Формирование химического состава поверхностных и грунтовых вод

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

Во влажном климате значительная часть растворенных веществ поступает в воды за счет деятельности организмов, как находящихся непосредственно в водной массе, так и населяющих область формирования вод, питающих данный водоем или водоносный горизонт. Основное значение имеет разложение растительных остатков в почвах. В ходе разложения из воды извлекается 02, а в воду поступают СО2, НСО3-, Са, Mg, Р, S, Na, гумусовые вещества.

Состав таких вод довольно однообразен и слабо зависит от геологического строения района. Например, во многих гумидных ландшафтах речные, почвенные и грунтовые воды имеют гид- рокарбонатно-кальциевый состав (Са2+ — НС03-). Пр еобладание в водах Са2+ объясняется тем, что это главный металл живого вещества, который при разложении растительных остатков в наибольшем количестве поступает в воды. Меньшее содержание в живом веществе Mg и Na определяет их меньшее содержание в водах. Накопление гидрокарбонат-иона (НСО3-) обязано растворению СО2 — продукта минерализации растительных остатков.

 Б.Б. Полынов писал: "Я полагаю, что состав природных речных вод обуславливается не простыми абиотическими реакциями действия воды на минералы магматических пород, то есть гидролизом и растворением, как это придумано в учебниках, а более сложным, хотя и более быстро текущим процессом извлечения элементов из минералов организмами и растворением в воде зольной части организмов при их минерализации". Таким образом, главной "фабрикой" формирования химического состава поверхностных и грунтовых вод в гумидных ландшафтах является почва — та среда, где наиболее энергично идет разложение растительных остатков. Этот вывод впервые в 1926 г. сделал В.И. Вернадский и позднее развил Б.Б. Полынов.

В сухом климате в формировании химического состава вод важная роль принадлежит растворению солей почв и горных пород, испарительной концентрации и метаморфизации вод. В результате образуются различные типы вод (а не только гидрокарбонатно-кальциевые), в том числе хлоридные, сульфатные. Среди катионов часто преобладает не Са^+, a Na+ или Mg2+, среди анионов — SO4.2- и С1-, а не НСО3-. Следовательно, в сухом климате формирование химического состава вод имеет преимущественно физико-химический характер, т.е. протекает без ведущей роли живого вещества. Эти же процессы преобладают в районах влажного климата, сложенных карбонатными, соленосными и гипсоносными толщами, породами, богатыми сульфидами. В целом влияние живого вещества на формирование химического состава вод соответствует количеству живого вещества и интенсивности разложения его остатков.

Если в водах содержится О2, то микробы разлагают органические вещества особенно полно, в результате окисления образуются Н2О, СО2, соли азотной, серной, фосфорной и других кислот. При отсутствии О2 (в болотах, озерных илах, солончаках, частично в грунтовых водах) разложение органических веществ протекает медленнее, но и в анаэробных условиях происходит минерализация органических веществ. Кислород, необходимый для их окисления, микроорганизмы отнимают у различных минеральных и других соединений — NaNC>3, Fe2C>3, Na2SC>4. В результате Fe, S, N и прочие элементы восстанавливаются. Так, большое значение имеет микробиологическое восстановление сульфатов: если сульфатные бескислородные воды соприкасаются с органическими веществами почв или пород, то в них развиваются сульфатредуцирующие бактерии, окисляющие органические вещества за счет отнятого у сульфатов кислорода. У бактерий этот процесс играет роль дыхательного акта, т.е. таким путем они получают энергию, необходимую для жизнедеятельности. Схематически восстановление сульфатов можно изобразить следующим образом:

Сбн120б + 3Na2S04 ЗС02 + 3Na2C03 + 3H2S + 3H20 + Q Дж.

Как видим, микроорганизмы окислили углевод (CgH^Og) за счет кислорода Na2SC>4. В результате С и Н окислились до СО2 и Н2О, a S восстановилась до H2S. Подобные процессы протекают всюду, где разложение органических веществ происходит при наличии сульфатов и отсутствии свободного кислорода: в илах морей и соленых озер, в засоленных почвах, в глубоких горизонтах подземных вод и т.д. В результате воды обогащаются H2S, СО2, местами Na2CC>3, в них понижается содержание SO4.2- (иногда он исчезает полностью).

При анаэробном окислении органических веществ часто возникают различные промежуточные продукты типа низко- и высокомолекулярных кислот и других органических соединений, а также СН4 и Н2 (водородное брожение клетчатки и прочие процессы).

Газовый и ионный состав вод ландшафта во многом обязан деятельности организмов, как тех, которые находятся непосредственно в водоеме или почве, так и тех, которые населяют область формирования вод, питающих данный водоем или почву.

Это не исключает роли таких процессов, как растворение солей, ионный обмен, и др. (см. главу 4). Но, несомненно, многие особенности элементарного химического состава вод определяются именно процессами разложения органических веществ.

Химический состав вод зависит и от растворимости соединений, возникающих при минерализации растительных остатков. Например, кремнезем сравнительно малорастворим, поэтому его поступление в воды невелико, хотя в золе содержится много. Большое значение имеет также дефицитность элемента. Так, растворимых форм К и Р для организмов, как правило, не хватает, в связи с чем эти элементы жадно ими поглощаются и в малых количествах поступают в воды. К, кроме того, поглощается коллоидными системами (интенсивнее, чем Na). Именно поэтому, несмотря на близкие величины кларков, содержание К в природных водах значительно уступает Na, Са и Mg.

Таким образом, существуют две группы биогеохимических и физико- химических процессов формирования химического состава вод. В первой группе химический элемент, прежде чем перейти в раствор, проходит через тело организма, для второй группы характерно растворение минералов, ионный обмен и другие реакции, в которых организмы выступают лишь как косвенный фактор, влияющий на растворяющую способность вод. Обе группы развиты во всех ландшафтах, но в одних ведущее значение имеют первые процессы, в других — вторые.

Ионный сток

Это количество главных ионов, ежегодно выносимых поверхностными и грунтовыми водами с водосбора. Он сопоставим с их количеством в растительных остатках, что также указывает на важную роль разложения органических веществ в формировании химического состава вод (табл. 3.4).

Таблица 3.4

Количество минеральных веществ в растительных остатках, поступающих в почву и ионный сток (ц/га)

Ландшафты и реки   Са       Mg К SO4.2-

По М.А. Глазовской, "коэффициент биогеохимической активности" (KB) для тропических лесов равен 4—4,5, для пустынь — 1, для тайги — 0,4—0,5.

Разложение органических веществ и состав атмосферы. Особенно велико влияние этих процессов на состав почвенного и грунтового воздуха. Подземная атмосфера богаче надземной СО2, водяными парами и беднее О2, местами содержит повышенные количества СН4 и других газов. Но и надземная атмосфера ландшафта отличается от остальной тропосферы. В результате разложения органических веществ происходит изменение состава приземного и особенно подземного воздуха ландшафта. В каждом ландшафте этот состав имеет специфические особенности.

Противоположные процессы образования живого вещества и разложения органических веществ образуют единый биологический круговорот атомов (сокращенно бик) (3.5). Часть органических веществ минерализуется не полностью и захороняется в почвах и илах.

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