Глава 30. ХАЛЬКОФИЛЬНЫЕ И СИДЕРОФИЛЬНЫЕ 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

Катионогенные элементы подвижные и слабоподвижные в окислительной и глеевой обстановках, инертные в восстановительной сероводородной среде — Zn, Си, Ni, Pb, Cd, Jn, Hg, Ag, Bi

Ртуть — Hg (80; 200,59)

Это один из самых редких элементов — по различным оценкам кларк Hg составляет 3 — 9.10"^%. Более высокие концентрации характерны для осадочных пород — глин, сланцев (до 40.10"6%). В большинстве природных объектов Hg рассеяна и только из гидротерм образуются месторождения, приуроченные главным образом к ртутно-сурьмяным провинциям Средиземноморского и Тихоокеанского рудных поясов. Ртуть — халькофил, из 16 ее минералов наиболее распространена киноварь (HgS). По сравнению с другими тяжелыми металлами важную роль в геохимии Hg играет миграция в газообразом состоянии.

А.А. Сауков предположил, что благодаря упругости паров Hg вокруг ртутных и ртутьсодержащих месторождений образуются ее газовые ореолы. Этот прогноз подтвердился, высокочувствительные методы определения паров Hg позволили быстро производить измерения на больших площадях. Ртутные фотометры установлены на автомашинах, имеются и пешеходные их варианты. Доказано, что в газовых ореолах Hg может быть в атомарном состоянии, в форме сульфидов, различных комплексов хлоридов, ртутьорганических соединений (метилртуть). Ртутные газовые ореолы формируются и в отложениях, перекрывающих рудные тела. Поэтому поверхностные газортутные съемки эффективны при поисках погребенных руд многих металлов. Эти методы могут использоваться и при поисках нефти.

Ртуть в биосфере. Источником Hg для биосферы служат мантия, магма и горные породы земной коры, из которых она возгоняется при нагревании. По зонам глубинных разломов, рифтам, через вулканы ртутьсодержащие газы поступают в ландшафты. Разработана методика индикации глубинных разломов, прогнозирования землетрясений, поисков ртутных и других месторождений по ореолам Hg в почвенном и приземном воздухе. "Ртутное дыхание земной коры" — важное научное открытие Н.А. Озеровой, А.И. Фридмана и В.З. Фурсова.

В природе для ртути Hg характерны элементарная, одно- и двухвалентные формы, которые зависят от рН и Eh среды. В окислительной нейтральной и слабощелочной обстановке преобладает Hg2+, в кислых восстановительных условиях начинает доминировать элементарная Hg. Важнейшими особенностями геохимии Hg являются образование соединений с серой, органо-минеральных комплексов, летучесть элементарной ртути, метилирование — перевод элементарной Hg абиотическим путем и микроорганизмами в более подвижные органоминеральные и неорганические формы. В широком диапазоне рН преобладают катионные и нейтральные формы Hg. Ртуть — хороший комплексообразователь, особенно велика роль гумусовых кислот. По устойчивости гуматных и фульватных комплексов Hg занимает первое место среди тяжелых металлов.

В природных водах Hg мигрирует в растворенной и взвешенной формах, данные об их соотношении противоречивы. По Е.П. Янину, среди тяжелых металлов Hg отличается высокой долей истинно растворимых форм. В то же время адсорбция на коллоидных частицах способствует переносу во взвешенном состоянии, что особенно характерно для загрязненных водоемов, где доля взвешенных форм достигает 80 — 90%. Фоновые содержания растворенной Hg в пресных поверхностных водах составляют 0,05 — 0,1 мкг/л, а взвешенных форм — 0,1 — 0,2 мг/кг (табл. 30.7).

Как и другие элементы конца Периодической системы, ртуть ядовита. Благодаря подвижности она до определенных пределов легко поглощается растениями и по биофильности близка к другим халькофилам — Си, РЬ. Фоновое содержание Hg в наземных растениях колеблется в широком диапазоне, но, по-видимому, не превышает 0,1 мг/кг сухой массы. В зерне злаковых культур в среднем 0,01 мг/кг Hg (А. Кабата-Пендиас).

Кларк Hg ртути в почвах мира составляет 0,05 — 0,1 мг/кг (X. Шаклетт, А. Кабата- Пендиас и др.), что дает достаточно высокий коэффициент биологического поглощения (кларк концентрации в золе), близкий к 10. Это определяет возможность биогенной аккумуляции Hg в гумусовых горизонтах, т.е. не все ее концентрации в почвах имеют техногенное происхождение. В донных осадках незагрязненных водоемов содержание Hg примерно равно или несколько выше кларка почв — 0,1 — 0,2 мг/кг (У. Фёрстнер, Е.П. Янин).

Ртуть в ноосфере. Токсичность Hg, ее повсеместное распространение в промышленных и урбанизированных районах, разнообразие форм нахождения и источников загрязнения определили интерес к ее геохимии в ноосфере.

Оценки соотношения природных и техногенных источников Hg противоречивы. По Е.П. Янину, от дегазации горных пород и почв, выветривания, вулканической деятельности, эрозии, пожаров и др. природных источников ежегодно поступает 40 — 50 тыс. тонн, а от выплавки Hg, химической, электротехнической, приборостроительной промышленности и др. техногенных источников — 19 — 29 тыс. тонн. Природные процессы определяют глобальный круговорот Hg, техногенез — локальный и региональный, ведущие к загрязнению ландшафтов. Максимальные концентрации Hg в пылевых выбросах характерны для коксохимического производства, изготовления масляных красок (п. 1000 кларков концентрации) и особенно для промышленных площадок заводов по производству карбида кальция, ацетилена, ацетальдегида (до миллиона кларков концентрации в г. Темиртау). Значительная часть Hg в аэрозолях сосредоточена в паро-газовой фракции, поэтому лишь 5 — 10% ее выброса оседает в радиусе 3 — 5 км от заводов и почти 60% выпадает на удалении 70 — 100 км (Е.П. Янин). Контрастность ореолов рассеяния Hg вокруг других производств обычно не превышает нескольких десятков или первых сотен кларков концентрации.

Контрастные техногенные ореолы Hg образуются во всех компонентах ландшафта — воздухе, атмосферных осадках, водах, снеге, почвах, растениях и животных. Ее содержания нередко превышают предельно допустимые концентрации, вызывая болезни животных и человека. Особенно опасны сбросы в водоемы ртутьсодержащих сточных вод, с чем связаны известные случаи отравления населения (Минамата, Ниигата, Ок-Ридж и др.).

В техногенных ландшафтах Hg активно мигрирует и поступает в конечные бассейны стока, накапливаясь в водах, водных организмах, донных отложениях. Ртутному загрязнению компонентов биосферы, особенно водоемов, посвящено большое количество работ (У. Фёрстнер, В. Саломонс, С. Митра и др.). Один из первых опытов комплексного изучения геохимии Hg в ландшафтах промышленных городов (Темиртау, Саранск, Подольск) принадлежит Е.П. Янину.

Ртуть является типоморфным элементом практически любых техногенных аномалий, поскольку поступает в окружающую среду с выбросами, стоками и отходами самых разнообразных производств. Почти во всех промышленных городах образуются аномальные зоны Hg в различных компонентах ландшафта, население постоянно испытывает воздействие этого металла. При этом трансформируются формы нахождения Hg — при общем преобладании растворенных форм резко возрастают доли взвешенных форм, играющих важную роль в формировании техногенных потоков рассеяния в донных отложениях. Особую опасность для водоемов представляет метилирование Hg, что способствует ее включению в пищевые цепи водных экосистем. Доля метилртути в илах обычно менее 1% от общего ее содержания, но в биогеохимической цепи она увеличивается до 20 — 30% в бентосе и высших растениях и 70 — 80% в рыбах (Е.П. Янин).

Изучение динамики поведения Hg на юге Швеции в районах с особенно интенсивными кислотными дождями показало, что подкисление почв повышает мобилизацию Hg из слабозагрязненных и даже фоновых почв, ведет к поступлению ее повышенных количеств в реки и озера, где она концентрируется в растениях и рыбах (Н. Hultberg).

Техногенные аномалии Hg в почвах и растениях агроландшафтов формируются под влиянием промышленных выбросов, использования в качестве удобрений и мелиорантов твердых отходов, мусора, полива поверхностными водами, загрязненными ртутью. Особенно подвержены ртутному загрязнению пойменные агроландшафты вблизи промышленных городов. Такие ландшафты изучены Е.П. Яниным в долине реки Нуры, где для орошения используются загрязненные Hg стоки г. Темиртау. В орошаемых каштановых почвах в отличие от приповерхностных атмотехногенных аномалий Hg концентрируется не в верхнем горизонте, а мигрирует по профилю, возможно в виде фульватных комплексов, осаждаясь на сорбционном барьере в уплотненном горизонте на глубине 20 — 50 см. Концентрации Hg в этих почвах в среднем на порядок выше, чем в орошаемых незагрязненных почвах, и в 30 — 70 раз выше ее содержаний (0,03 мг/кг) в фоновых почвах. Это ведет к накоплению Hg в сельскохозяйственной продукции, особенно в листьях капусты (0,18 мг/кг влажной массы), яблоках, моркови, картофеле (0,03 — 0,04 мг/кг), что соответственно в 9 и 2 — 3 раза выше предельно допустимых концентраций.

Серебро — Ag (47; 107,8682)

Кларк Ag 7.10~6%. Это халькофильный элемент, образующий 54 минерала, из которых 47 гидротермальные. С этими процессами связано и образование серебряных руд.

Серебро в биосфере. Геохимия Ag в биосфере изучена слабо. Известны его концентрации в углях, глинах и других осадочных породах. Ag достаточно активно мигрирует в природных водах. Биофильность Ag значительна — близка к Са и К.

Серебро входит в группу элементов интенсивного и среднего биологического накопления, его средний коэффициент биологического поглощения у наземных растений 14.

Среднее содержание серебра в почвах мира близко или немного превышает его кларк в литосфере (0,05 — 0,1 мг/кг). Для серебра типична слабая биогенная аккумуляция в гумусовых горизонтах почв и осаждение на сорбционном и сульфидном барьерах.

По C.J1. Шварцеву, среднее содержание Ag в грунтовых водах гумидных ландшафтов 0,25 мкг/л. Как и другие тяжелые металлы, Ag подвижно в кислых почвах и водах, многие виды деревьев (береза, сосна) его концентрируют. По Н.П. Солнцевой, на Среднем Урале концентраторами Ag на основных породах являются мхи (300 — 400 КК), а на кислых — лишайники (80 — 90 КК) при фоновых содержаниях в золе растений 3 — 6 КК.

В степных ландшафтах Ag слабо подвижно. В водах степей и пустынь среднее содержание Ag — 0,44 мкг/л. Это указывает на его способность к испарительной концентрации, возможно в виде анионных сульфатных комплексов. В сильнощелочной содовой среде его подвижность возрастает, по-видимому, за счет образования растворимых карбонатных анионных комплексов. Это проявляется в более активном поглощении Ag видами из семейств сложноцветных и маревых, растущих на солонцеватых почвах, солонцах и солончаках по сравнению со злаками и лугово-степным разнотравьем автономных позиций с более нейтральными почвами. В Мугоджарах и Центральном Казахстане кларки концентрации Ag в золе растений образуют следующий ряд: древесные и кустарниковые породы (1 — 2) < злаки (1 — 3) < маревые (6 — 10) < сложноцветные (10 — 20). Среди сложноцветных концентраторами Ag являются полыни селитряная и холодная (15 — 30 КК). В содовых ландшафтах его поведение отлично от других катионогенных элементов, например Zn, не образующих содовых комплексов (Н.С. Касимов).

Серебро в ноосфере. Серебро — один из наиболее дефицитных элементов, технофильность его высокая. Источник Ag — гидротермальные месторождения, как собственно серебряные, так и полиметаллические. Техногенные выбросы Ag — одни из наиболее контрастных по сравнению с фоном. Особенно много его в шламах очистных сооружений, гальванических стоках, шламах от производства красителей и химреактивов, в золе твердых бытовых отходов (п. 100 — п. 1000КК).

Данные о распределении Ag в аэрозолях, атмосферных осадках, почвах и растениях техногенных ландшафтов немногочисленны. Техногенные аномалии в этих средах имеют слабую и среднюю контрастность (п — п.10).

Приемником потоков серебра в промышленных городах служат аквальные ландшафты, где обнаружено особенно сильное загрязнение донных отложений. Самые контрастные аномалии в них характерны для городов с многопрофильным машиностроением и химической промышленностью (Кс относительно фона 400 — 900), научных центров физического и радиотехнического профиля, районов свалок бытовых и промышленных отходов (Кс=200), небольших городов, где производятся грампластинки, имеются вторичная переработка цветных металлов и ткацкие фабрики (Ю.Е. Сает, Р. Пенин, Е.П. Янин и др.). Токсичность Ag для организмов не изучена.

Висмут — Bi (83; 208,9804)

Это один из наиболее слабо изученных элементов. Оценки его кларка отличаются в 19 раз (по А.П. Виноградову — 9.10"^%, по С.Р. Тейлору — 1,7.10"5%). Висмут редкий, но не рассеянный элемент — как и другие халькофилы, он отличается хорошей способностью к минералообразованию, известно более 90 его минералов, в основном гидротермальных. В зонах окисления висмутовых руд встречаются и гипергенные минералы.

Геохимия Bi висмута в биосфере почти не изучена. В природных водах он ведет себя как катионогенный элемент, его среднее содержание составляет менее 0,1 мкг/л. В растениях среднее содержание Bi, по Г. Боуэну, не превышает 0,02 мг/кг сухой массы, в почвах — 0,2 мг/кг.

В техногенных ландшафтах висмут образует довольно контрастные аномалии. Особенно обогащены Bi пыль редкометальных (Мо — W) горнообогатительных комбинатов, золы твердых бытовых отходов (п. 1000), пыли цехов переработки цветных металлов (п. 100). В почвах он обычно накапливается слабо, но образует аномальные концентрации (п.10) в донных отложениях городов, где выбросы и стоки обогащены Bi (Ю.Е. Сает, Е.П. Янин). В организме человека он может накапливаться в эмали зубов, волосах, ногтях. Возможны висмутовые токсикозы человека и животных. Технофильность Bi исключительно велика — такая же, как у самих технофильных металлов.

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