Окислительно-восстановительная и щелочно-кислотная зональность в почвах, корах выветривания, илах, водоемах

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 результате смены окислительно-восстановительных условий образуется окислительно-восстановительная зональность.

Наиболее восстановительные условия возникают в местах энергичного разложения органических веществ (в верхней части почв и илов, в местах захоронения органических остатков в водоносных горизонтах и т.д.). В сторону от этих горизонтов Eh растет, причем нередко более окислительные условия наблюдаются глубже восстановительных (в горизонте В почв, в глубоких частях илов и т.д.). Окислительно-восстановительная зональность характерна для всех биокосных систем, особенно наглядна она в тех случаях, когда окислительная обстановка сменяется восстановительной — глеевой или сероводородной. Это характерно для многих болотных, луговых, солончаковых, солонцовых и прочих супераквальных почв.Выражена такая зональность и в элювиальных почвах, особенно в таежной и тундровой зонах. Главный элемент- индикатор зональности Fe (Fe2+ Fe3+). Но окислительно-восстановительная зональность может проявиться и в восстановительной среде, когда, например, резковосстановительная обстановка верхних горизонтов болотных почв книзу сменяется менее восстановительной. В этом случае по анализу распределения химических элементов, а также замерам Eh нетрудно доказать, что окислительно- восстановительные условия по профилю меняются и зональность существует. К микроэлементам-индикаторам окислительно-восстановительной зональности на общем восстановительном фоне относятся Си, Мо, Ag, Sn, Аи, Hg, U. Во многих почвах степей и пустынь господствует окислительная обстановка и зональность выражена в изменении Eh в пределах окислительной среды, смене резкоокисли- тельной обстановки на слабоокислительную.

Например, не исключено, что большую часть года в черноземах преобладает окислительная обстановка по всему профилю, но в отдельные периоды разложение органических веществ протекает в восстановительных условиях (или в менее окислительных). В каштановых почвах более окислительная среда, чем в черноземах, но и в них в отдельные периоды возможно развитие более восстановительных (или менее окислительных) условий. Для почв пустынь характерна еще более окислительная обстановка. Однако сам факт разложения в них органических веществ указывает на изменение окислительно-восстановительных условий, на существование окислительно- восстановительной зональности в отдельные (очень кратковременные?) периоды года. Это может быть и микрозональность, проявляющаяся не во всем почвенном профиле, а на строго локальном участке, например вокруг гниющего корешка. Однако ее геохимическая сущность от этого не меняется. Индикаторами окислительно-восстановительной зональности в пределах окислительной среды служат многие элементы и в первую очередь Мп, перераспределение которого в условиях преобладания Fe3 + указывает на слабоокислительную обстановку.

Аналогичная окислительно-восстановительная зональность характерна и для илов, кор выветривания, озер. Так, в верхней зоне озер, где развит фотосинтез, водные растения выделяют в воду О2, который насыщает ее полностью, а местами и пересыщает. На глубине фотосинтеза нет, и там происходит только разложение органического вещества, потребляющее 02- В результате его количество уменьшается и одновременно в воде растет содержание СО2, Eh понижается. В илах местами О2 исчезает полностью и развивается глеевая или сероводородная восстановительная среда. Так, в озерах формируется окислительная зона вверху, восстановительная внизу. Для биосферы в целом характерна принципиально та же зональность (4.10): на земной поверхности за счет фотосинтеза, протекавшего в течение геологической истории, накопился О2, преобладает окислительная среда, хотя и здесь имеются очаги восстановления в илах и болотах. В глубоких горизонтах биосферы, где захоронено органическое вещество, уже нет О2 или его не хватает для окисления органического вещества, поэтому там развиваются анаэробные процессы, создается резко восстановительная среда с H2S, сульфидами, метаном и другими восстановленными соединениями. Следовательно, биологический круговорот создал резко окислительные условия на земной поверхности и резко восстановительные в болотах, илах и особенно в подземных водах.

Итак, окислительно-восстановительная (О-В) зональность — особенность не только ландшафтов, но и всех биокосных систем, включая биосферу. Эта зональность отражает важнейшие геохимические черты данных систем — процессы разложения органических веществ. Отсюда следует и методологический вывод о необходимости изучения окислительно-восстановительных процессов и отвечающей им зональности в профиле всех биокосных систем.

Окислительно-восстановительная зональность в почвах является моделью более грандиозных процессов, протекающих в других биокосных системах, в том числе в биосфере в целом. Поэтому изучение геохимии почв позволяет анализировать многие процессы, протекающие в корах выветривания, артезианских бассейнах и других системах. Преимущество почв как модели состоит в том, что зональность в них проявляется в пределах 1—2-метровой толщи, в то время как в коре выветривания зональность распространяется на десятки метров, в артезианских бассейнах и биосфере в целом — на километры и десятки километров.

С изменением О-В условий связано формирование различных геохимических барьеров. При резком увеличении Eh формируется окислительный геохимический барьер А, для которого особенно характерна концентрация Fe, Mn, Со, S. Окислительный барьер может возникнуть и в условиях восстановительной среды, например, при смене резко восстановительной обстановки на восстановительную, а также при смене слабоокислительной на окислительную (лишь бы увеличился Eh). Барьер А, как правило, является кислородным (например, в местах выхода на поверхность глеевых вод, обогащенных Fe2+ и Мп2+, где осаждаются их гидроксиды, образуя "ожелезнение в зонах разломов", железомарганцевые конкреции, болотные и озерные руды).

При резком уменьшении Eh образуются восстановительные барьеры В и С, для которых характерно накопление Си, Аи, Ag, S, Se, U, Mo и других элементов. Эти барьеры также могут возникать как в восстановительных условиях (слабовосстановительные — резковосстановительные), так и в окислительных (ультраокислительные — окислительные).

Там, где кислородные или глеевые воды контактируют с сероводородной средой, возникает восстановительный сероводородный барьер В, на котором осаждаются многие металлы, образующие нерастворимые сульфиды. В связи с высоким кларком Fe (4,65%) особенно широко распространены его сульфиды — пирит, марказит (FeS2), гидротроилит (FeS.nE^O). Реже встречаются сульфиды Си — халькозин, ковеллин, Pb — галенит, Zn — сфалерит. Сероводородный барьер В характерен для степей и пустынь, но встречается и в гумидном климате, в ландшафтах, сформировавшихся на породах, богатых сульфидами, в техногенных сернокислых ландшафтах, в приморских болотах.

При встрече кислородных вод с глеевой средой возникает глеевый барьер С, широко распространенный в краевой зоне болот гумидных ландшафтов. Для этого

барьера характерна концентрация Mo, U, Se, Au, Си и др. элементов (lj6+ X lj4+;

Se6+ X Se°; Au+ X Au°; Cu2+ X Cu+ X Cu° и т.д.).

Напомним, что элементы, образующие сильные катионы (К+, Na+, Са2+, Mg2+, Fe2+ и др.), имеют значительно более высокие кларки, чем элементы, образующие сильные анионы (CI, F, S, С, V, Р и др.) (гл. 1).

Поэтому кислые растворы, образующиеся в результате окисления органических веществ и сульфидов по мере взаимодействия с глубокими горизонтами почв и породами, усредняются, становятся менее кислыми или даже щелочными. В результате в почвах, корах выветривания, водоносных горизонтах по мере фильтрации вод рН повышается, возникает щелочно-кислотная зональность. Так, в выщелоченных черноземах, бурых лесных и других почвах кислая или слабокислая реакция в горизонте А сменяется нейтральной или слабощелочной в горизонте В. В кислых корах выветривания влажных тропиков нижние горизонты также имеют нейтральную или щелочную реакцию. Повышение рН связано в значительной степени с кислым выщелачиванием катионов из верхних горизонтов и их частичной аккумуляцией в нижних. Таким образом, кислая среда в верхних горизонтах порождает щелочную в нижних. В формировании щелочной среды играют роль и катионы, изначально находящиеся в нижних горизонтах.

По влиянию на кислотность вод С.С. Смирнов разделил минералы зоны окисления сульфидных месторождений на активные, полуактивные и неактивные. Эта классификация применима и к ландшафтам, причем минералы могут быть активными в одном ландшафте и неактивными в другом. Например, пирит активен в коре выветривания, где его окисление приводит к появлению H2SO4, но этот минерал неактивен в горизонтах солончаков и болот, не содержащих 02- Кальцит активен в гумидных ландшафтах, где грунтовые воды слабо минерализованы, имеют кислую реакцию и растворяют известняки. В сухом климате кальцит часто неактивен.

В профиле почв изменение рН иногда происходит постепенно, но наблюдается и резкий скачок рН на границе горизонтов. В местах, где на коротком расстоянии кислая среда сменяется щелочной, возникает щелочной барьер D, для которого особенно характерна концентрация Fe, Са, Mg, Mn, Ва, Sr, Сг, Zn, Си, Ni, Со, Pb, Cd и других металлов (элементы расположены в порядке убывания кларков) (4.11). D барьер может проявиться и в щелочных условиях при смене слабощелочной среды на сильнощелочную. Особенно контрастные барьеры возникают на контактах силикатных и карбонатных пород. Так, в таежной зоне нередко под маломощным валунным суглинком залегают известняки. Кислые растворы, фильтрующиеся из подзолистых почв, попадая в известняк, встречают на своем пути D барьер, на котором осаждаются Fe и Мп. Очень характерны D барьеры для зоны окисления сульфидных руд в известняках. Здесь сернокислые растворы, образующиеся при окислении пирита, нейтрализуются известняками. В результате на барьере наблюдается ожелезнение, осаждение малахита, и азурита смитсонита и других карбонатов Си, Pb, Zn (4.11).

Менее характерны для ландшафтов кислые барьеры Е, возникающие при резком уменьшении рН. На кислом барьере осаждаются Si, Se, Мо, Ge и др. анионоген- ные элементы.

На участках встречной миграции вод образуются двусторонние геохимические барьеры. Такой барьер, например, характерен для краевой зоны березовых колков Северного Казахстана (4.12). Рощи берез (колки) с лугово-болотными кислыми почвами здесь располагаются в западинах, окруженных по периферии степной растительностью, с солонцами, имеющими щелочной рН. Воды, мигрирующие вниз по склону, встречают на своем пути кислый барьер Е (лугово-болотные почвы), на котором осаждаются анионогенные элементы — Y, Sc, Zr, Be. В результате в торфяном горизонте почв содержание этих элементов повышается. От центра западины к ее периферии периодически происходит подтягивание растворов и их испарение. На границе колка со степью возникает испарительный (F) и щелочной (D) барьеры, на которых концентрируются катионогенные элементы и легкорастворимые соли (Ва, Pb, Ni, Sr и т.д.). Так, на границе со степью появляется двусторонний барьер — с одной стороны Е, с другой — D. Аналогичные двусторонние барьеры изучены С.Г. Батулиным в пустыне Бетпак-Дала на участках окисления сульфидов. Для двусторонних барьеров, таким образом, характерна ассоциация элементов с противоположными свойствами, например, металлов и неметаллов.

Окислительно-восстановительная и щелочно-кислотная зональность есть во всех биокосных системах, причем в конкретном профиле они могут совпадать и не совпадать.

В разных горизонтах почвы, коры выветривания, ила в результате зональности классы водной миграции часто неодинаковы. В этом случае при геохимической систематике следует использовать понятие о центре системы — главном горизонте, определяющем своеобразие системы в целом. Как правило, у почв центром служит верхний горизонт А, где наиболее энергично разлагаются органические вещества, происходят наибольшие преобразования минеральной части. Поэтому при геохимической классификации почв за основу следует брать геохимические особенности ее центра — горизонта А. Этот критерий позволяет в большинстве случаев правильно оценить роль каждого горизонта и классифицировать почву. В некоторых почвах главный другой горизонт, например, в солонцах центром является солонцовый горизонт В с обменным натрием. Этот принцип централизации пригоден и при геохимической классификации кор выветривания, илов (подводных почв).

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