 3) и подвижного (R = 2 — 5) Zn в гумусовых горизонтах лесостепных и степных почв установлена Н.С. Касимовым и О.А. Самоновой. В целом в нейтральных и слабощелочных почвах он малоподвижен. В соляных озерах и солончаках возможна его слабая испарительная концентрация. В сероводородной среде цинк осаждается на сульфидном барьере В. Наибольшее влияние на миграцию Zn в почвах оказывает содержание оксидов железа и алюминия, глинистых минералов {сорбционный барьер — G), биогеохимический барьер и величина рН {щелочной барьер — D).
Фоновое содержание Zn в золе растений континентов, по В.В. Добровольскому, равно 100.10"3%, а по А. Кабате-Пендиас колеблется в интервале 50 — 320.10"^% (в пересчете на 5%-зольность), что дает средний кларк концентрации (Ах) 10 — 30. Это позволяет отнести Zn к элементам среднего и интенсивного накопления. В деревьях (особенно листьях) Zn больше, чем в травах. Концентрируют цинк береза, осина, салат-латук, сахарная кукуруза, мхи, лишайники, некоторые водные растения. На цинковых месторождениях растет особая "галмейная" флора. Между содержаниями Zn в растениях и обогащенных им почвах для большинства видов существует прямая зависимость (безбарьерное поглощение, по A.J1. Ковалевскому). Интенсивность поглощения Zn растениями выше на кислых почвах, где он находится главным образом в катионной форме (Zn2+).
Цинк в ноосфере. В силу своей подвижности Zn является одним из наиболее распространенных загрязнителей окружающей среды. Поступление Zn от техногенных источников в семь-восемь раз больше, чем от природных — эрозии и дефляции почв, с растительной продукцией, ионным стоком. Почти половина цинка поступает при добыче и переработке цветных и черных металлов, сжигании древесины и отходов. Технофильность цинка высокая (4.108), но все же немного ниже, чем у других цветных металлов.
Техногенные аномалии цинка в почвах, растениях и донных отложениях контрастны и занимают значительную площадь. По контрастности аномалий в твердофазных выпадениях (Кс = 100 — 200) он занимает пятое место после W, Cd, Sb и Hg, опережая такие приоритетные загрязнители, как Pb, Сг и Ni (Ю.Е. Сает, Р.С. Смирнова). В почвах и донных отложениях аномалии менее контрастны, что связано с подвижностью Zn в ландшафтах и его миграцией за пределы аномальных зон (Кс = 5 — 10, хотя локально встречаются и более высококонтрастные аномалии).
Медь — Си (29; 63,546) В земной коре Си находится в одновалентном (Си+), двухвалентном (Си2+) и самородном состоянии (Си0). В биосфере наиболее распространены соединения двухвалентной меди. Медь образует 198 минералов, среди которых в земной коре преобладают сульфиды (халькопирит, халькозин, ковеллин и др.). Поливалентность определяет большое влияние окислительно- восстановительных условий на миграцию и концентрацию Си. Важнейшим осадителем Си из вод служит сероводород, она накапливается в восстановительной обстановке {сероводородный — В, глеевый — С геохимические барьеры). Сульфиды Си труднорастворимы, что имеет огромное геохимическое значение: осаждение Си сероводородом широко распространено и привело к образованию крупных месторождений и мелких концентраций. Наряду с сульфидами среди ее минералов характерны силикаты, фосфаты, карбонаты (малахит, азурит) и сульфаты. Медь — один из наиболее геохимически изученных элементов, ее кларк 4,7.10"3%, повышено содержание в основных и средних породах, понижено — в карбонатных.
Медь в биосфере. Среди металлов Си — один из лучших комплексообразователей. Из неорганических комплексов преобладают СиОН+ и [Си(ОН)2]°, в присутствии органических веществ образуются прочные фульватные и гуматные органоминеральные комплексы (П.Н. Линник, Б.И. Набиванец; Y.O. Nriagu и др.). Важна роль коллоидной миграции. Обладая хорошими адсорбционными свойствами, Си легко сорбируется из вод глинистыми и органическими коллоидами, гидроксидами железа и марганца (сорбционные барьеры — G). Особенно высоким сорбционным сродством к Си обладает двуокись Мп, с чем связано накопление Си в марганцевых конкрециях, пленках, дендритах (до нескольких десятков КК). Адсорбция на коллоидах определяет преобладающее значение (50 — 80%) взвешенных форм миграции Си в реках, хотя в равнинных реках значительна роль и растворенных форм.
В кислых водах наиболее часты катионные формы двухвалентной меди (Си2+), в слабокислой и нейтральной среде часть Си находится в виде гидроксокомплекса [СиОН] + , в щелочных водах образуются карбонатные анионные комплексы [Cu(C03)2]2".
Биофильность меди значительная, больше, чем у многих тяжелых металлов (0,04). В растениях она способствует синтезу белков, фотосинтезу. Среднее содержание Си в золе растений континентов 20 — 25.10"3%, или 10 — 15 мг/кг на сухое вещество (В.В. Добровольский, А. Кабата-Пендиас, Н. Bowen, В.А. Петрухин и др.). Это соответствует 4 — 5 КК, что определяет возможность ее биогенной аккумуляции в почвах. Больше Си в бобовых, сложноцветных и лишайниках, меньше — в деревьях, злаках, однако дифференциация по родам и видам не велика. Так, в золе растений различных семейств Казахстана кларки концентрации Си колеблятся от 1 до 2,5 — 3.
Фоновые содержания Си в почвах обычно меньше кларка и для валовой формы составляют 20 — 30 мг/кг (Кабата-Пендиас, Петрухин и др.).
У животных медь участвует в кроветворении, входит в состав ферментов. Кровь моллюсков, пауков, раков и некоторых других беспозвоночных голубая, ее красящий пигмент гемоцианин содержит Си. Дефицит и избыток Си установлен и у растений, и у животных.
Наиболее энергично Си мигрирует в сернокислых ландшафтах, например, на участках зон окисления сульфидных руд, где образуется ее легкорастворимый сульфат — медный купорос (CUSO4). Поэтому здесь распространены купоросные ручьи и озера с водой зеленовато-голубого цвета, рН 1,5 — 3,5, содержанием Си до 20 мг/л (например, в районе Гайского месторождения на Южном Урале, рудопроявления Жорга в Центральном Казахстане и др.). Однако такая миграция непродолжительна: уже на расстоянии нескольких сот метров сернокислые воды нейтрализуются и на щелочном барьере Dl — D2 осаждаются вторичные минералы Си. Она также сорбируется глинами, гидроксидами марганца, гумусом (сорбционный барьер Gl — G2). В результате образуются аномалии Си в почвах, континентальных отложениях, растениях. Медь здесь активно вовлекается в биологический круговорот, появляются организмы, обогащенные Си и другими халькофильными металлами. Однако контрастность биогеохимических аномалий Си у большинства видов растений, как правило, невелика, т.к. в пределах аномальных зон они поглощают Си по барьерному типу — высокие содержания в почвах n породах не сопровождаются адекватным увеличением ее содержания в растениях (A.J1. Ковалевский). Лишь отдельные виды поглощают Си по безбарьерному типу — полевица белая, кровохлебка, вейник, узлы стеблей и корни трав, кора березы и лиственницы, мхи и лишайники (М.А. Глазовская, А.Л. Ковалевский).
В гумидных ландшафтах со слабокислыми водами миграция Си значительно слабее из-за невысокой ее подвижности в кислородных водах, активной сорбции органическим веществом и глинистыми частицами. Медь здесь частично выщелачивается из почв, в почвах подзолистого ряда установлено элювиально- иллювиальное ее распределение, особенно характерное для подвижных воднорастворимых, органо-минеральных, непрочносорбированных форм (для валовых содержаний R обычно не более 1,5, для подвижных форм — 1,5 — 2,5).
Систематическое положение растений слабо влияет на поглощение меди. Исследования М.А. Мальгина на Алтае показали, что в древесных и травянистых растениях содержания Си близки (соответственно в среднем для листьев 8,4 и 9,1 мг/кг на сухое вещество). Среди деревьев и кустарников слабыми концентраторами (примерно в 1,5 раза) являются калина обыкновенная, береза бородавчатая, осина обыкновенная, а среди трав — виды из семейств лютиковых (борец высокий, пион уклоняющийся, лютик едкий) и лилейных (чемерица белая, купена лекарственная).
Особенно бедны медью торфяники, почвы на флювиогляциальных и аллювиальных песках. Например, в Белорусском Полесье содержание Си в почвах не превышает 10 мг/кг, что в 5 раз меньше кларка литосферы. В таких ландшафтах животные и растения болеют, эффективны медные удобрения и медная подкормка. На осушенных торфяниках из-за дефицита Си развивается "белая чума" (хлороз, подсыхание листьев и другие симптомы), которую ликвидируют медные удобрения.
В степных и пустынных ландшафтах с нейтральными и щелочными водами и почвами Си малоподвижна. Это определяет более высокие ее содержания в черноземах и каштановых почвах. Так, в черноземах Среднерусской возвышенности, Казахстана, Западной Сибири и Алтая Си в 3 — 4 раза больше, чем в Полесье. Распределение Си в степных почвах равномерное, иногда отмечается слабая биогенная аккумуляция (R 1,3 — 1,5) и сорбция подвижных форм в гумусовом горизонте. В солонцах установлена ее концентрация в иллювиальных (солонцовых) горизонтах (В.В. Добровольский, Н.С. Касимов и ДР-)-
В ландшафтах кальциевого класса латеральная миграция меди слабая. В содовых ландшафтах (лугово-болотных, солонцовых, солончаковых) подвижность Си возрастает, она активнее участвует в биологическом круговороте, появляются растения-концентраторы меди — полыни, некоторые виды маревых, она начинает накапливаться в почвах подчиненных ландшафтов. Так, в содово-солончаковых ландшафтах на юго-западе Центрального Казахстана коэффициент латеральной дифференциации (L) валовой Си достигает 5 — 8, а подвижной — 8 — 15 (Н.С. Касимов). При этом, как показали исследования в заповеднике "Михайловская целина", баланс форм нахождения меди в подчиненных лугово-болотных почвах по сравнению с автономными черноземами и каштановыми почвами изменяется в сторону уменьшения сорбированных (с 55 — 60% до 20%) и возрастания органо- минеральных форм Си (с 35 — 40% до 75%).
Медь в ноосфере. Медь — один из древнейших и важнейших металлов цивилизации, с очень высокой технофильностью (1.109). Источники поступления Си в ландшафты — разработка сульфидных медных месторождений, производство цветных металлов, электротехническая промышленность, городские сточные воды, медные биоциды. Она является одним из основных поллютантов.
По сравнению с другими элементами глобальный баланс меди один из наиболее сильно измененных техногенезом. По расчетам А.Х.Остромогильского и др., в 1990 г. поступление Си в океан с речным стоком и из атмосферы достигло 300 тыс. т/год, из которых треть антропогенного происхождения. Как Fe, Mn, Zn и Сг, Си большей частью связана с крупнодисперсным аэрозолем (А.З. Миклишанский). Поэтому дальность атмосферного переноса Си от техногенных ИСТОЧНИКОВ, как правило, невелика и составляет первые километры, в пределах которых она накапливается в верхних горизонтах почв и растениях. Коэффициенты техногенной концентрации (Кс) по сравнению с фоном для природных сред по различным источникам ориентировочно приведены в таблице 30.1.
Таким образом, наиболее контрастные техногенные аномалии образуются в компонентах, обогащенных подвижными формами Си: атмосферных осадках, поверхностных водах, растениях. В почвах и донных отложениях Си концентрируется как в валовой, так и подвижной формах. В донных отложениях зоны влияния промышленных городов образуются техногенные потоки рассеяния. По Ю.Е. Саету и Е.П. Янину, аномалии Си в них имеют среднюю контрастность — Кс 5 — 20, увеличиваясь до 25 — 30 в городах с тяжелым машиностроением, электротехнической и химической промышленностью.
В агроландшафтах медные препараты используются для борьбы с вредными насекомыми. Они широко применяются для опрыскивания виноградников, что создает опасность медного загрязнения почв, растений и вод. В Молдове для борьбы с медным загрязнением Н.Ф. Мырлян предложил создавать на пути миграции сульфатов Си искусственные карбонатные геохимические барьеры.
Никель — Ni (28; 58,69) Кларк Ni 5,8.10"3%, это сидерофильный элемент земных глубин. Из 53 его собственных минералов большинство образовалось из магм и гидротерм. Наиболее высокие содержания Ni в ультраосновных породах (20 — 30 КК), в кислых породах его мало (0,1 — 0,3 КК). Среди осадочных пород больше в глинах и сланцах (1 — 2 КК) и значительно меньше в песчаниках, известняках и доломитах (0,1 — 0,3 КК). В земной коре он образует силикаты, карбонаты, оксиды, сульфиды и арсениды. При выветривании сорбируется глинами, оксидами Fe и Мп.
Никель в биосфере. Биофильность Ni довольно низкая, но все же больше, чем у его главного спутника — Fe. Среднее содержание Ni в золе наземных растений близко к его кларку в литосфере или немного ниже (3 — 5.10"3%). В фоновых условиях систематическое положение слабо влияет на поглощение Ni растениями.
В биосфере наиболее распространены соединения, в которых он находится в форме катиона. В сильнощелочной окислительной среде возможна и более высокая степень окисления +3. Никель обладает средними комплексообразующими свойствами, в основном образуя комплексы с низкомолекулярными органическими веществами. Из вод Ni2+ адсорбируется гидроксидами Fe и Мп, глинистыми илами. В поверхностных водах подавляющая часть Ni переносится во взвешенном состоянии, в озерах и водохранилищах существенное значение приобретают и растворенные формы. Например, в Волжских водохранилищах доля растворенных форм достигает 50 — 70%.
В почвах мира содержание никеля примерно в 1,5 — 2,5 раза меньше кларка и, по X. Шаклетту и Дж. Борнгену, составляет в среднем 2.10_3%. Интервал фоновых содержаний 1,5 — 5.10~3% или несколько выше. Сумма подвижных форм обычно не превышает 20 — 30% от валового содержания.
В гумидных ландшафтах Ni мигрирует слабее, чем многие другие тяжелые металлы из-за его связывания глинами, оксидами Fe и Мп, органическим веществом и сравнительно малой доли подвижных форм. Содержание Ni в ландшафтах зависит от литологии пород, меньше всего Ni (0,2—0,3 КК) в таежных ландшафтах на песках (Мещера, Полесье).
Коэффициенты биологического поглощения в растениях обычно меньше 1, что определяет отсутствие или слабую биогенную аккумуляцию его в верхних горизонтах почв. Деревья богаче Ni, чем травы (за исключением лишайников). По И.Г. Побединцевой, среднее содержание Ni в золе трав Тульских засек 5,1.10~3%, а в золе деревьев — 11.10~3%. Слабыми концентраторами являются сосна, дуб, береза, осина.
В профиле почв как валовой, так и подвижный Ni распределены не контрастно, лишь в иллювиальных горизонтах местами он слабо накапливается (R обычно не более 1,5). Латеральная миграция более контрастна: Ni выносится из кислых почв и может накапливаться в донных отложениях местных водоемов (L = 1,5 — 3).
На ультраосновных породах формируются природно-аномальные "никелевые" ландшафты. В почвах и породах здесь содержится до 20 — 30 КК Ni, растения его интенсивно поглощают, что может закрепляться наследственностью. Так, в ландшафтах на ультраосновных породах Восточной Кубы особенно сильными концентраторами Ni являются эндемичные виды растений (М. Бойо). Коэффициенты биологического поглощения здесь почти на порядок больше, чем в ландшафтах с околокларковыми содержаниями металла. Радиальная дифференциация Ni в ландшафтах ультраосновных массивов носит ярко выраженный литогенный характер — с максимумом в почвообразующей породе. Латеральная миграция в этих ландшафтах малоконтрастна (И.П. Гаврилова, И.Г. Побединцева).
В степных и пустынных ландшафтах содержание Ni в почвах также определяется специализацией почвообразующих пород и, как правило, близко к кларку. В нейтральной и слабощелочной среде он малоподвижен, в растениях не накапливается (КК = 0,3 — 0,7). Однако некоторые древесные породы (береза, сосна), как и в гумидных ландшафтах, обогащены Ni (КК = 1,2 — 1,5). В черноземах, каштановых почвах и солонцах Ni (особенно ЭДТА-растворимые формы) слабо концентрируется в иллювиальных текстурных и карбонатных горизонтах (R = 1,2 — 1,8). Латеральная дифференциация Ni в степях и пустынях слабая. На возможность более активной миграции в сильнощелочной среде (возможно в форме [№(ОН)з]-) указывает его аккумуляция (КК = 2 — 3) в некоторых видах растений на солонцах (Т.М. Белякова, А.Н. Гусейнов).
Никель в ноосфере. Никель токсичный и канцерогенный элемент у животных. Он влияет на поглощение железа и кроветворение, связывается в ферментах. Избыток элемента отрицательно влияет на печень и почки, вызывает профессиональные раковые заболевания. Источником Ni служат добыча сульфидных и силикатных никелевых руд, производство сплавов и гальваника, химическая промышленность, производство аккумуляторов, сжигание мазута и др. В последние десятилетия производство и потребление Ni опережало рост населения. Техногенная эмиссия на 180% превышает природную поставку никеля с эрозией, дефляцией, речным стоком, что делает его одним из опасных загрязнителей.
Воздушная миграция техногенного Ni ограничивается его преимущественной концентрацией в средне- и крупнодисперсном аэрозоле. Поэтому в рядах зональности выпадений из атмосферы, по Ю.Е. Саету, техногенные аномалии Ni характерны для внутренних зон вокруг источника загрязнения в радиусе 2 — 3 км.
Контрастность техногенных аномалий Ni в воздухе, атмосферных осадках, поверхностных водах, донных отложениях и почвах, как правило, меньше, чем у других тяжелых металлов и составляет п — 10п (табл. 30.2). В техногенных ландшафтах максимальные содержания установлены в донных отложениях городов с многопрофильной, особенно химической, промышленностью, водотоках, дренирующих свалки промышленных и бытовых отходов, где Кс достигает нескольких десятков единиц. В отличие от фоновых вод, в которых Ni мигрирует в основном со взвесью (50 — 70%), в техногенных ландшафтах доля взвеси уменьшается до 30 — 40% (Е.П. Янин, Ю.Е. Сает). Так, в г. Тольятти (Ставрополь-на-Волге) вокруг азотных заводов установлены контрастные техногенные ореолы растворенного Ni в снеговых водах (30.1).
"Никелевые" города — Мончегорск, Норильск, Орск, а также центры черной металлургии, тяжелого машиностроения и химической промышленности — Донецк, Запорожье, Актюбинск, Мариуполь, Ставрополь-на-Волге (в Канаде — Садбери и др.). По А.В. Дончевой, вокруг комбината "Североникель" в радиусе 3— 5 км сформировались техногенные модификации северотаежных ландшафтов с содержаниями Ni, превышающими фоновые значения в десятки и сотни раз (30.2). Это ведет к угнетению растений, почвенной мезофауны и микроорганизмов. Воздействие комбината на ландшафты проявляется в радиусе 15 — 18 км.
|
|
|
|
К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов
|
Последние добавления:
Шаубергер Виктор – Энергия воды
Агрохимик и биохимик Д.Н. Прянишников
Тюрюканов. Биогеоценология. Биосфера. Почвы