Интенсивность водной миграции

Для характеристики интенсивности водной миграции элементов был предложен безразмерный коэффициент водной миграции (Смит, Полынов, Перельман), равный отношению содержания элемента X в минеральном остатке воды к его содержанию в горных породах, дренируемых этими водами. Так как содержание элемента Х в водах (m_X) обычно измеряется в граммах на литр, а его содержание в породах (n_X) – в процентах, то расчетная формула для К_Х имеет следующий вид:

где а – минерализация вод в г/л. Этот коэффициент для различных элементов принимает значения от 0,0001 до 1000.

Если вместо m_x подставить кларк гидросферы, вместо n_x – кларк литосферы, а значение а взять 135 г/л (средняя минерализация вод), то получится глобальный коэффициент водной миграции.

Для оценки интенсивности водной миграции используются следующие четыре градации (в окислительной обстановке):

1. 
   Очень подвижные мигранты (очень сильная миграция): Cl, I, Br, S (10n-100n);
   
2. 
   Легкоподвижные мигранты (сильная миграция): Сa, Mg, Sr, Zn, U (n-10n);
   
3. 
   Подвижные мигранты (средняя миграция): Co, Si, P, Cu, Mn, K (0,n-n);
   
4. 
   Слабоподвижные и инертные мигранты (слабая и очень слабая миграция): Fe, Al, Ti, Os, Pt, Sn и многие другие элементы, содержащиеся в трудновыветриваемых первичных минералах (0,0n и менее).
   

Под химической денудацией понимают величину понижения земной поверхности за счет выноса растворенных веществ с поверхностным и подземным стоком. Главным параметром химической денудации служит показатель ионного стока.

Химическая денудация и показатель ионного стока не столько характеризуют отдельные области, сколько ландшафты, т. е. являются константами ландшафта.

Воздушная миграция.

Роль газов в ландшафте зависит от их Кларков и химической активности. Активные элементы с высокими Кларками образуют ведущие газы – О₂, СО₂, водяной пар, Н₂S. Растворяясь в водах, они определяют условия миграции многих элементов, становятся “геохимическими диктаторами». Поэтому по составу ведущих газов именуются важнейшие геохимические обстановки в водах – окислительная, сероводородная, и др.

Миграция газов в ландшафте, как и миграция жидкостей, происходит или путем диффузии, или путем фильтрации, или смешанным путем.

Надземная атмосфера ландшафта состоит из азота (78%), кислорода (21%), аргона (0,93%), углекислого газа (в среднем 0,03%). Содержание остальных газов крайне невелико. Атмосфера ландшафта также содержит различное количество водяных паров (0,01-4%). Подземная атмосфера ландшафта – почвенный и грунтовый водздух по составу значительно отличается от надземной: в ней больше углекислого газа, часто выше влажность, иное содержание микрокомпонентов.

Если содержание азота и кислорода в тропосфере в общем одинаково во всех ландшафтах, то содержание углекислого газа, водяных паров, пыли, летучих органических веществ (фитонцидов), некоторых микрокомпонентов (озона, калия, радона) подвержено значительным колебаниям. В некоторых ландшафтах в подземной атмосфере повышено содержание метана. В ландшафтах, сформировавшихся на гранитоидах и радиоактивных рудах, повышено содержание радона и т.д.

В атмосферных осадках преобладают те же ионы, что и в поверхностных водах, они поступают в осадки за счет растворения газов воздуха, приноса ветром солей с моря, растворения солей и пыли континентального происхождения, вулканических эксгаляций и других источников.

В результате вулканических извержений в атмосферу поступает много газов, в первую очередь водяных паров и углекислого газа и некоторое количество H₂, CO, N₂, SO₂, S₂, Cl₂, H₂S, HCl, NH₃, CH₄. В районах вулканической деятельности часто наблюдаются кислые дожди и кислые реки.

Глазовская предложила два коэффициента для характеристики атмосферной миграции: КА – коэффициент атмогеохимической активности, равный отношению количества элемента, поступающего с осадками за год, к их количеству, потребляемому растениями за год; КИ – коэффициент гидрогеохимической активности, равный отношению количества элементов, выносимых ионным стоком за год, к их количеству, поступающему с атмосферными осадками.

В гумидных ландшафтах элементы, принесенные с атмосферными осадками, снова выщелачиваются из почв и со стоком поступают в моря. В аридных ландшафтах эти элементы накапливаются в почвах.

Биогенная миграция элементов

Деятельность живых организмов в ландшафте

Геологический эффект деятельности каждого организма бесконечно мал. Геохимия рассматривает не отдельный живой организм, а всю их совокупность живое вещество. Согласно закону Вернадского миграция элементов в биосфере осуществляется либо при непосредственном участии живого вещества, либо в обстановке, созданной в результате жизнедеятельности организмов. Живые организмы – главный фактор миграции химических элементов.

Живое вещество преобразует энергию солнечных лучей в потенциальную энергию, а затем – в кинетическую энергию геохимических процессов. Живые организмы являются также агентами сортировки и перераспределения атомов. Они изменили химический состав земной коры.

Миграция химических элементов в ландшафте определяется двумя противоположными и взаимосвязанными процессами: 1) образованием живого вещества из элементов окружающей среды; 2) разложением органических веществ. В совокупности эти процессы образуют биологический круговорот атомов.

Изымая из атмосферы углекислый газ и насыщая ее кислородом растения частично изменяют состав надземной атмосферы. Поглощая нитраты, фосфаты, калий и другие дефицитные элементы, они уменьшают их содержание в поверхностных водах. Растения выделяют различные летучие органические соединения фитонциды, которые обладают бактерицидными свойствами. Эти вещества могут служить активаторами физиологических процессов у животных – атмовитаминами.

Функции живого вещества в биосфере (Вернадский):

1. 
   газовая – производство кислорода;
   
2. 
   концентрационная – накопление углерода и других элементов;
   
3. 
   окислительная – создание кислой среды (кислород) при жизнедеятельности;
   
4. 
   восстановительная – выделение метана, аммиака, сероводорода при разложении;
   
5. 
   биохимическая – рост биомассы.
   

Живое вещество образуется в процессе фотосинтеза растениями-автотрофами. Фотосинтез осуществляется в зеленом луче при участии хлорофилла за счет энергии солнечных лучей. При фотосинтезе происходит разложение нейтральных воды и углекислого газа (углекислый газ поступает из атмосферы, почвенного воздуха, водоемов) на сильный окислитель кислород и водород, который восстанавливает углекислый газ и идет на синтез органических соединений (сильные восстановители):

6CO₂ + 6H₂O + 2818,7 кДж  (cвет, хлорофилл)  C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

Углерод и водород органических соединений, а также выделившийся свободный кислород “зарядились” солнечной энергией, поднялись на более высокий энергетический уровень – стали геохимическими аккумуляторами. Углеводы и другие продукты участвуют в растениях в образовании сложных органических соединений.

Растения также поглощают из окружающей среды (почвы, водоема) такие химические элементы, как фосфор, калий, кальций, азот и др. В растениях поглощенные элементы входят в состав сложных, богатых энергией органических соединений (нуклеопротеидов и др.). Этот процесс называется биогенной аккумуляцией минеральных соединений.

Все остальные организмы являются гетеротрофными, т. е. они не способны создавать органические вещества из минеральных и получают их от растений.

Образование живого вещества – процесс, идущий с уменьшением энтропии (увеличинием упорядоченности). Однако это не противоречит 2-му закону термодинамики, т. к. система не замкнута, снаружи энтропия существенным образом увеличивается. С образованием живого вещества также увеличивается сложность информации, возникает новый ее вид – биологическая информация.

Биомасса и продукция

Биомасса (Б) – общая масса живого вещества в том или ином ландшафте. Продукция (П) – биомасса, которая продуцируется за год. Обе эти величины измеряются в центнерах сухого вещества на гектар. Биомасса на 98% представляет собой массу растений.

Соотношение ежегодной продукции и биомассы обычно выражается коэффициентом Родина-Базилевич:

.

По значениям этого коэффициента ландшафты разделяются на пять групп:

1. 
   Лесные ландшафты – характерно накопление большого количества биомассы (тысячи ц/га), Ж = 10n. Наземная фитомасса значительно превышает подземную. Характерны интенсивные прямые водные связи между почвой, корой выветривания, грунтовыми водами, континентальными отложениями и поверхностными водами. Создается фитоклимат. Высока самоорганизация и устойчивость. Ярко выражен водораздельный центр ландшафта.
   
2. 
   Степи, луга, саванны – биомасса гораздо меньше (до 300-400 ц/га), ежегодная продукция часто не меньше, чем в лесах, таким образом Ж = n. Запасы гумуса в 10-20 раз превышают биомассу. Основная масса живого вещества сосредоточена под поверхностью почвы. Прямые водные связи менее совершенны, ярко выражена отрицательная обратная биокосная связь почва-растительность. Самоорганизация и устойчивость ниже. Часто бицентрическая система – водораздельный центр ослаблен, есть второй центр в речных долинах.
   
3. 
   Пустыни – небольшие значения П и Б. Прямые водные связи сильно ослаблены. Отдельные природные тела почти независимы. Резко выражены прямые воздушные связи. Центр ландшафта выражен слабо. Пустыни характеризуются наименьшим разнообразием, самоорганизацией, устойчивостью.
   
4. 
   Тундровые ландшафты – незначительная биомасса (10-100-и ц/га), низкая продукция. По интенсивности прямых водных связей и величине Ж близки к лесам; по размерам биомассы, развитию обратных биокосных связей – к степям и лугам; по разнообразию, самоорганизации, устойчивости, развитию прямых воздушных связей – к пустыням.
   
5. 
   Примитивные пустыни (такыры, скалы с лишайниками и др.) – биомасса мала (иногда менее 1 ц/га), величина Ж различна. Очень низкая мощность ландшафта; низкие разнообразие, самоорганизация, устойчивость.
   

В пределах типов выделяются семейства. Они характеризуются различными Б и П, но одинаковым или близким отношением между ними, выраженным коэффициентов К (lgП/lgБ). В каждом типе различают обычно северное, среднее и южное семейства (например, северная, средняя и южная тайга). Главная закономерность распределения семейств, как и типов – зональность. Семейства соответствуют подзонам.

Живые организмы в основном состоят из элементов, образующих газообразные (воздушные мигранты) и растворимые (водные мигранты) соединения. Поэтому нет прямой пропорциональности между составом живого вещества и земной коры в целом. Содержание кислорода равно 70%, углерода 18%, водорода 10,5%, азота 0,3%.

Кларки концентрации элементов в живом веществе называются биофильностью элементов. Наибольшей биофильностью обладает углерод (7800), менее биофильны азот (160) и водород (70). Содержание кислорода в 1,5 раза больше, чем в земной коре, хлора, серы, фосфора, магния, натрия – примерно одинаково. Наименее биофильны железо и алюминий.

Химический состав конкретного ландшафта может существенно отличаться от среднего химического состава живого вещества Земли. Средний химический состав живого вещества ландшафта является важным систематическим признаком последнего.

Элементы, добавление подвижных форм которых в ландшафт увеличивает ежегодную продукцию П, называются дефицитными (в разных ландшафтах O, N, P, Ca, Mg, Cu, F, Mn); элементы, удаление которых из ландшафта увеличивает П – избыточными (Cl, S, Na, Fe, Cu, F и др.).
Интенсивность биологического поглощения

Интенсивность биологического поглощения характеризуется следующими коэффициентами:

1. 
   Коэффициент биологического поглощения (Полынов-Перельман) – отношение количества элемента в золе растений и его количества в горной породе или почве:
   

По значениям этого коэффициента Перельман выделял элементы очень интенсивного накопления (P, S, Cl, I, Br), элементы среднего и интенсивного накопления (B, Ge, Zn, Ca, Mg, K, Na, Sr), элементы среднего накопления и сильного захвата (Mo, Cu, Ag, Mn, Pb, Ba, F и др.) и элементы очень слабого и слабого захвата (Cr, V, Si, Ti, Al, Fe, Cd и др.). При А_Х > 1 элементы накапливаются в растениях, а при A_X < 1 – только захватываются. Живые организмы сильно различаются по значениям коэффициента биологического поглощения (он зависит от того, сухое или влажное вещество и т. д.).

2. 
   Биофильность элементов:
   

3. 
   Коэффициент биогеохимической подвижности – отношение содержания элемента в сухом веществе к его содержанию в почве в подвижной форме.
   

4. 
   Коэффициенты РПК (растительно-почвенный), РВК (растительно-водный) и РГК (растительно-газовый) – отношение содержания элемента в сухом веществе к содержанию в твердой фазе почвы, в водной фазе, в газах почвы. Наиболее сильно поглощение из газовой фазы, наименее – из твердой, поэтому РГК > РВК > РПК (на порядки).
   

Химический состав организмов зависит от их природы (систематического положения) и геохимических особенностей ландшафта. Живое вещество, особенно растения, является биогеохимическим барьером, на котором концентрируются воздушные и другие мигранты.

ОСВР = С_l/C_т.

По значениям ОСВР выделяют растения-концентраторы (более 2,5) и растения-деконцентраторы (менее 0,4):

25-400 и более – интенсивные концентраторы;

4,0-25,0 – умеренные концентраторы;

2,4-4,0 – слабые концентраторы;

0,4-0,25 – слабые деконцентраторы;

0,25-0,04 – умеренные деконцентраторы;

0,04-0,0025 – интенсивные деконцентраторы.

Химический состав разных органов растений также не одинаков. Например, наиболее высоко содержание металлов в листьях и тонких ветвях, меньше – в корнях и коре, минимальное – в древесине. Параметр ОСОР представляет собой отношение содержания элемента в данном органе к содержанию в эталонном органе (обычно это старые ветви, древесина, корни).

Наряду с биогенной аккумуляцией в ландшафте протекают процессы разрушения органических веществ, перехода химических элементов из органических соединений в неорганические.

Совокупность процессов разложения органических веществ называется минерализацией. При этом выделяется энергия – в виде тепла и в виде энергии, идущей на совершение химической работы (в основном природными водами).

Количество мертвых органических веществ в ландшафте является важным геохимическим параметром, складывающимся из нескольких показателей:

О – общее количество органических остатков;

О₁ – ежегодный растительный опад (от 1 ц/га – в такырах до 250 ц/га во влажных тропиках и 765 ц/га в тугаях);

О₂ – зеленая часть опада (10-90% от О₁);

О₃ – лесная подстилка и степной войлок (от 15 ц/га в сухих степях и 20 ц/га во влажных тропиках до 835 ц/га в кустарничковой тундре);

О₄ – гумус (от 1000 ц/га в тайге до 8000 ц/га в луговых черноземных степях).

Об интенсивности разложения органических веществ хорошее представление дает коэффициент Ж₃, равный отношению подстилки к зеленой части опада:

В болотах Западной Сибири этот коэффициент равен 5000%, в кустарничновых тундрах 3500%, в южной тайге 1000%, в сухих степях 100%, во влажных тропических лесах 10%.

Техногенная миграция (техногенез) представляет собой наиболее сложный вид миграции, подчиняющийся социальным законам. В результате техногенеза облик земной поверхности сильно изменился, для нее стали характерны новые сложные техногенные системы. Образование этих систем сопровождалось резким ростом информации, проявлением новых ее видов, новых способов хранения, переработки и передачи.

Для ноосферы (техногенно измененной биосферы) характерно резкое увеличение работоспособной энергии и разнообразие ее видов.

Для ноосферы также характерно грандиозное рассеяние элементов, которые концентрировались природой на протяжении всей геологической истории. Распространено металлическое состояние железа, никеля, хрома, ванадия, не характерное для земной коры; изготовлены многие химические соединения, никогда ранее не существовавшие в биосфере.

Весьма велики масштабы добычи многих элементов. Отношение ежегодной добычи химического элемента в тоннах к его кларку называется технофильностью (Перельман). Анализ величины технофильность позволяет прогнозировать использование элементов.
Классификация геохимических ландшафтов по Перельману. Ландшафтно-геохимические карты
Общие принципы геохимической классификации ландшафтов

В основе классификации геохимических ландшафтов лежит миграция атомов, т. к. именно она определяет геохимические особенности ландшафтов. Наибольшее таксономическое значение имеют типоморфные элементы, т. е. элементы, которые энергично мигрируют и накапливаются и имеют высокие кларки.

Даже распространенные элементы в зависимости от условий миграции имеют разное таксономическое значение (например, сера типоморфна в аридных ландшафтах и не типоморфна в тайге). Минимальное содержание элемента в почве, организмах, водах, при котором оно приобретает таксономическое значение, называется критическим.

Географическая распространенность ландшафтов не имеет таксономического значения. В систематике должны быть одинаково представлены типичные, редкие, исчезнувшие ландшафты.

Поскольку в большинстве ландшафтов интенсивность миграции изменяется по временам года, в основу классификации следует положить период наиболее интенсивной миграции (лето в тайге, весну в субтропиках и т. д.).

Также таксономическое значение веществ определяется положением в пространстве относительно центра: чем ближе к центру, тем больше влияние на миграцию атомов, тем больше таксономическое значение.

Помимо систематики геохимических ландшафтов, часто проводят районирование. Районирование – выявление ландшафтных индивидов, характерных для какой-либо территории. Индивид, в отличие от систематической единицы, выделяется на основе индивидуальных, а не систематических признаков.

Классификация элементарных ландшафтов

Наиболее крупными единицами классификации Перельмана являются ряды ландшафтов, выделяемые по виду миграции.

• 
  абиогенные,
  
• 
  биогенные,
  
• 
  культурные ландшафты.
  

По соотношению важнейших параметров биологического круговорота Б (биомассы) и П (продуктивности) выделяются группы, типы и семейства ландшафтов. Групп ландшафтов всего 5:

– леса;

- степи, луга и саванны;

- пустыни;

- примитивные пустыни;

- тундры и верховые болота.

При выделении типов и семейств ландшафтов важны не только абсолютные величины Б и П, но и отношение их логарифмов lnП/lnБ – коэффициент К. В каждом типе выделяют обычно три семейства. Типы обычно соответствуют зонам, семейства – подзонам.

Следующий таксон – класс ландшафта – выделяется по особенностям водной миграции в горизонте А почв (в соответствии с классами водной миграции).

Классы расчленяются по особенностям миграции на роды ландшафтов. Выделяются три основных рода – элювиальный (автономный), супераквальный и субаквальный ландшафты.

Продукты выветривания и почвообразования элювиального ландшафта поступают с поверхностным и подземным стоком в пониженные элементы рельефа и влияют на формирование надводных (супераквальных) и подводных (аквальных) ландшафтов. Последние называются подчиненными. Ландшафты водоразделов менее зависят от надводных и подводных ландшафтов, т.к. не получают от них химических элементов с жидким и твердым стоком. Поэтому элювиальные ландшафты называются автономными.

Наконец, виды элементарных ландшафтов выделяют на основе подстилающих отложений, горных пород.

Для геохимических ландшафтов выделяются те же таксоны, что и для элементарных. Ряды геохимических ландшафтов соответствуют рядам элементарных. Число групп, типов, семейств и классов гораздо больше, т. к. один и тот же автономный ландшафт может сопрягаться с различными автномными и подчиненными. Геохимическое сопряжение обычно изображают, например, так:

Ca/CaFe

(т. е. автономный ландшафт относится к кальциевому классу, а супераквальный – в Са-Fe).

I – плоские равнины с замедленным водоообменом, слабым эрозионным расчленением или без него (приморские низменности, аллювиальные равнины и прочие области тектонических опусканий, вулканические и другие плато);

II – эрозионные возвышенности, расчлененные плато с более энергичным поверхностным и подземным стоком, плоские поверхности чередуются со склонами;

III – сильно холмистый и горный рельеф, бедленд – энергичный водообмен, преобладают склоновые поверхности, плоских участков почти нет.

Геохимические ландшафты крупных таксонов называются по типологическим терминам – таежные, степные, пустынные и прочие типы ландшафтов; северные, средние, южные семейства; кислые, кальциевые, сернокислые классы; I, II, III роды. Виды называются обычно по какому-нибудь географическому ареалу их распространения, например, каракумские, валдайские и т. д.