геохимия ландшафта (УМК)

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Нижегородский государственный педагогический университет
имени Козьмы Минина»
факультет естественных, математических и компьютерных наук
Кафедра географии, географического и геоэкологического образования
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно-методической
деятельности
_________________Г. А. Папуткова
«__» _____________20____г.
ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
Нижний Новгород
2013 г.
Учебно-методический
комплекс
по
дисциплине
«Геохимия
ландшафта» принят на заседании кафедры географии, географического и
геоэкологического образования «___» _________________ 2013, протокол №
1.
Рекомендовано для студентов, обучающихся по направлению
подготовки География профиль «Рекреационная география и туризм»
Разработчик: к.г.н., доцент С.А. Соткина
СОГЛАСОВАНО
Зав. кафедрой «_______________»
_________________/____________/
«____»_______________20__г.
СОДЕРЖАНИЕ
учебно-методического комплекса по дисциплине
«География почв с основами почвоведения»
1. Пояснительная записка
2. Рабочая(ие) программа(ы) дисциплины
3. Дидактические материалы по дисциплине
3.1. Планы проведения семинарских (практических, лабораторных)
занятий
3.2. Материалы для организации самостоятельной работы студентов
3.3. Перечень источников для подготовки к семинарским
(практическим, лабораторным) занятиям
3.4. Дополнительные дидактические материалы (раздаточный
дидактический материал; структурно-логические схемы по темам
дисциплины; опорные сигналы/ плакаты; рабочие тетради; деловые/ролевые
игры; тренинги; групповые и индивидуальные задания/ проекты;
практические (деловые) ситуации (кейсы); аудио- и видеоматериалы и др.).
4. Методические рекомендации (материалы)
5. Материалы для проведения текущего, рубежного и итогового
контроля
(диагностические
контрольные
материалы
(тесты,
компетентностно-ориентированные задания и пр.); примерные темы
рефератов, эссе; варианты лабораторных, самостоятельных работ; темы
курсовых и контрольных работ и др.).
6. Дополнительный материал учебно-методического комплекса
(конспекты (тезисы) лекций; словарь терминов и персоналий (глоссарий),
методические указания по выполнению курсовых (контрольных) работ и пр.).
1. Пояснительная записка
Учебно-методический комплекс дисциплины «Геохимия ландшафта»
предназначен для студентов, обучающихся по направлению 021000 География и в соответствии с основной образовательной программой
подготовки бакалавра относится к вариативной части математического и
естественнонаучного цикла.
Учебно-методический
методические
комплекс
рекомендации
по
включает
организации
учебную
программу
изучения
и
дисциплины
«Геохимия ландшафта». Содержание учебной программы полностью
согласуется с базовыми дидактическими единицами ФГОС ВПО.
В учебно-методическом комплексе предлагается система аудиторных и
внеаудиторных
форм
и
методов
изучения
содержания
дисциплин,
представлены материалы для текущего, промежуточного и итогового
контроля знаний, аттестационные педагогические измерительные материалы
(АПИМ) для оценки остаточных знаний студентов, глоссарий.
2. Рабочая программа дисциплины
1. Цели и задачи освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Геохимия ландшафта» является
формирование профессиональной компетентности в области вопросов,
связанных с геохимией ландшафта, миграцией химических элементов,
формированием геохимических ландшафтов.
Задачи дисциплины:
- рассмотреть особенности распространения химических элементов в
ландшафтах и познакомиться с геохимической классификацией элементов по
особенностям миграции в ландшафтах;
- изучить типы и виды миграции химических элементов в ландшафтах;
- познакомиться с геохимической классификацией природных
ландшафтов;
- рассмотреть особенности разных видов природных геохимических
ландшафтов (лесных, степных, луговых, пустынных, тундровых) и
техногенных геохимических ландшафтов.
2. Место дисциплины в структуре ООП ВПО
Дисциплина
Б2.В.1
«Геохимия
ландшафта»,
относится
математическому и естественнонаучному циклу.
к
Дисциплины, на которых базируется данная дисциплина: «Геология»,
«Химия», «Физика», «Землеведение», «Геоморфология», «Гидрология»,
«География почв с основами почвоведения», «Ландшафтоведение».
Дисциплины,
для
которых
данная
дисциплина
является
предшествующей: «Биогеография», «Геоэкология», «Экодиагностика».
1. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование
следующих компетенций или их составляющих:
ПК-4 - владением базовыми общепрофессиональными теоретическими
знаниями о географии, географической оболочке, геоморфологии с основами
геологии, климатологии с основами метеорологии, гидрологии,
биогеографии, географии почв с основами почвоведения, ландшафтоведении;
В результате освоения данной дисциплины студент должен:
знать:
- сущность основных понятий и терминов;
- специфику геохимии литосферы, атмосферы, гидросферы, педосферы;
- виды миграции химических элементов в ландшафтах;
- общие черты геохимии природных ландшафтов;
- геохимию техногенных ландшафтов.
уметь:
- использовать методы геохимических исследований в оценке
состояния окружающей среды;
- выполнять расчетные действия оценочного характера;
проводить
самостоятельную
аналитическую
работу
с
картографическими,
литературными
источниками,
статистической
информацией;
- проводить наблюдения, оценку и осуществлять прогноз
антропогенного воздействия в городской среде.
владеть навыками:
- расчета кларков концентрации и рассеяния;
- построения элементарных геохимических карт, профилей:
- классификации элементарных ландшафтов и выделения их на
местности;
- эколого-геохимической оценки состояния городских ландшафтов.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
в т.ч. занятия в активной
интерактивной формах
Лекции
Всего зач.ед.
3
и
Всего часов
108
54
6
Семестр 5
108
54
6
18
18
Лабораторные занятия
Самостоятельная работа
Контроль самостоятельной работы
Вид итогового контроля
36
41
13
36
41
13
зачет
зачет
5. Содержание дисциплины
5.1. Тематический план
Раздел дисциплины
Лекции
Раздел 1. Общая геохимия
ландшафта
1.1.
История
геохимии
ландшафта. Место геохимии
ландшафта в системе наук.
1.2. Ландшафтно-геохимические
системы.
Раздел 2. Общие особенности
миграции
химических
элементов в ландшафтах
2.1.Биогенная миграция
2.2.Физико-химическая
миграция
2.3.Механическая миграция
Раздел 3. Геохимия природных
ландшафтов
3.1.Геохимическая
классификация
природных
ландшафтов
3.2.Лесные ландшафты
3.3.Степные
и
луговые
ландшафты
3.4.Пустынные,
примитивнопустынные ландшафты
3.5.Тундровые ландшафты
Раздел
4.
Геохимия
техногенных ландшафтов
4.1.Техногенная миграция
4.2.Города
и
городские
ландшафты
4.3.Горнопромышленные
ландшафты. Агроландшафты
Раздел 5. Геохимия элементов
в ландшафтах
5.1.Геохимическая
классификация элементов по
особенностям
миграции
в
ландшафтах
и
биосфере.
Воздушные мигранты.
5.2.Водные мигранты
2
Количество часов
ПрактиСамостояческие
тельная
занятия
работа
2
3
Итого по
разделам
дисципли
ны
7
2
-
1
3
-
2
2
4
-
12
12
24
-
4
4
4
4
8
8
10
4
10
4
18
8
38
2
2
2
6
2
2
2
2
4
4
8
8
2
2
4
8
2
2
2
8
4
5
8
15
2
4
2
2
2
6
6
-
2
1
3
4
4
3
11
2
2
2
6
2
2
1
5
Самостоятельная работа
Контроль
самостоятельной
работы
Итого
18
36
41
13
95
13
54
108
5.2. Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Общая геохимия ландшафта
1.1. История геохимии ландшафта. Место геохимии ландшафта в системе наук.
Основоположники геохимии ландшафтов: В.В. Докучаев, В.И. Вернадский, А.Е.
Ферсман, Б.Б. Полынов. Развитие геохимии ландшафтов в 50-е годы, в 60-е и 70-е,
современный этап.
Геохимия ландшафта – «пограничная наука». Часть ландшафтоведения,
занимающаяся изучением ландшафтов «на атомарном уровне»; раздел геохимии –
ландшафтно-геохимический анализ охватывает все компоненты природной среды.
В системе естественных наук геохимия ландшафта занимает особое место и связь с
геологией, почвоведением, химией и биологией.
1.2 Ландшафтно-геохимические системы.
Элементарные ландшафтно-геохимические системы. Основные типы элементарных
ландшафтов по Б.Б. Полынову, типы элементарных ландшафтов по М.А. Глазовской.
Каскадные ландшафтно-геохимические системы. Матричный принцип организации
геохимической информации.
Раздел 2. Общие особенности миграции химических элементов в ландшафтах.
2.1. Виды и факторы миграции
Основной геохимический закон В.М. Гольдшмидта.
Внутренние и внешние факторы миграции. Концентрация и рассеяние химических
элементов. Разнообразие миграции. Геохимические спектры. Виды миграции химических
элементов. Типоморфные элементы, принцип подвижных компонентов. Геохимические
барьеры и геохимические дыры. Закон распределения химических элементов в
подсистемах ландшафта.
2.2. Биогенная миграция.
Образование живого вещества. Количество живого вещества. Соотношение
биомассы и ежегодной продукции. Группы и типы ландшафтов. Кларки живого вещества.
Интенсивность биологического поглощения. Биогеохимические коэффициенты.
Химический элементный состав организмов. Разложение органических веществ в
ландшафте. Биологический круговорот элементов (бик).
2.3. Физико-химическая миграция.
Общие особенности физико-химической миграции. Воздушная миграция: газовый
состав атмосферы, химический состав атмосферных осадков, атмосферный аэрозоль,
взаимодействие приземной атмосферы с земной поверхностью. Водная миграция:
интенсивность водной миграции химических элементов, ионный сток, сток растворенных
веществ, окислительно-восстановительные условия вод, щелочно-кислотные условия вод,
основные геохимические классы вод, зоны выщелачивания, общая минерализация вод,
ионный состав вод, коллоидная миграция, сорбция, сорбционные барьеры, концентрация
элементов на физико-химических барьерах.
2.4. Механическая миграция.
Механическая дифференциация пород и минералов. Механические ореолы
рассеяния. Механическая денудация, барьеры, зоны выноса.
Раздел 3. Геохимия природных ландшафтов.
3.1. Геохимическая классификация природных ландшафтов.
Общие принципы геохимической классификации ландшафтов. Классификация
элементарных ландшафтов. Классификация геохимических ландшафтов. Система
таксономических единиц.
3.2. Лесные ландшафты.
Влажные тропики: биологический круговорот. Систематика: кислые влажные
тропики, влажные тропики кислого глеевого класса, влажные тропики сернокислого
класса, влажные тропики кальциевого класса, влажные тропики соленосно-сульфидного
класса.
Ландшафты широколиственных лесов: биологический круговорот. Систематика:
дальневосточный
мусонный
отдел,
кавказский
отдел,
восточноевропейский,
среднеазиатский.
Таежные ландшафты: биологический круговорот. Систематика: приокеаническая
тайга,
умеренноконтинентальная
тайга,
континентальная
сибирская
тайга,
континентальная и резкоконтиненттальная сибирская мерзлотная тайга, приокеаническая
мерзлотная тайга, приокеаническая тайга без мерзлоты.
3.3. Степные и луговые ландшафты.
Биологический
круговорот.
Элювиальные
почвы,
коры
выветривания,
континентальные отложения. Черноземные степи: европейские луговые степи, средние и
южные европейские черноземные степи.
Сухие степи: северные европейские и казахские сухие степи, южные сухие степи.
Общие черты латеральной миграции элементов в степях. Субтропические степи.
Горнолуговые ландшафты.
Лесостепные ландшафты: европейская лесостепь, дальневосточная лесостепь,
западносибирско-североказахстанская лесостепь, Якутская мерзлотная лесостепь,
Забайкальско-Монгольская лесостепь.
3.4. Пустынные, примитивно-пустынные ландшафты.
Полярные
пустыни,
высокогорные
пустыни,
суббореальные
пустыни,
субтропические (средиземноморские) пустыни.
Примитивно-пустынные ландшафты: лишайниковые и водорослевые ландшафты
скал, примитивные пустыни хлоридно-сульфатного класса, соляные озера и шоровые
солончаки, гамады и такыры, вулканические ландшафты солянокислого класса.
3.5. Тундровые ландшафты.
Тундровый тип ландшафта: тундровая деградация, биологический круговорот.
Систематика: лесотундровые и тундрово-таежные ландшафты.
Раздел 4. Геохимия техногенных ландшафтов.
4.1. Техногенная миграция.
Техногенные процессы: два геохимических типа техногенной миграции,
геохимическая классификация техногенных процессов, техногенные источники
загрязнения, технофильность и другие показатели техногенеза, техногенные
геохимические аномалии, техногенные зоны выщелачивания и геохимические барьеры.
Техногенные и природно-техногенные системы: техногенные почвы, коры
выветривания, водоносные горизонты. Геохимическая устойчивость и геохимическая
совместимость техногенных систем.
Ландшафтно-геохимический мониторинг. Оптимизация техногенеза.
4.2. Города и городские ландшафты.
Систематика городов и городских ландшафтов: геохимические принципы экологогеографической систематики городов, геохимическая систематика городских ландшафтов.
Эколого-геохимические оценки состояния городов.
4.3. Горнопромышленные ландшафты. Агроландшафты.
Геохимическая систематика горнопромышленных ландшафтов. Геохимия
отдельных ГПЛ: ГПЛ нефтяных, угольных, газоносных месторождений. ГПЛ рудных
месторождений. ГПЛ в районах добычи агрономических руд.
Агротехногенез. Виды агротехногенеза. Геохимическая систематика агроландшафтов.
Раздел 5. Геохимия элементов в ландшафтах. Воздушные мигранты.
5.1. Воздушные мигранты.
Геохимическая классификация элементов по особенностям миграции в ландшафтах
и биосфере Элементы, образующие химически активные газы. Инертные газы.
5.2. Водные мигранты.
Подвижные и слабоподвижные литофильные водные мигранты, халькофильные и
сидерофильные водные мигранты, малоподвижные и слабоизученные литофильные и
сидерофильные водные мигранты.
5.3. Разделы дисциплины и связь с формируемыми компетенциями
Наименование
компетенций
№ разделов дисциплины, участвующих в формировании
компетенций
1
3
4
5
2
ПК-4
+
+
+
+
+
6. Образовательные технологии
При изучении дисциплины «Геохимия ландшафта» рекомендуется применение
активных (семинары) и интерактивных (учебная конференция) форм работы.
Темы занятий в активной и интерактивной формах
1. Геохимическая классификация природных ландшафтов – 2 ч
2. Геохимия техногенных ландшафтов – 2 ч
3. Геохимическая классификация элементов по особенностям миграции в ландшафтах
и биосфере. Воздушные мигранты – 2 ч
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
7.1. Основная литература:
1. Голдовская Л.Ф. Химия окружающей среды: Учеб. Для студентов
вузов/ Л.Ф. Голдовская. – М.: Мир, Бином, Лаборатория базовых знаний,
2007. – 295 с.
2. Садовникова Л.К. Экология и охрана окружающей среды при
химическом загрязнении: Учеб. пособие для студентов : Рек. М-вом
образования и науки РФ / Л.К.Садовникова, Д.С.Орлов, И.Н.Лозановская.Изд. 4-е, стереотип.- М.: Высш. шк., 2008.- 334 с.
3. Соткина С.А. Эколого-геохимическая ситуация на территории
Нижегородской агломерации / С.А.Соткина; Нижегор. гос. пед. ун-т.Н.Новгород, 2008.- 106 с.
4. Трифонов К.И. Физико-химические процессы в техносфере: Учеб.
для студентов вузов: Допущено М-вом образования и науки РФ /
К.И.Трифонов, В.А.Девисилов.- М.: Форум, 2007.- 239 с
7.2. Дополнительная литература:
1. Геохимия ландшафта и география почв.- М.: Изд-во МГУ, 2002. –
260 с.
2. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта: Учебное
пособие: Астрея, 2000. - 768 с.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Реализация дисциплины требует наличия учебной аудитории,
лаборатории геохимии ландшафта, компьютерного класса, оборудованного
рабочими местами для выполнения учебных работ с использованием
стандартных пакетов программ и пакетов математической обработки
статистических баз данных.
Оборудование
кабинета-лаборатории:
химические
реактивы,
химическая лабораторная посуда, экологические атласы.
Технические средства обучения: компьютер, мультимедийный
проектор.
9. Контроль и оценка результатов освоения дисциплины
Контроль и оценка результатов освоения дисциплины осуществляется в
процессе текущего контроля на практических занятиях, проведении
рубежного тестового контроля, зачета по окончании изучения дисциплины.
Формируемые компетенции и используемые оценочные средства
Наименование
компетенций
Показатель
оценки
сформированности
компетенции
№ разделов дисциплины, участвующих в
формировании компетенций
1
2
3
4
5
ПК-4 - владением базовыми общепрофессиональными теоретическими знаниями о
географии, географической оболочке, геоморфологии с основами геологии,
климатологии с основами метеорологии, гидрологии, биогеографии, географии почв с
основами почвоведения, ландшафтоведении;
Знает сущность основных понятий и
терминов; специфику геохимии литосферы,
атмосферы, гидросферы, педосферы; виды
миграции химических элементов в ландшафтах;
общие черты геохимии природных ландшафтов;
геохимию техногенных ландшафтов.
Умеет
использовать
методы
геохимических исследований в оценке состояния
окружающей среды; выполнять расчетные
действия оценочного характера;
проводить
самостоятельную аналитическую работу с
картографическими, итературными источниками,
статистической информацией;
- проводить наблюдения, оценку и
осуществлять
прогноз
антропогенного
воздействия в городской среде.
Владеет навыками
расчета кларков
концентрации и рассеяния;
построения
элементарных геохимических карт, профилей;
классификации элементарных ландшафтов и
выделения
их
на
местности;
эколого-
реферат
тест
Лабораторн
о-практич.
работа
Тесты
Практи
ческая
работа
Тест
геохимической
ландшафтов.
оценки
состояния
городских
Контрольные вопросы к зачету
1. Цели, задачи геохимии ландшафта. Место геохимии ландшафта в
системе наук.
2. История развития геохимии ландшафта.
3. Особенности миграции химических элементов в ландшафтах.
4. Биогенная миграция. Закономерности кларков живого вещества.
Биофильность.
5. Физико-химическая миграция: особенности, свойства.
6. Интенсивность водной миграции элементов.
7. Воздушная миграция элементов.
8. Геохимический эффект механической дифференциации.
9. Систематические признаки геохимических ландшафтов.
10.Основные таксоны геохимической классификации элементарных и
геохимических ландшафтов.
11.Геохимические особенности бика лесных ландшафтов.
12.Геохимические особенности бика степных и луговых ландшафтов.
13.Геохимические особенности бика пустынных ландшафтов.
14.Геохимические особенности бика тундровых ландшафтов.
15.Геохимические особенности техногенных ландшафтов.
16.Горнопромышленные и агроландшафты: систематика, особенности.
17.Геохимическая классификация элементов по особенностям миграции в
ландшафтах.
3. Дидактические материалы по дисциплине
3.1. Планы проведения лекционных и лабораторных занятий
Аудиторные занятия по дисциплине «Геохимия ландшафта»
организованы в форме лекций и лабораторных занятий.
Согласно учебному плану на лекционный курс отводится 36 часа. В
соответствии с учебной программой разработана система лекционных
занятий.
Система лекционных занятий
Разделы программы
№
Название раздела
1
№
Лекции
Тема лекции
Кол-во
часов
2
3
4
5
ИТОГО
18
Согласно учебному плану дисциплины на блок лабораторных занятий
отводится 36 часов. В соответствии с учебной программой дисциплины
разработана система лабораторных занятий.
Система лабораторных занятий
№
Разделы программы
Название раздела
№
Лабораторно-практические занятия
Тема занятия
Кол-во
часов
1
3.
4.
ВСЕГО
36
3.2. Материалы для организации самостоятельной работы
студентов
ТЕМАТИКА КУРСОВЫХ РАБОТ
1. Геохимическая ситуация на территории района своего проживания.
2. Загрязнение гидросферы тяжелыми металлами.
3. Мониторинговые исследования окружающей среды.
Темы для написания контрольных работ
1. Геохимические особенности ландшафтов широколиственных лесов.
2. Геохимические особенности влажных тропиков.
3. Геохимические особенности таежных ландшафтов.
4. Геохимические особенности степных ландшафтов.
5. Геохимические особенности черноземных степей.
6. Геохимические особенности сухих степей.
7. Геохимические особенности лесостепных ландшафтов.
8. Геохимические особенности полярных пустынь.
9. Геохимические особенности тундрового типа ландшафта.
10.Геохимические особенности примитивно-пустынных ландшафтов.
11.Геохимические особенности техногенных ландшафтов.
12.Геохимические особенности городских ландшафтов.
13.Геохимические особенности горнопромышленных ландшафтов.
14.Геохимические особенности агроландшафтов.
15.Геохимические особенности ландшафтов, загрязненных ракетным
топливом.
16.Геохимические особенности аквальных ландшафтов.
17.Геохимические особенности прибрежных ландшафтов морей.
18.Геохимическая классификация элементов по особенностям их миграции в
ландшафтах и биосфере.
19.Геохимические особенности миграции и накопления химических
элементов в ландшафтах и биосфере (можно рассмотреть один элемент).
20.Геохимические барьеры в почвах какого-либо природного региона.
21.Классификация геохимических ландшафтов (по работам, Б.Б. Полынова,
А.И. Перельмана, М.А. Глазовской).
22.Физико-химические барьеры и их роль в загрязнении и очищении
ландшафтов.
23.Геохимические аспекты загрязнения какого-либо региона, связанные с
промышленной деятельностью, добычей полезных ископаемых, сельским
хозяйством.
24.Техногенные ландшафты и их способность к самоочищению и
восстановлению.
25.Геохимические аспекты засоления и рассоления ландшафтов.
26.Геохимические этапы.
27.Историческая геохимия ландшафтов России и сопредельных стран.
28.География геохимических ландшафтов.
Тест по геохимии ландшафта
1. геохимия ландшафта возникла на стыке трех наук:
а. геологии, химии, геохимии,
б. ланшафтоведении, почвоведении, химии,
в. геохимии, почвоведении, учении о ландшафте.
2. Основателем науки, геохимия ландшафта является:
а. А.Е. Ферсман,
б. В.В. Докучаев,
в. Б.Б. Полынов.
3. Основоположником какой науки был В.И. Вернадский:
а. почвоведение,
б. геохимия,
в. геология.
4. Изоморфизм – это…
а. способность элементов замещать друг друга в кристаллических
структурах, не нарушая их строение,
б. способность двух или нескольких веществ одинакового состава
кристаллизоваться в разных формах,
в. совместное нахождение минералов, обусловленное генетической связью
между ними.
5. Кларк – это…
а. среднее содержание элемента в литосфере, гидросфере, атмосфере,
б. среднее процентное содержание элемента в литосфере, гидросфере,
атмосфере,
в. процентное содержание элемента в земной коре.
6. назовите 8 наиболее распространенных элементов земной коры:
а. О, Si, Al, Fe, Ca, Na, К, Mg,
б. О, Si, Ca, Na, К, Mg, Ti, Mn,
в. О, Si, Al, Ba, S, Ni, Ti, Mn.
7. Силикаты составляют около:
а. 90 % массы земной коры,
б. 80 % массы земной коры,
в. 99 % массы земной коры.
8. гранит состоит из минералов:
а. кварц, кальцит, слюда,
б. полевой шпат, слюда, кварц,
в. слюда, кварц, галенит.
9. коэффициент концентрации – это:
а. отношение Кларка элемента в литосфере к его содержанию в объекте,
б. отношение содержания элемента в изучаемой системе к его Кларку в
литосфере,
в. содержание химического элемента в какой-либо системе.
10. Чистый и сухой воздух на уровне моря представляет собой
механическую смесь нескольких газов:
а. азот – 78,09%, кислород – 20,95 %, аргон – 0,93%, углекислый газ – 0,03 %,
б. кислород – 78,09%, азот – 20,95 %, аргон – 0,93%, углекислый газ – 0,03 %,
в. азот – 78,09%, кислород – 20,95 %, углекислый газ – 0,93%, аргон – 0,03 %,
11. По характеру изменения температуры атмосферу делят на:
а. тропосферу, мезосферу, стратосферу, термосферу, экзосферу,
б. тропосферу, стратосферу, экзосферу, мезосферу, термосферу,
в. тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу.
12. коэффициент рассеяния – это:
а. отношение Кларка элемента в литосфере к его содержанию в объекте,
б. отношение содержания элемента в изучаемой системе к его Кларку в
литосфере,
в. содержание химического элемента в какой-либо системе.
13. Миграция элемента определяется:
а. величиной Кларка и ландшафтно-геохимическими условиями,
б. химическими свойствами и величиной Кларка,
в. химическими свойствами.
14. О каком виде миграции идет речь: определяется законами физики и
химии – диффузией, растворением, осаждением, сорбцией и т.д.
а. механическая,
б. техногенная,
в. физико-химическая.
15. Геохимический барьер – это…
а. участок земной коры, в котором на коротком расстоянии происходит
резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как
следствие, их концентрация,
б. участок земной коры, в котором на коротком расстоянии резко изменяются
гидрогеохимические условия, усиливается подвижность элементов, вплоть до
полного исчезновения,
16. Какая группа элементов являются катионогенными:
а. Ca, N, C, P, Se, Mo, Si, As, V, Cr, Br, I,
б. S, Cl, N, C, P, Se, Mo, Si, As, V, Cr, Br, I,
в. Ca, Mg, Na, K, Sr, Rb, Cu, Zn, Cd.
Методические рекомендации (материалы)
Лекция 1. Введение в науку
4.
Геохимия
ландшафта
как
самостоятельное
научное
направление
сформировалась в нашей стране в 40–х годах ХХ века.
Возникновение геохимии ландшафта именно в это время и именно в
нашей стране не случайно, оно связано с общими тенденциями развития
естествознания.
1.
ХХ столетие – эпоха бурного развития наук, изучающих атом. Коренное
изменение
производства,
межпланетные
сообщения.
неисчерпаемые
источники
«Атомистический»
подход
энергии,
оказался
плодотворным и позволил открыть новые закономерности и факты в
«старых» областях знаний. (Пример: история геологических наук, среди
которых в ХХ веке возникла геохимия, изучающая историю атомов
Земли).
2.
широкое и планомерное использование природных ресурсов вызвало
необходимость
комплексного
изучения
территории,
исследования
многообразных связей, существующих между отдельными частями
ландшафта (атмосфера – горные породы – рельеф – воды –
растительность – почвы и т.д.). Возрастает практическое значение
раздела географии – учение о ландшафтах.
Таким образом, геохимия ландшафта возникла на стыке трех наук –
геохимии (Вернадский, Ферсман, Голдшмидт), почвоведения (Докучаев) и
учения о ландшафте (Берг).
УЧЕНИЕ О ЛАНШАФТЕ
(Берг)
ГЕОХИМИЯ
(Вернадский, Ферсман,
Голдшмидт)
ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА
ПОЧВОВЕДЕНИЕ (Докучаев)
Базовой наукой для развития геохимии ландшафта была геохимия,
которая, по определению Вернадского, изучает историю атомов в земной
коре.
В античности человечеству было известно 19 химических элементов, в
18 в. – 28 элементов (были открыты H, As, Bi, Hg и др.). 19 в. – период
бурного развития представлений о свойствах веществ, были получены новые
элементы, всего стал известен 51 элемент. Среди основных достижений
науки этого времени следует назвать:
1) получение Берцелиусом элементов Th, Sc, Ti, Zr;
2) развитие агрохимии, химии растений – Либих, Дюма, Буссенго;
3) развитие химии земной коры – Бишоф, Брейтгаут;
4) представления о спектральном анализе химических элементов –
определении элементов по спектрам - Кирхгоф, Буизен, 1859;
5) открытие Периодического закона, предсказание по нему элементов Sc
и др. – Менеделеев;
6) вычисление средних содержаний элементов в горных породах – Кларк
(1889).
Рождение геохимии как науки относится к началу XX в. В. И.
Вернадский (1863-1945) в бытность свою заведующим кафедры
минералогии
МГУ
(1908-1911)
установил
безминеральное
существование элементов (рассеянные формы) в земной коре.
Согласно закону Вернадского-Кларка, все элементы есть везде, но в
разных концентрациях. Вернадский также занимался изучением
содержания элементов в биосфере. А. Е. Ферсман (1883-1945) впервые
в 1911 г. прочел курс лекций по геохимии. Он является автором
двухтомного труда “Геохимия”.
Есть возникшее в глубине веков изречение: “Прежде чем
считать звезды, посмотри под ноги”. По-научному, его можно
перефразировать так: “Изучая звезды и галактики, не меньше
внимания стоит уделять земным недрам”, И не только с той
целью, чтобы обнаружить в них новые полезные ископаемые. А
также и затем, чтобы детально разобраться в том, как они,
эти самые земные недра, формировались на протяжении
миллиардов лет и какие закономерности управляли и управляют
их формированием. Нашу планету часто именуют гигантской
химической лабораторией. Мы бы уточнили: физико-химической,
потому что наблюдаемое ныне распределение и состав тысяч
горных пород и минералов - это результат действия многих и
физических, и химических процессов. Они должны быть объектом
исследования нескольких научных дисциплин. Среди таких
дисциплин первое место, безусловно, принадлежит геохимии.
Учение
о
ландшафтах
составляет
тот
раздел
географии,
необходимость которого для общества выявилась уже в глубокой
древности. На заре своей истории человечество встретилось с проблемой
рационального использования пространства. Но в то время эта проблема не
имела особого значения, т.к. производительные силы не были развиты. В
дальнейшем в связи с ростом техники и народонаселения значение этих
вопросов резко возросло и в настоящее время достигло критического
значения. Когда человек овладел атомной энергией и другими силами
природы, он может превратить сферу своей жизни в цветущий сад и в
пустыню.
Поставив перед собой определенную цель, человек изменяет какую-то
часть окружающей природы – распахивает степь, вырубает леса, орошает
пустыни и т.д. Но в природе все части тесно связаны между собой: почва с
растительностью, с водами, с животным миром и т.д. Поэтому изменение
одной части приводит к изменению других. Ценой многочисленных потерь
человечество убедилось, что природа земной поверхности – это не собрание
независящих друг от друга частей, сложный комплекс, ведущий себя как
единое целостное образование.
Уже несколько тысяч лет назад возникла необходимость изучения связей
между отдельными частями географической среды, т.е. необходимость
особой науки об этих связях. Основы науки были разработаны великим
русским
ученым
профессором
Петербургского
университета
В.В.
Докучаевым в виде учения о зонах природы. Развитие идей Докучаева
привело к представлению о единицах территории, для которых характерны
не только определенные биоклиматические условия, но также определенное
геологическое строение и тип рельефа. Все части такой природной
территориальной единицы – почвы, воды, организмы, приземная атмосфера –
тесно связаны между собой. Эти природные территориальные комплексы
(ПТК)
получили
различные
наименования:
«тип
местности»,
«тип
территории», «природный ландшафт».
Учение о ландшафтах создавалось представителями различных наук.
Вместе с тем как бы по-разному ни складывалась научая судьба этих
исследователей, с какой бы наукой официально они ни были связаны в
начале своего научного творчества, в дальнейшем разными путями они
приходили к выводу о необходимости изучения земной поверхности как
единого целого, о необходимости изучения связей между отдельными
явлениями природы.
Задачи учения о ландшафте:
1.
Разработать теорию преобразования природного ландшафта на основе
данных многих наук и собственных оригинальных методов.
В культурном ландшафте д.б. достигнуто полное использование
природных ресурсов и не должно происходить их разрушения. В таком
ландшафте достигается наилучшее использование природных ресурсов:
плодородие почв выше, леса дают больше древесины, в водоемах
больше рыбы и хозяйственная деятельность не должна приводить к
«непредвиденным последствиям»: не должно быть роста оврагов,
заболачивания, засоления и т.д.
2.
Опираясь на сведения из разных наук и на свои собственные методы,
разработать для каждого ландшафта пути создания условий наиболее
здоровой жизни населения.
Культурный ландшафт д.б. местом здоровым для жизни человека, т.е.
наилучшим
в
гигиеническом
отношении.
Современная
гигиена
выработала требования к составу воды, пищи, воздуха, выработала
«нормы потребления» различных соединений. В природном ландшафте
часто эти условия не достигаются. Если местные продукты питания
полностью
обеспечивают
человека
одной
группой
химических
элементов, то другие могут находиться в недостатке, а некоторые и в
избытке. В культурном ландшафте используются природные ресурсы не
только данного региона, но и часто более далеких районов (привозная
пища), возникает возможность создания наилучших условий для жизни
человечества.
3.
Культурный ландшафт должен удовлетворять эстетические запросы
людей – он должен быть красив.
Разрешение практических задач настоятельно требует внедрения в
учение о ландшафтах новых методов исследования и дальнейшего развития
теории. К числу таких методов и относятся методы геохимии.
В истории геохимии много общего с историей учения о ландшафте.
Один из основателей геохимии В. И. Вернадский является учеником
Докучаева. Таким образом, геохимия и учение о ландшафтах родились в
одном научном центре – Докучаевской школе.
В.И.Вернадский
получил
блестящее
образование,
явившееся
фундаментом успешной научной деятельности. Он закончил физикоматематический
факультет
Петербургского
преподавали выдающиеся ученые
Д.И.Менделеев
В.В.Докучаев
университета,
где
(основатель почвоведения),
(создатель периодической системы химических элементов),
А.И.Воейков
(создатель
современных
представлений
климатологии),
А.Н.Бекетов (основатель научной школы географии растений), Н.П.Вагнер
(крупный специалист по фауне беспозвоночных).
Творческие интересы В.И.Вернадского были очень широки.

Он был не только геологом, но и занимался биологией, изучением
почв, природных вод, метеоритов, проблем радиоактивности. Из 416
опубликованных трудов 100 посвящено минералогии, 70-биогеохимии, 50геохимии,
43-истории
наук,
37-организационным
вопросам,
29-
кристаллографии, 21–радиогеологии, 14–почвоведению, остальные - разным
проблемам науки. Общей характерной чертой исследований ученого является
фундаментальность. Поэтому его труды и идеи не потеряли актуальности и
практического значения и в наши дни.

разделил кристаллографию и минералогию, считая, что первая
опирается на физику и математику, а вторая – является химией земной коры
и связана с геологией.

Развил особую отрасль геохимии – биогеохимию.
Из генетической минералогии зародилась новая наука – геохимия,
основателем которой общепризнан В.И.Вернадский. Сам термин
“геохимия” был предложен швейцарским химиком Ф.Шенбейном еще
в 1838 г., но Вернадский придал этому термину новый смысл.
Виктор
Мориц
Гольдшмидт—
химик
и
геофизик,
один
из
основоположников геохимии и кристаллохимии.

придумал геохимическую классификации элементов,

предложил
закон
изоморфизма.
Изоморфизм способность элементов
замещать друг друга в кристаллических структурах, не нарушая их
строение. Например, минерал сфалерит состоит из цинка и серы, очень
часто цинк может замещаться железом.

выдвинул одну из первых теорий относительно состава и строения
глубин Земли,

одним из первых рассчитал состав верхней континентальной коры.
Серия его работ под названием «Геохимия элементов» считается
началом геохимии. Работы Гольдшмидта о атомных и ионных радиусах
оказали большое влияние на кристаллохимию.
Его главный труд — «Геохимия» — был отредактирован и издан
посмертно в Англии в 1954 году.
Франк Уиглсуорт Кларк американский геохимик, член Академии
искусств и наук (1911).
Основные труды посвящены определению состава различных
неорганических природных образований и земной коры в целом. Кларк
первым рассчитал средний состав земной коры. Средние концентрации
элементов названы по его имени кларками.
Полынов к изучению ландшафтов пришел от Докучаевского
почвоведения.
Вначале
это
были
почвенно-географические
исследования, но они не удовлетворяли Полынова и он ищет новые
пути в изучении ландшафтов и находит их в геохимии. В начале 30-х
годов Полынов приступает к разработке учения о ландшафтах на
геохимической основе.
Заслуги Полынова:

1944 первое литературное оформление идей – установлено понятие
«геохимический ландшафт»;

разработал методику геохимического изучения ландшафтов;

дал краткую геохимическую характеристику ландшафтов влажных
субтропиков Грузии, зоны смешанных лесов, черноземных степей.
Ферсман Александр Евгеньевич (1883 – 1945), советский
геохимик и минералог, академик АН СССР. Ученик В. И. Вернадского.

1912 им был прочитан первый курс геохимии;

являлся одним из организаторов (1912) и редакторов журнала
«Природа»;

участвовал в исследованиях Кольского полуострова, Тянь-Шаня,
Кызылкумов и Каракумов, Урала, Забайкалья и др. районов;

большое внимание уделил проблеме кларков и миграции элементов;

разрабал проблему энергетики природных неорганических процессов;

предложил
геоэнергетическую
теорию,
в
которой
связал
последовательность выпадения минералов с величинами энергий
кристаллических решёток;

одним из первых обосновал необходимость применения геохимических
методов при поисках месторождений полезных ископаемых;

много внимания уделял проблемам региональной геохимии;

в 1926 наметил впервые Монголо-Охотский геохимический пояс.
Ферсман широко известен как автор популярных книг и статей
«Воспоминания
о
камне»,
«Занимательная
минералогия»,
«Занимательная геохимия».
Вильямс
Василий
Робертович
почвовед,
(1863-1939)
действительный член АН БССР, академик АН СССР.
 Вильямс развивал учение Докучаева о почве и вместе с П. А.
Костычевым
явился
основоположником
агрономического
почвоведения;
 обосновал ведущую роль в почвообразовании биологических
факторов;
 создал учение о малом биологическом круговороте веществ как
основе развития почвы;
 Развитие почв и их свойств связывал с плодородием;
 разработал травопольную систему земледелии.,
Будучи почвоведом, Ферсман много внимания уделял геохимии
земной поверхности. Основной интерес был направлен на изучение
«зоны гипергенеза» (выветривания).
 о геохимической зональности;
 о природе окраски ландшафтов;
 исследования по геохимии пустыни.
Виноградов Александр Павлович - советский геохимик, академик
АН СССР, вице-президент АН СССР. Ученик и ближайший сотрудник
Вернадского, заведующий кафедрой геохимии МГУ (с 1953).
Исследования имеют широкий диапазон — от биогеохимии до
космохимии.
 изучал изменения химического состава организмов в связи с их
эволюцией, особенно содержание в организмах редких и рассеянных
элементов (микроэлементов);
 ввёл в науку понятие биогеохимические провинции и описал связанные с
ними биогеохимические эндемии растений и животных;
 развил биогеохимический метод поисков полезных ископаемых;
 на основе изотопных исследований показал, что фотосинтетический
кислород образуется из воды, а не из углекислого газа.
 в области геохимии проводил идею создания физико-химической теории
геологических процессов;
 изучал геохимию ряда элементов, в частности редких элементов в почвах,
и состав пород Восточно-Европейской (Русской) платформы;
 определил средний состав главных пород Земли;
 предложил гипотезу универсального механизма образования оболочек
планет на основе зонного плавления силикатной фазы и разработал
представление о химической эволюции Земли;
 создал новое направление в науке СССР — геохимию изотопов —
фракционирование в природных процессах изотопов лёгких элементов О,
S, C, К и Pb;
 внёс вклад в изучение геохимии океана;
 совместно с сотрудниками сделаны определения абсолютного возраста
Земли, щитов — Балтийского, Украинского, Алданского, также пород
Индии, Африки и других регионов;
 вёл радиохимические исследования и непосредственно участвовал в
создании атомной промышленности;
 изучал состав метеоритов (разные формы углерода, газов и др.);
 разработал проблему химии планет;
 по данным, полученным с помощью межпланетных космических станций,
установил наличие базальтических пород на поверхности Луны и
определил состав атмосферы Венеры.
 организовал в институте геохимии и аналитической химии им.
Вернадского АН СССР проведение тонких химических исследований. Это
позволило решить задачу «чистоты» многих современных материалов и
тем самым способствовало техническому прогрессу.
Перельман Александр Ильич
 разработал основополагающие принципы геохимии ландшафтов;
 ввел в науку понятие о геохимических барьерах;
 создал геохимическую классификацию ландшафтов;
 подчеркнул роль живого вещества в миграции атомов в природном
ландшафте и биосфере в целом.
Предложенные им понятия в настоящее время являются одними из
фундаментальных в геохимии и дают объяснение многим аномальным
концентрациям элементов в ландшафтах и зоне гипергенеза в целом.
Глазовская Мария Альфредовна.

организовала и возглавила экспедицию с целью разработки методики
ландшафтно-геохимических исследований при поиске руд;

разработала методологию ландшафтно-геохимических исследований;

1961 г. монография «Геохимия ландшафтов и поиски полезных
ископаемых на Южном Урале» посвящена использованию ландшафтногеохимических методов при поиске рудных месторождений;

1964 г. монография «Геохимические основы типологии и методики
исследования природных ландшафтов» посвящена фундаментальным
аспектам общей теории геохимии ландшафтов, их классификации и
картографирования;

в 1959 г. создала первую в мире и СССР университетскую кафедру
геохимии ландшафтов;

разработала курсы: «Геохимия ландшафтов СССР», «Геохимические
функции микроорганизмов», «Геохимия природных и техногенных
ландшафтов СССР»;

разработала
программы
по
медицинской
геохимии
ландшафтов,
биологической продуктивности, по проблемам загрязнения окружающей
среды;

сформировала представление о территориальных природных единицах
со
сходными ответными
реакциями
на возможное техногенное
воздействие;

внедрила в географию почв идеи и представления разработанные
геохимией ландшафтов;

составила серию прогнозных почвенно-геохимических карт.
Место геохимии в системе наук
Геохимия ландшафта – пограничная наука. С одной стороны –
это часть ландшафтоведения, занимающаяся изучением ландшафтов
на атомарном уровне, т.е. процессов миграции и концентрации
элементов в них. Но геохимию ландшафта можно рассматривать и
как раздел геохимии. Ландшафтно-геохимический анализ охватывает
все компоненты природной среды. Поэтому геохимия ландшафта
имея собственную теорию, методы и сферу приложения, в
значительной степени опирается на теорию и практику смежных
географических наук. Кроме ландшафтоведения это:
- география почв,
-
биогеография,
- геоморфология,
-
палеогеография,
- гидрология суши, - климатология, - картография и геонформатика.
Занимаясь геохимическими аспектами проблемы взаимодействия
природы и общества, геохимия ландшафта тесно связана и
использует данные – экономической географии, - экономики.
Геохимия ландшафта в системе географических наук
Естественные географические науки
Ландшафтная
ландшафтоведение
Геофизика
экология
Биогеография
ландшафта
ГЕОХИМИЯ
ЛАНДШАФТА
Геоморфология
и
палеогеография
География почв
Гидрология
Картография и
суши
геоинформатика
Климатология
общественные географические науки, экономика
География
География сельского
География
промышленности
хозяйства
транспорта
ЭКОНОМИКА
Геохимия ландшафта в системе геологических, химических, биологических и
почвенных наук
Распространенность химических элементов
Периодическая система Мендеелева включает в себя 109 элементов, но в
природе встречается лишь 89 (43 – Tc – технеций, 85 – At – астат, 87 – Fr –
франций и с 93 по 109 получены искусственно в результате ядерных реакций.
Содержание одних и тех же химических элементов в разных ландшафтах
неодинаково, что во многом обусловлено их миграцией. Закономерности в
распространенности химических элементов могут быть выявлены лишь при
анализе среднего химического состава земной коры, который впервые был
установлен на рубеже 20 века. В честь американского химика Кларка,
посвятившего более 40 лет решению данной проблемы, Ферсман предложил
в 1923 году среднее содержание химического элемента в земной коре или
какой-либо ее части называть Кларком. Кларк – среднее процентное
содержание элемента литосфере, гидросфере, атмосфере.
На сегодняшний день установлены Кларки большинства элементов.
Главная особенность распространенности элементов заключена в огромной
контрастности Кларков. Почти половина твердой земной коры состоит из
одного элемента – О (Кларк 47 %), на втором месте стоит Si (29,5 %), на
третьем – Al (8,05 %). В сумме они составляют 84,55 %. Далее Fe (4,65), Ca
(2,96), Na (2,5), К (2,5), Mg (1,87), Ti (0,45) – 99,48 %. На остальные 80
элементов приходится менее 1 %.
Кларки большинства элементов не
превышают 0,01-0,0001 %. Это редкие (U, Sn, Mo) и редкие рассеянные (Br
бром, In индий, Ra - радий, I - йод, Hf - гафний, Re - рений, Sc – скандий и
др.) элементы. Например, у U и Br Кларки почти одинаковы (2,5·10-4 и 2,1·104
%), но U редкий элемент, т.к.
известно много урановых минералов,
разнообразные его месторождения, а Br редкий рассеянный, т.к. он почти не
концентрируется в земной коре и известен лишь один собственный минерал
этого элемента.
Итак, содержание элементов в земной коре колеблется в миллиарды
миллиардов раз. И обычные представления, почерпнутые из повседневного
опыта, не всегда совпадают с данными геохимии. Например, (Как вы
думаете, какой элемент является более распространенным элементом Cu
или Zr. Cu широко распространены в быту и технике, а Zr для нас – «редкий
элемент». Вместе с тем Zr в земной коре почти в 4 раза больше, чем Cu.
«Редкость» Zr объясняется трудностью его извлечения из руд, которая была
полностью преодолена только в середине ХХ века, когда разработали
технологию эффективного получения этого элемента. Он стал широко
использоваться в промышленности. Мы еще только привыкаем к нему, а с Cu
человечество познакомилось тысячелетия назад в «бронзовый век» (бронза –
сплав меди с разными металлами).
Когда
была
установлена
различная
частота
химических
элементов в земной коре, то, естественно, возник вопрос, почему
одних
элементов
много,
а
других
мало?
Контрастность
в
распространении элементов станет более наглядной, если все элементы
расположить в ряд по их частоте. O, Si, Al, Fe, Ca, K, Na, Mg.
Более контрастная картина открывается, если исходить из
объемных процентов, т.е. подсчитать, какую часть пространства
твердой земной коры занимают атомы различных элементов. Впервые
эту задачу решил геохимик Гольдшмидт. Он считал, что наиболее
распространенные элементы находятся в литосфере в виде ионов
приблизительно шаровой формы. Радиус этих ионов подсчитали, и
поэтому можно определить объем, занимаемый главнейшими ионами.
Для главнейших элементов были получены следующие числа (%):
кислор
91,
од
77
калий
2,1
натрий
кальций
1,
желе
0,
48
зо
68
кремни
0,
магн
0,
4
й
8
ий
56
1,6
алюмин
0,
титан
0,
0
ий
76
22
Таким образом, оказывается, что литосфера по объему в основном
состоит из крупных ионов кислорода, которые в ней почти
соприкасаются. Другие элементы часто занимают промежуток между
ионами кислорода. Чрезвычайно характерна редкость кремния,
имеющего ион очень малого размера. Отмеченная различная частота
химических элементов в земной коре имеет большое значение для
геохимии ландшафта. В ландшафте преобладают в общем те же
элементы, что и в земной кое в целом. Редкие химические элементы,
которые располагаются во второй половине периодической системы,
редки и в ландшафте.
Кристаллическое вещество земной коры
В.И. Вернадский указывал, что минералогия представляет собой
химию земной коры. Строгие законы кристаллохимии определяют
состав и строение минералов, слагающих земную кору. Минералы
состоят в основном из ограниченного числа химических элементов, но
это не означает простоту их кристаллохимической структуры.
В ионной структуре положительно заряженный атом окружен
отрицательно
заряженными.
Число
ионов,
приходящееся
на
противоположно заряженный ион, называется его координационным
числом.
Представим себе сферы действия ионов в виде твердых шаров,
размеры которых пропорциональны ионным радиусам. С этими
шарами мы можем моделировать различные кристаллохимические
структуры. Условие моделирования следующее: шары-ионы должны
прочно примыкать друг
к
другу, это
необходимое условие
устойчивости структуры. Должна выглядеть как каменная стена,
где каждый камень прочно поддерживает соседние.
Три
соприкасающихся
шара
составляют
внутри
меньшее
пространство, чем четыре или шесть. (рис.)
Поэтому, если радиус катиона значительно меньше радиуса
аниона, то координационное число будет 4, а если отличие радиусов не
такое резкое, то могут возникнуть группировки с координационными
числами 6 и 8.
Возможность
вхождения
элемента
в
ионную
структуру
определяется размером радиусов его ионов. Но вместе с тем структура
д.б. уравновешена отношением положительных и отрицательных
зарядов, т.е. валентностями.
Поэтому для понимания закономерностей геохимии земной коры
имеет значение:
1. размер радиуса ионов,
2. заряд (валентность) ионов.
Какой класс минералов является самым распространенным на
планете?
Силикаты составляют около 80 % массы земной коры. А если к
этому классу прибавить кварц (SiO2), то можно сказать, что
кремнекислородные соединения образуют примерно 92 % земной коры
по массе и практически полностью слагают ее объем.
Кристаллические структуры силикатов многообразны, но основу
составляют комбинации самых распространенных ионов – кремния и
кислорода. По данным советского кристаллохимика Белова, радиус О –
0,136 нм, радиус Si – 0, 039 нм, и число координационное кремния
равно 4. Таким образом каждый ион кремния находится в окружении 4
ионов кислорода. Если соединить центры ионов кислорода, то
образуется фигура тетраэдра. И называют ее кремнекислородный
тетраэдр.
Заряд иона кремния +4, сумма зарядов четырех двухвалентных
ионов
кислорода
-8.
Четыре
отрицательные
валентности
кремнекислородного тетраэдра тем или иным способом уравновесятся,
прежде всего за счет дополнительных катионов. Так образуется
островной тип силикатов.
Какие структуры силикатов вы еще знаете?
Постоянство и изменчивость содержания атомов в земной коре
Кристаллическое вещество в земной коре в любой точке содержит
ограниченное
число
минералов,
которые,
состоят
из
немногочисленных элементов. Например, гранит, 99% его массы
составляют 8 элементов: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg. Элементы
образуют минералы, слагающие гранит – кварц, полевые шпаты,
слюды и роговая обманка. Но если провести точный анализ при
помощи высокочувствительных приборов обнаружится, что в граните
присутствует еще Ti, P, Mn, S, F, Cl, Ba, Li, Cr, V, Ni, Cu, Zn и другие
элементы, составляющие в сумме меньше 1 %. Некоторые из них
образуют
самостоятельные
минералы.
Правда,
эти
минералы
присутствуют в столь незначительных количествах, что не влияют на
состав гранита. Их называют акцессорные минералы или минералыпримеси. Значительная часть малораспространенных элементов входит
в кристаллохимические структуры породообразующих минералов в
виде изоморфной примеси. В таком состоянии в полевых шпатах
находится барий и стронций, а в слюдах литий. (изоморфизм способность элементов замещать друг друга в кристаллических
структурах, не нарушая их строение). Однако при анализах
породообразующих минералов встречаются и такие, которые по
законам изоморфизма не должны быть в этих минералах, а они
присутствуют. Например, содержание свинца и цинка в минералах,
слагающих гранит.
минералы
содержание металлов, в 0,0001%
свинца
цинка
Полевые шпаты
83,0
12,1
Слюда (биотит)
2,3
42,9
Роговая обманка
0,5
11,5
Кварц
3,0
5,0
Если присутствие свинца в полевых шпатах можно объяснить
изоморфным вхождением ионов этого металла на место ионов кальция,
то для других металлов такое объяснение дать нельзя. И, совершенно
невозможно говорить об изоморфном вхождении свинца и цинка в
кристаллохимическую структуру кварца, где теоретически могут
присутствовать только ионы кислорода и кремния. На основании
многочисленных наблюдений был сделан вывод – что помимо атомов
и ионов, организованных в кристаллохимические структуры, в
природных кристаллах имеются атомы. Присутствующие в форме
неупорядоченной примеси. Это было установлено в начале ХХ в В.И.
Вернадским, который обнаружил и доказал особое состояние атомов.
Назвал его состоянием рассеяния.
Мы привыкли к тому, что атомы и молекулы активно
рассеиваются в газообразном состоянии. Но оказывается, что
процесс рассеяния характерен для всех веществ, пронизывает все
пространство. По этому поводу Вернадский говорил, что в каждой
капле и пылинке отражается общий состав космоса. Многим ученым
высказывания Вернадского казались странными, и они отнеслись к
ним критически. Идеи были оценены намного позже в связи с
совершенствованием
аналитических
методов
исследования
и
накоплением информации о содержании элементов в рассеянном
состоянии.
При
достаточно
большой
кристаллохимические
структуры
расположением.
очень
элемента
его
При
атомы
не
концентрации
со
низкой
могут
строго
атомы
упорядоченным
концентрации
образовывать
образуют
химического
самостоятельные
соединения. Если размер радиусов этих атомов соответствует
имеющимся кристаллохимическим структурам, то атомы могут в них
войти по законам изоморфизма. Если же такого соответствия нет,
атомы
остаются
в
твердом
кристаллическом
веществе
в
неупорядоченном рассеянном состоянии.
Разные состояния атомов в твердом веществе земной коры
Вернадский назвал формами нахождения элементов. Кристаллическое
и рассеянное состояния являются двумя важнейшими формами
нахождения атомов в земной коре. Преобладание той или другой
формы зависит от Кларка элемента.
Концентрация – процесс прямо противоположный рассеянию.
Способность концентрироваться в земной коре – важнейшее свойство
элементов.
Каких атомов малораспространенных химических элементов
больше: находящихся в упорядоченном или рассеянном состоянии?
Зная Кларки химических элементов в земной коре можно
рассчитать количество металлов, находящихся в состоянии рассеяния.
Производя расчеты ученые обнаружили, что только в верхней части
земной коры в пределах континентов содержаться такие количества
металлов, по сравнению с которыми в месторождениях руд имеются
всего лишь тысячные доли процента. Вывод: основная масса металлов
в земной коре находится в состоянии рассеяния.
В результате рассеяния и концентрации химические элементы
распределены в земной коре неравномерно. Вы хорошо знаете, что
при образовании горных пород из магмы происходит сортировка
главных элементов, а также тех, которые могут войти в
кристаллическое вещество в виде изоморфных примесей. Этот
процесс характерен и для элементов, находящихся в состоянии
рассеяния.
Многочисленные геохимические исследования показали, что
магматические горные породы одного и того же состава содержат
неодинаковое
количество
рассеянных
элементов.
На
Кольском
полуострове обнаружено, что в горных породах, содержащих медно-
никелевые руды, рассеянных никеля и меди вдвое больше, чем в таких
же породах, где этой руды нет. Чтобы количественно оценить
неоднородность распределения химических элементов в земной коре,
Вернадский
ввел
концентрации.
особую
Эта
геохимическую
величина
показывает
величину
степень
–
кларк
отклонения
содержания химического элемента от его Кларка.
Кк = А/К, где А – содержание химического элемента в горной
породе, руде и т.д., К – Кларк элемента в земной коре. Если Кларк
концентрации больше 1 – повышенное содержание элемента, меньше 1
– среднее значение ниже его среднего значения.
В результате многочисленных исследований геохимиков и
геологов установлено, что существуют территории, различающиеся
уровнем содержания металлов и составом руд. Такие территории
называют
геохимическими
провинциями.
Например,
для
кристаллических горных пород Уральской геохимической провинции
характерно повышенное содержание меди, хрома, никеля, кобальта,
титана и некоторых других элементов. В пределах провинций имеются
различные
типы
содержанием
горных
пород,
рассеянных
которые
элементов.
также
различаются
так
называемый
Это
геохимический фон.
Химический состав атмосферы
Приблизительно 50 % всей массы атмосферы сосредоточено в
нижнем 5-км ее слое, 75% - в 10-ти км. и 90 % - в 16-км. Выше 3000 км
плотность
атмосферы
уже
мало
отличается
от
плотности
межпланетного пространства. Чистый и сухой воздух на уровне моря
представляет собой механическую смесь нескольких газов: азот –
78,09%, кислород – 20,95 %, аргон (Ar) – 0,93%, углекислый газ – 0,03
%. Содержание остальных газов: неона, гелия, метана, ксенона,
водорода, озона – ничтожно мало (менее 0,1%). Соотношение между
главными составными частями атмосферы – азотом и кислородом –
постоянно.
До высоты 100-120 км вследствие полного перемешивания
воздуха
состав
атмосферы
однороден.
Этот
слой
называют
гомосферой. Следующий слой гетеросфера. Состав ее меняется: до
высоты 200-250 км преобладают азот и кислород, от 200-250 км до 500700 км – атомарный кислород, выше гелий и водород.
Количество важных составляющих атмосферы – водяной пар,
озон, углекислый газ изменяются во времени и в пространстве в
широких пределах. Особенно заметны изменения в содержании
водяного пара, зависящие от температуры воздуха. В полярных
районах
приземный
воздух
содержит
всего
0,2
%
влаги,
в
экваториальных – около 3%. Чем больше в воздухе водяного пара, тем
меньше других газов. С высотой количество водяного пара убывает: на
высоте около 2 км в 2 раза, на высоте 8 км в 100 раз, выше 10 км
воздух содержит очень мало водяного пара.
В слое атмосферы от поверхности Земли до 70 км присутствует
озон (О3) – трехатомный кислород, возникающий в результате
расщепления молекул обычного кислорода и перераспределения его
атомов. В нижних слоя атмосферы озон появляется под влиянием
случайных
факторов
(грозовые
разряды,
окисление
некоторых
органических веществ), в более высоких слоях образуется под
воздействием
ультрафиолетовой
радиации
Солнца,
которую
поглощает. Максимальная концентрация озона – на высоте 22-25 км.
Здесь
располагается
озоновый
экран
«фильтр»
поглощающий
ультрафиолетовую радиацию, губительную для животных и растений.
Содержание
озона
в
воздухе
меняется
по
сезонам:
весной
увеличивается, осенью и зимой уменьшается.
Углекислого газа в атмосфере значительно меньше. Чем водяного
пара и озона. Сжигание угля, нефти, газа и другие процессы вызванные
деятельностью людей, приводят к заметному увеличению количества
этого газа в атмосфере.
Кроме газообразных составных частей в атмосфере всегда
находятся во взвешенном состоянии мельчайшие частицы различного
происхождения – аэрозольные примеси. С подстилающей поверхности
в атмосферу попадают частицы почвы, продукты выветривания горных
пород,
вулканическая
(микроорганизмы,
появляются
пыль,
пыльца
аэрозольные
дым,
растений).
частицы,
органические
При
атомных
содержащие
частицы
взрывах
радиоактивные
вещества. Из межпланетного пространства в земную атмосферу
попадают космическая пыль.
По характеру изменения температуры атмосферу делят на
тропосферу,
стратосферу,
мезосферу,
термосферу,
экзосферу.
Тропосфера содержит более 80 % массы атмосферы.
Средний химический состав тропосферы: азот – 75,51 %, кислород
– 23,01%, аргон (Ar)– 1,28%, углек. газ – 0,04 %, неон (Ne) – 0,0012%,
криптон (Kr) – 0,0003 %, ксенона (Хe) – 0,00004 %. Кроме этого, в
тропосфере,
особенно
в
нижних
слоях,
присутствуют
в
незначительных количествах пары воды, жидкая и твердая вода в виде
капель дождя и кристаллов снега, земная и космическая пыль, озон,
аммиак, окислы азота, водород, различные органические летучие
вещества, выделяемые растениями (фитонциды) и др.
Хотя число находящихся в атмосфере элементов сравнительно
невелико, роль ее в геохимии ландшафта огромна. Она содержит
свободный кислород и углерод. Не менее важны водород и кислород,
связанные в воде, составляющей главную по весу часть тела почти всех
организмов и являющейся основной средой, в которой протекают
химические реакции в ландшафте. Через атмосферу в ландшафт
поступает солнечное излучение – основная энергия, обуславливающая
миграцию химических элементов на
Химический состав гидросферы
Обыкновенная вода – химическое соединение, замечательное во
многих
отношениях.
Именно
вода
обуславливает
движение
значительных масс химических элементов на поверхности Земли.
Переход атомов и ионов из твердого кристаллического вещества в
водный раствор и дальнейшее перемещение раствора является одним
из
основных
видов
миграции
химических
элементов
в
зоне
выветривания.
Все природные воды без исключения являются растворами.
Известны законы, по которым можно точно определить, когда
химический элемент в виде иона будет находиться в растворе, а когда
образует нерастворимое соединение и выпадет в осадок. Но эти законы
не объясняют механизма перемещения некоторых отдельных атомов и
ионов из твердого вещества в раствор. Для этого нужно оценить роль
воды на молекулярном уровне.
Вода – соединение водорода и кислорода. Для всех элементов
главной подгруппы VI группы периодической таблицы Менделеева
соединения с водородом отвечают формуле Н2R, где вместо R можно
подставить кислород, серу, селен, теллур. Но среди них вода резко
выделяется своими свойствами. Если нанести температуры плавления
всех соединений этой подгруппы на график, то можно увидеть, что
точки плавления будут закономерно понижаться с уменьшением
порядкового номера элементов от Н2Те до Н2S.
Формула воды проста, но строение ее молекулы совсем не
простое. Кислород двухвалентен. Для завершения внешнего слоя ему
не хватает двух электронов. Два атома водорода вносят по одному
электрону.
Связь,
основанная
на
совместном
использовании
электронов – ковалентная связь, используется в природе очень широко
Н -------- О --------- Н
Атом водорода имеет очень небольшой радиус, значительно
меньший, чем у всех других химических элементов. Поэтому соседняя
молекула воды может подойти настолько близко к этому атому, что
начнут
проявляться
электроотрицательный
силы
взаимодействия.
элемент,
а
ион
Кислород
водорода
сильно
заряжен
положительно, то он взаимодействует с другой парой электронов
кислорода. Такая связь получила название водородной, которая
намного слабее ковалентной. О и Н связанные водородной связью,
располагаются на расстоянии почти в два раза больше, чем внутри
молекулы воды. Водородная связь придает жидкой воде определенную
структуру, характерную для кристаллических веществ. Каждая
молекула воды связана водородной связью с четырьмя соседними.
Такие группировки образуют общую структуру. Не все молекулы
входят в общий каркас, некоторые располагаются в его пустотах.
Водородная
связь
может
образоваться
только
с
сильно
электроотрицательным элементом. Поэтому из элементов главной
подгруппы 4 группы водородная связь может образовываться только с
кислородом.
Со структурными особенностями воды связана ее способность
образовывать ионные растворы. Переход иона в раствор зависит от
силы его взаимодействия с молекулами воды. Если эти силы больше
сил, удерживающих ион на поверхности твердого вещества, то он
открывается и поступает в раствор. В воде два равные, но
противоположно заряженные ионы в 80 раз слабее притягиваются, чем
в воздухе. Сила взаимодействия молекул воды с ионами минеральных
частиц увеличивается с ростом удельной их поверхности. Когда размер
твердых частиц минералов достигает 0,001 мм и меньше, сила
воздействия молекул воды превышает силу связи между ионами и
кристаллическая структура минералов разрушается. Таким образом, в
воде растворяются самые устойчивые глубинные минералы, например
кварц. Твердые минералы, обладающие особо высокой устойчивостью
в крупных обломках, при измельчении до определенного размера
оказываются неустойчивыми.
Оценивая значение воды Вернадский писал: «Вода стоит
особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое
могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых
грандиозных, геохимических процессов».
ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
В ЛАНДШАФТАХ
Миграция элемента определяется:
1. химическими свойствами,
2. величиной Кларка
факторы миграции
внутренние
внешние
свойства химических элементов, оп- ландшафтно-геохимические условия,
ределяемые строением атомов – их определяющие поведение элементов
способность
давать
летучие, в
растворимые, инертные формы.
различных
окислительно-
восстановительных,
щелочно-
кислотных обстановках.
Концентрация и рассеяние химических элементов. В результате
миграции элементы концентрируются и рассеиваются.
Кларк концентрации (Кк) – это соотношение содержания элемента в
изучаемой системе к его Кларку в литосфере А/К. Зная Кларк элемента и
максимальное значение Кк, можно установить те пределы, в которых данный
элемент будет встречаться в ландшафте. Если Кк меньше 1, то для получения
большей контрастности вычисляют обратные величины – Кларки рассеяния
(Кр) – отношение Кларка элемента в литосфере к его содержанию в данном
объекте (К/А).
Разнообразие миграции. Качественные различия элементов по этому
параметру устанавливаются легко путем сравнения поведения элементов.
Например, S и Cl. S мигрирует разнообразнее, т.к. она многовалентна (S0, S2-,
S4+, S6+) и входит в состав сульфидов, сульфатов, многих органических
соединений, образует 369 минералов.
Cl – одновалентен, образует всего 97 минералов.
Разнообразие миграции зависит от Кларка: из двух химически сходных
элементов миграция менее разнообразна у элемента с меньшим Кларком.
О разнообразии миграции можно судить по числу минералов у
элементов с близкими Кларками. Например, Кларки Мо, Тi и Hf в литосфере
почти одинаковы, а число минералов различно – 15, 5, 0. Соответственно, Мо
мигрирует более разнообразно, менее разнообразно мигрирует титан и
гафний практически не мигрирует.
Виды миграции химических элементов.
1. механическая
–
подчиняется
законам
механики,
зависит
преимущественно от величины частиц минералов и пород, их
плотности, скорости движения вод, ветра. При таком виде миграции
химические свойства элементов часто не имеют значения, (например,
такие различные элементы, как K, Si, Al, входя в состав переносимой
ветром песчинки ортоклаза мигрируют с одинаковой скоростью.
2. физико-химическая – определяется законами физики и химии –
диффузией, растворением, осаждением, сорбцией и т.д.
3. биогенная – связана с деятельностью организмов,
4. техногенная – связана с общественными процессами и определяется
социальными закономерностями.
В зависимости от вида миграции выделяют три основных ряда
элементарных и геохимических ландшафтов.
1. абиогенные ландшафты – характерна только механическая и физикохимическая миграция.
2. биогенные ландшафты с ведущим значением биогенной миграции и
подчиненной ролью физико-химических и механических процессов.
3. техногенные (антропогенные), культурные ландшафты, своеобразие
которых определяется техногенной миграцией, социальными процессами,
хотя в них развиваются и все остальные виды миграции.
Геохимические барьеры. Термин впервые употребил А.И. Перельман в
1961 г. Участки земной коры, в которых на коротком расстоянии происходит
резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как
следствие, их концентрация. Выделяют макро-, мезо- и микробарьеры,
которые соответствуют макро-, мезо- и микрорельефу.
Пример, в дельтах, зона смешения пресных речных вод и соленых
морских представляет собой макробарьер шириной в сотни и тысячи метров.
К мезобарьерам относятся краевые зоны болот, где накапливаются
многие элементы, выщелоченные из почв водоразделов и склонов.
Ортзанды в почвах мощностью в несколько см и мм относятся к
микробарьерам.
На
геохимических
месторождений,
барьерах
различные
образуются
геохимические
руды
аномалии,
большинства
приводящие
к
загрязнению окружающей среды.
При совмещении в одном месте различных геохимических процессов
формируются комплексные барьеры, образующиеся в результате наложения
двух или нескольких взаимосвязанных геохимических процессов.
При движении различных элементов к барьеру с разных сторон
формируются двусторонние барьеры.
Геохимические дыры – понятие противоположное геохимическому
барьеру. Связано с зонами, в которых на коротком расстоянии резко
изменяются
гидрогеохимические
условия,
усиливается
подвижность
элементов вплоть до их исчезновения в зоне «дыры».
Пример: техногенная резковосстановительная газовая геохимическая
дыра, возникшая в кислородных подземных водах на участке их загрязнения
органическими соединениями. В результате возникает восстановительная
среда, развиваются анаэробные бактерии, разлагающие растворенные
соединения и продуцирующие метан, углекислый газ , водород, сероводород,
окислы азота и др. газы. Таким образом, вещества в твердом и жидком
состоянии превращаются в газы, мигрирующие из водоносного горизонта.
МЕХАНИЧЕСКАЯ МИГРАЦИЯ
Механическая миграция обусловлена работой рек, ветра, ледников,
вулканов, тектонических сил и др. факторов. Характерной чертой
механической дифференциации пород и минералов является раздробление
горных пород и минералов, ведущее к увеличению их дисперсности,
развитию сорбции и других поверхностных явлений.
В результате механической миграции образуются делювий, пролювий,
аллювий, морена и др. отложения. Процессы, основными агентами которых
служат сила тяжести, текучая вода, ветер, лед, подчиняются законам
механики и не зависят непосредственно от химических свойств элементов,
основное значение приобретает величина, плотность и форма частиц
(частицы близкого размера и близкой плотности осаждаются вместе).
Чем дальше участок от вершины склона, чем меньше его крутизна, тем
более тонкий материал накапливается на склоне. Поэтому в горных и
холмистых районах, сложенных скальными породами, в верхней части
склона накапливаются более грубые, а в нижних – более тонкие по
гранулометрическому составу делювиальные осадки.
В
речных
долинах
русловые
отложения
часто
представлены
галечниками, гравийниками, песками, а пойменные – суглинками и глинами.
Данные процессы называются механической дифференциаций. Они приводят
и к изменению и химического состава отложений, т.к. глинистые фракции
почв и пород по сравнению с песчаными обычно содержат больше Fe, Al,
Mn, Mg, K, V, Cr, Ni, Co, Cu и меньше SiO2. Это объясняется тем, что при
выветривании соединения Fe, Al, Mg, K участвуют в образовании глинистых
минералов, которые сорбируют V, Cr, Ni, Co, Cu и др. элементы.
В местах резкого уменьшения скорости механической миграции
возникают механические барьеры, на которых концентрируются различные
минералы. Примерами которых могут служить золотые, платиновые,
оловянные, алмазные, титановые и прочие россыпи.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МИГРАЦИЯ
Физико-химическая
миграция
осуществляется
путем
диффузии,
конвекции или их сочетаний (конвективной диффузии). Диффузия – это
самопроизвольный и необратимый перенос вещества, приводящий к
установлению равновесных концентраций в результате беспорядочного
движения атомов, ионов, молекул и коллоидных частиц. Процесс ведет к
уменьшению разнообразия, дифференциации и не требует затраты энергии
извне. Но, также диффузия возможна и при действии внешних факторов,
создающих градиенты температуры, давления, электрического потенциала.
Скорость диффузии растет с температурой. Диффузия имеет место в
застойных или очень мало подвижных водах (болотные и иловые воды).
Диффузионные процессы особенно характерны для глин, они нередко
приводят к их обессоливанию (диффузное выщелачивание), при этом ионы
мигрируют с различной скоростью (например, хлориды диффундируют
быстрее сульфатов).
Конвекция – это миграция массовых потоков газа или жидкости. При
этом в отличие от диффузии мигрируют не только растворенные частицы
(атомы, ионы, молекулы и т.д.), но и сам растворитель. В пористой среде
конвекция называется фильтрацией, которая значительно быстрее диффузии
и особенно характерна для ландшафтов; скорость фильтрации зависит от
многих
факторов
и
сильно
колеблется.
При
фильтрации
воды
взаимодействуют с почвами и породами, в которых развиваются явления
выщелачивания, сорбции, ионного обмена, осаждения элементов на
геохимических барьерах.
6. Водная миграция элементов
Формы миграции элементов. Любой элемент находится в ландшафте в
нейтральной, катионной или анионной форме. Количество элемента в той
или иной форме – величина вероятностная.
Существует три основных типа поведения элементов в растворе в
зависимости от рН:
1.
Тяжелые металлы – Zn, Pb, Cd, Ni, Hg – особенно подвижны в
кислой среде.
2.
Амфотерные металлы – Se, Mo, As, Ge, U, V – образуют
комплексные соединения (например, с участием карбонатного комплекса
[HO3(CO3)3]4-. В составе таких комплексов элементы мигрируют поразному.
3.
Элементы, особенно подвижные в щелочной среде.
По преобладающей форме содержания в растворе элементы делятся на:
1.
Катионогенные – Li, Na, K;
2.
Комплексообразователи – Mg, Al, Ga, Sb;
3.
Анионогенные – V, Cr, Mo, Cl, Br, I.
Химический состав природных вод. Общие закономерности водной
миграции
Большинство химических элементов мигрирует в ионных, молекулярных
и
коллоидных
водных
растворах.
Важнейшими
компонентами
вод
ландшафта являются растворенные газы – кислород O2, углекислый газ CO2,
сероводород H2S.
Значительная часть растворенных веществ находится в виде ионов,
среди которых преобладают Ca2+ > Mg2+ > Na+; HCO3- > SO42- > Cl- шестикомпонентный состав. Бывает, что такие соотношения нарушаются.
Все воды содержат также ионы H+ и ОН-, роль которых в ландшафте,
несмотря на низкое содержание (10-5-10-8 г/л), чрезвычайно велика.
Содержание
в
водах
остальных
макроэлементов,
а
также
всех
микроэлементов очень невелико.
Кроме ионов, растворенные в воде вещества находятся в форме молекул
и коллоидных частиц. Особенно велика роль растворенного органического
вещества. Также важная миграция веществ во взвешенном состоянии. Почит
все воды ландшафта содержат живое вещество.
Химизм почвенных и грунтовых вод зависит от их подвижности. С этой
точки зрения различают поровые воды и свободные гравитационные.
Для ландшафта как правило наиболее характерны неравновесные воды.
Особенно это относится к гумидным ландшафтам. Живое вещество все время
“накачивает” в воды свободную энергию, поддерживая неравновесность.
Водная
миграция
осуществляется
диффузией,
фильтрацией
или
смешанным путем. Диффузия имеет место в застойных или очень
малоподвижных водах (болотные, иловые воды, растворы элювиальных
почв, коры выветривания, водоносных горизонтов). Диффузные процессы
особенно характерны для глин, они нередко приводят к их обессоливанию
(диффузное выщелачивание), при этом ионы мигрируют с различной
скоростью
(например,
хлориды
быстрее
сульфатов).
Диффузия
характеризуется малой скоростью, и в ландшафте с его активным
водообменом имеет подчиненное значение. Здесь более распространена
фильтрация, с которой связано растворение, ионный обмен (сорбция),
осаждение солей и многие другие явления.
Поведение элементов в водных растворах определяется следующими
параметрами:
1.
Щелочно-кислотные условия, рН;
2.
Окислительно-восстановительные
условия
(наличие
или
отсутствие свободного кислорода), Еh;
3.
Температура, давление (постоянны); обычно рассматривается
температура 25С.
4.
Сорбционная способность – возможность элемента поглощать
минеральные или органические частицы или отдавать их в результате
обменных процессов.
5.
Биота.
Щелочно-кислотные условия
Концентрацию иона водорода ввиду малых абсолютных величин
выражают не в г/л, а в виде отрицательного логарифма концентрации рН. По
величине рН воды делятся на четыре группы:
1.
Сильнокислые (рН < 3) – связаны с существованием в водах
свободной серной кислоты (в вулканических ландшафтах – соляной
кислоты).
2.
Слабокислые (рН 3-6,5) – связаны с органическими кислотами и
углекислым газом.
3.
Нейтральные и слабощелочные (рН 6,5-8,5) – связаны с наличием
ионов кальция и HCO3-.
4.
Сильнощелочные (рН > 8,5) – связаны с присутствием соды.
Элементы, образующие катионы – катионогенные (Ca, Mg, Na, K, Sr, Rb,
Cu, Zn, Cd) более подвижны в кислых средах; анионогенные элементы (S, Cl,
N, C, P, Se, Mo, Si, As, V, Cr, Br, I) – в щелочных средах. Те и другие менее
подвижны в нейтральных водах. Миграция Na, Li, Br, I почти не
контролируется рН.
Показателем подвижности элемента в растворе с тем или иным рН
является рН начала выпадения его гидрокидов из децинормальных
растворов. В соответствии со значениями этого показателя, двухвалентное
железо обнаруживается в менее кислых водах, чем трехвалентное;
гидроксиды магний выпадают из раствора только в сильнощелочных водах.
Отсюда следует интенсивная миграция двухвалентного железа в болотах
тундры и тайги (кислые воды) и слабая в болотах степей и пустынь
(слабощелочные воды). Для большинства элементов с ростом температуры
рН осаждения гидроксида повышается. Поэтому в жарком климате обычно
миграционная
способность
элементов
выше.
Также
рН
осаждения
гидроксида растет с уменьшением концентрации. Поэтому для редких
элементов роль рН осаждения гидроксидов мала или вообще не имеет
значения.
Большинство металлов находится в природных водах не в виде простых
ионов (Fe2+, Fe3+ и т.д.), а в виде различных комплексов ионов типа Fe(OH)2+,
Fe(OH)2+ и т.д. В общем образование растворимых комплексных соединений
повышает
рН
способность
выпадения
элементов.
гидроксида
Миграция
и
увеличивает
металлов
в
миграционную
форме
органических
комплексов особенно характерна для тайги, тундры и других ландшафтов
влажного климата.
Органические соединения живых организмов и гумус обладают
буферной способностью усреднять сильнокислую и сильнощелочную среды.
Кислая (слабокислая) среда в ландшафте возникает в основном при
разложении органических веществ, обогащающим воды угольной кислотой,
органическими кислотами. Сильнокислая среды создается при окислении
элементарной серы и дисульфидов (в месторождениях серы, угля,
промышленных районах): MeS + O2 + H2O  MeSO4 + H2SO4.
Известную роль в подкислении вод играют атмосферные осадки,
особенно в вулканических районах и промышленных центрах.
Поскольку в литосфере кларки катионогенных элементов выше, чем
анионогенных, кислые воды, мигрируя по почвам и породам, довольно
быстро нейтрализуются. В результате в почвах, корах выветривания,
водоносных горизонтах по мере фильтрации вод образуется кислотнощелочная
зональность
(дифференциация).
Кислая
среда
в
верхних
горизонтах порождает щелочную в нижних.
В местах, где на коротких расстояниях кислая среда сменяется
щелочной, возникает щелочной барьер, здесь осаждаются катионогенные
элементы. Если щелочная среда сменяется кислой, образуется кислый барьер,
где осаждаются анионогенные элементы (менее характерен). Возможно
существование двухсторонних геохимических барьеров (такой барьер, в
частности,
был
открыт
Касимовым
на
границе
березовых
колков
казахстанских лесостепей).
Окислительно-восстановительные условия
Важнейшим окислителем в ландшафте служит свободный кислород
атмосферы. Окислителями могут быть и другие химические элементы,
способные принимать электроны (восстанавливаться) – трехвалентное
железо, четырех валентный марганец и т.д. Важнейшими восстановителями
являются
органические
вещества
(органические
кислоты
и
др.),
двухвалентное железо и газообразный водород.
При
изучении
окислительно-восстановительных
процессов
важно
учитывать величину Eh – окислительно-восстановительный потенциал,
который характерен для данной природной системы с ее конкретными
величинами концентрации, рН и температуры, а также Е0 – “стандартного
потенциала” данной реакции. Eh и E0 измеряются в вольтах.
Высокий кларк железа и легкая индикация его окисленных и
восстановленных соединений (смена окраски) делает удобным положить его
поведение в основу выделения окислительно-восстановительных обстановок
ландшафта. Выделяются три основных обстановки:
1.
Окислительная
–
характеризуется
присутствием
в
водах
свободного кислорода, поступающего из воздуха за счет естественной
растворимости или за счет фотосинтеза водных растений. Eh здесь выше
0,15, часто выше 0,4В; железо находится в форме Fe3+. Кислородные воды
обладают высокой окислительной способностью, в них осуществляется
микробиологическое окисление органических веществ до углекислого газа и
воды, протекают различные реакции окисления неорганических веществ –
двухвалентных железа, марганца и др. Для каждого ландшафта можно
установить определенную глубину кислородной поверхности, глубже
которой вода уже не содержит свободного кислорода.
Восстановительная глеевая обстановка (без H2S) – создается в
2.
пресных водах, не содержащих или содержащих мало свободного кислорода
и
богатых
органическими
остатками.
Микроорганизмы
окисляют
органические вещества за счет кислорода органических и неорганических
соединений. В водах много CH4, CO2, Fe2+, H2, Mn2+. В почвах, осадках и коре
выветривания развивается оглеение. Этот тип восстановительной обстановки
характерен для болот влажнотропической, тундровой, таежной и лесостепной
зон. Eh ниже 0,4 В, местами ниже 0.
Восстановительная
3.
сероводородная
обстановка
(с
Н2S)
создается в бескислородных водах, богатых SO42-, где микробиологическое
окисление
органических
восстановления
веществ
сульфатов.
При
осуществляется
этом
происходит
частично
за
счет
десульфуризация.
Происходит осаждение минералов, образующих нерастворимые сульфиды.
Величины Еh обычно ниже 0 (до –0,5 В). Такая восстановительная
обстановка характерна для солончаков и илов соленых озер степей и
пустынь, для глубоких горизонтов подземных вод некоторых районов.
В
природных
ландшафтах
окислительно-восстановительных
происходит
условий,
закономерная
образуется
смена
окислительно-
восстановительная зональность. Наиболее восстановительные условия
возникают в местах энергичного разложения органических веществ
(горизонты А почв, верхняя часть илов, водоносные горизонты и т.д.). В
сторону от этих горизонтов Eh растет, причем более окислительные условия
наблюдаются глубже восстановительных (например, в горизонте В почв).
С
изменением
окислительно-восстановительных
условий
связано
формирование различных геохимических барьеров.
Физико-химические условия природных вод
Под физико-химическими условиями природных вод понимается прежде
всего соотношение показателей рН и Eh, определяющее во многом условия
миграции элементов.
На графике, по оси абсцисс которого отложены значения рН, а по оси
ординат – значения Еh – Eh-рН диаграмме можно показать ориентировочное
значение этих параметров (см. рис.).
Различия в кларках определяют дефицит реагентов. Из-за этого
термодинамически допустимая реакция может не реализовываться. Если в
ландшафте один из реагентов присутствует в количестве, недостаточном для
реализации всех возможных реакций, то будут протекать лишь те реакции,
для которых, как доказано в химической термодинамике, характерно
максимальное химическое сродство. Данные реакции будут оказывать
тормозящее действие на остальные возможные реакции. Это принцип
торможения химический реакций, сформулированный Перельманом в 1941
г. Так, при наличии в водах Cu2+ и Zn2+ и дефиците S2- в первую очередь
будет осаждаться CuS, в связи с чем для Zn2+ не хватит осадителя и сульфид
цинка не образуется.
Классы водной миграции
Классы
водной
миграции
определяются
соотношением
в
воде
типоморфных газов и ионов: H+, OH-, HCO3-, Cl-, SO42-, Ca2+, Mg2+, Na+, Fe2+.
Согласно принципу подвижных компонентов, роль элемента в ландшафте
(типоморфность) определяется его содержанием в среде и интенсивностью
миграции.
В основу выделения класса ландшафта кладется водная миграция в
гумусовом горизонте почв, так как для него характерно максимальное
напряжение геохимических процессов. В данном ландшафте может быть
один или несколько классов водной миграции.
Перельман выделил 21 класс водной миграции:
окислительная
сильнокислая
восстановительная
восстановительная
глеевая
сероводородная
1.сернокислый
11.сернокисло-
17.сернокислый
2.солянокислый
глеевый
сульфидный
слабокислая
3.кислый
12.кислый глеевый
18.кислый сульфидный
нейтральная и 6.кальциевый
13.карбонатный
19.нейтральный,
слабощелочна 7.кальциево-
глеевый
карбонатный
я
14.соленосный
сульфидный
глеевый
20.соленосно-
15.гипсовый глеев.
сульфидный
16.содовый глеевый
21.содовый
4.кислый
на
кварцев. песках
5.кислый, перех.
к кальциевому
натриевый
сильнощелоч
8.гипсовый
ная
9.соленосный
сероводородный
10.содовый
Воды, относящиеся к отдельным классам, характеризуются вполне
определенными химическими свойствами: растворяющей способностью,
содержанием редких элементов, влиянием на живое вещество.
Коллоидная миграция
Ландшафт
характеризуется
очень
большими
накоплением,
разнообразием и долей участия коллоидов. Чем интенсивнее и чем
длительнее протекает образование ландшафта, тем больше накапливается в
ландшафте коллоидных веществ. Коллоидная миграция весьма характерна
для гумуса, соединений кремния, алюминия, железа, марганца, циркония,
олова, титана, ванадия, хрома, никеля. Часть этих элементов мигрирует в
форме металлоорганических соединений – хелатов.
Из
коллоидных
растворов
(золей)
соединения
этих
элементов
осаждаются в виде богатых водой студенистых осадков – гелей. Так
называемые мутабильные соединения (соединения переменного состава)
представляют собой преимущественно гели и неустойчивые коллоидные
материалы. Они также широко распространены в ландшафте.
Одним из важнейших свойств коллоидов является сорбция, т. е.
способность поглощать различные вещества из окружающей среды.
В ландшафте наиболее распространены отрицательно заряженные
коллоиды, способные поглощать и обменивать катионы. Таковы гумусовые
вещества, глинистые минералы, гель кремнекислоты, гидроксиды марганца.
Они могут сорбировать кальций, магний, калий и ряд тяжелых металлов.
В местах встречи вод с сорбентами в ландшафте возникают сорбционные
барьеры.
Изменение горных пород в ландшафте
Процессы
размельчения
(дезинтеграции),
разрушения
минералов,
выщелачивания образующихся растворимых соединений, присоединения к
минералам кислорода, углекислого газа и других воздушных мигрантов
называются выветриванием. В геохимическом отношении выветривание
состоит в преимущественно удалении из пород и минералов водных
мигрантов (калия, кальция, магния, натрия) и присоединения воздушных
(кислорода, воды, углекислого газа).
Химическое выветривание начинается с гидратации – присоединения к
минералу молекул воды. Окисление особенно характерно для выветривания
пород и руд, богатых сульфидами, двухвалентным железом и марганцом
(базальты, дуниты, пироксениты и др.). Карбонитизация (присоединение
углекислого газа) наблюдается преимущественно в засушливом климате.
Наряду с выветриванием, в ландшафтах протекают и процессы
цементации – аккумуляции водных мигрантов. Цементация происходит
метасоматически – путем замещения неустойчивых минералов устойчивыми
без существенного изменения объема.
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 (mX) обычно измеряется в
граммах на литр, а его содержание в породах (nX) – в процентах, то расчетная
формула для КХ имеет следующий вид:
KX 
100m X
,
an X
где а – минерализация вод в г/л. Этот коэффициент для различных
элементов принимает значения от 0,0001 до 1000.
Если вместо mx подставить кларк гидросферы, вместо nx – 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 (10n100n);
2. Легкоподвижные мигранты (сильная миграция): Сa, Mg, Sr, Zn, U (n10n);
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).
В восстановительной обстановке подвижность некоторых элементов
меняется, например элементы Zn, U, Cu, Ni, Co становятся менее
подвижными, образуют сульфиды. Элементы Al, Ti, Zr в любой среде
малоподвижны.
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
атмосферной
предложила
миграции:
два
КА
коэффициента
–
для
коэффициент
характеристики
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.
Образование органического вещества
Живое вещество образуется в процессе фотосинтеза растениямиавтотрофами. 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:
Ж
П
100% .
Б
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.
На основе соотношения Б и П выделяются типы и семейства
ландшафтов. Соотношение Б и П можно выразить в виде уравнения П = Б K
или П = klgБ, где К – коэффициент, характеризующий степень однородности
типа ландшафта. Одно и то же значение К может быть характерно для
ландшафтов с совершенно разными значениями Б и П. В пространстве типам
ландшафтов соответствуют ландшафтные зоны.
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.
Химический состав живого вещества
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:
AX 
lX
.
nX
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 АХ > 1 элементы
накапливаются в растениях, а при AX < 1 – только захватываются. Живые
организмы сильно различаются по значениям коэффициента биологического
поглощения (он зависит от того, сухое или влажное вещество и т. д.).
2.
AX 
3.
Биофильность элементов:
lX
.
kX
Коэффициент
биогеохимической
подвижности
–
отношение
содержания элемента в сухом веществе к его содержанию в почве в
подвижной форме.
BX 
4.
mX
.
pX
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 отдельных организмов
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 – относительное содержание химических элементов в видах,
растущих в сопоставимых условиях – отношения содержания в данном виде
к содержанию в эталонном для данных условий виде:
ОСВР = Сl/Cт.
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).
Разложение органических веществ
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:
Ж3 
О3
100%.
О2
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
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.
Далее рассмотрим классификацию биогенных ландшафтов, основанную
на особенностях биологического круговорота в них.
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.
Классификация геохимических ландшафтов
Геохимический
ландшафт
–
парагенетическая
ассоциация
элементарных ландшафтов, соединенных потоком вещества и энергии. В
основу классификации геохимических ландшафтов положен характер
геохимического
сопряжения
между
автономными
и
подчиненными
геохимическими ландшафтами. Если сопряжение включает автономный,
супераквальный и субаквальный ландшафты, то оно называется полным.
Полное сопряжение в условиях однородного геологического строения,
развития
изверженных
или
метаморфических
пород,
без
реликтов
предшествующей стадии называется основным. Основные сопряжения
классифицируются по особенностям центра ландшафта, обычно это
автономный ландшафт (как и в физико-географической классификации).
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).
Роды геохимических ландшафтов выделяются по соотношениям между
автономными и подчиненными ландшафтами одного класса, интенсивностью
водообмена, а это функция рельефа. Наиболее распространены три рода:
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.
Виды геохимических ландшафтов выделяются на основе характера
подстилающих пород.
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 какомунибудь географическому ареалу их распространения, например, каракумские,
валдайские и т. д.
Ландшафтно-геохимические карты
Закономерности
размещения
элементарных
и
геохимических
ландшафтов легче всего выявляется при картировании. Соответствующие
карты получили название ландшафтно-геохимических. В зависимости от
объекта картирования ландшафтно-геохимические карты можно разделить на
типологические карты и карты районирования. Типологические карты
делятся на карты элементарных ландшафтов и карты геохимических
ландшафтов.
Для выделения геохимических ландшафтов (в легенде карты) обычно
составляют матрицу, в которой по вертикали указаны ландшафтные зоны и
подзоны (типы и семейства ландшафтов), а по горизонтали – геологогеоморфологические условия (роды и виды).
На мелкомасштабных картах обычно типы и семейства ландшафтов
показывают цветом, классы – штриховкой, роды и виды – значками и
символами. Также указывают геохимические формулы вида:
класс
элементы в дефиците
.
элементы в избытке
1.
Лесные ландшафты,
2.
Аридные ландшафты,
3.
Степные и луговые ландшафты,
4.
Пустынные ландшафты,
5.
Тундровые ландшафты,
6.
Примитивно-пустынные,
7.
Абиогенные.
Лесные ландшафты
Группа включает десятки типов ландшафтов. Наиболее распространены
влажные тропики, ландшафты широколиственных
лесов и
таежные
ландшафты.
Влажные тропики. Распространены на всех материках, кроме Европы,
но особенно широко в Ю.Америке и Юго-Восточной Азии.
Для
влажных
тропиков
характерна
наивысшая
интенсивность
биологического круговорота и водной миграции. Здесь изобилие тепла
сочетается
с
изобилием
осадков,
это
обеспечивает
возможность
интенсивного развития большинства геохимических процессов, появления
наиболее сложных форм ландшафта. Миграция атомов происходит с
одинаковой
интенсивностью
в
течение
круглого
года,
период
геохимического покоя отсутствует.
Биологический круговорот протекает во влажных тропиках с высокой
интенсивностью, ежегодно создается огромная биомасса – 325 ц/га (дубрава
– 90 ц/га, тайга – 70 ц/га). Разложение органических веществ протекает
быстрее, и в ландшафте практически нет лесной подстилки. Поэтому опадоподстилочный
коэффициент
–
отношение
количества
подстилки
к
ежегодному опаду исключительно мал – менее 0,1 (в заболоченной тайге и
тундре – более 50). В отличие от лесов умеренного пояса при разложении
растительных остатков К, Са, Si быстро выносятся, накапливаются Fe и Mn.
По Базилевич, Важнейшими водными мигрантами бика являются – Si и Ca,
ко второй группе относятся K, Mg, Al, Fe, к третьей - Mn, S. В листьях
тропических деревьев среди водных мигрантов первое место принадлежит Si
(у бамбуков до 90 % SiO2 в золе), поэтому влажные тропические леса имеют
кремниевый тип химизма бика. Важной особенностью бика является
вымывание дождевыми водами из листьев азота, фосфора, калия, кальция,
магния, натрия, хлора, серы и других элементов.
Систематика семейств влажных тропиков пока не разработана, но
выделяются чрезвычайно резкие различия на уровне классов.
1. Кислые влажные тропики,
2. Влажные тропики кислого глеевого класса,
3. Влажные тропики сернокислого класса,
4. Влажные тропики кальциевого и переходного классов,
5. Влажные тропики соленосно-сульфидного класса.
Ландшафты широколиственных лесов. Распространены в умеренном
поясе
Евразии.
В
условиях
более
низких
температур
разложение
растительных остатков протекает медленнее, а общее количество этих
остатков в несколько раз меньше, чем в тропиках. Таким образом, если
емкость биологического круговорота лишь на немного уступает влажным
тропикам (80%), то скорость значительно ниже. Это благоприятствует
накоплению в почвах гумуса, содержание в верхних горизонтах может
превышать 10 %.
Широколиственные деревья сравнительно богаты зольными элементами,
особенно листья. В золе много Са (до 20%), меньше К и Si, еще меньше Mg,
Al, P и меньше всего Fe, Mn, Na, Cl. Но ряд биологического поглощения
другой:
10n / S,P > n / Ca, K, Mg, Mn > n-0,n / Na > 0,n – 0,0n / Fe, Al, Si
Это предопределяет возможность биогенной аккумуляции в почвах S, P,
Ca, K, Mg, Mn, а также редких элементов биогенная аккумуляция которых
больше 1 ( B, Ni, Ag, Au, Co, Zn, Cd, Pb и др. Выщелачивание преобладает, и
автономный ландшафт с вертикальным и боковым стоком теряет подвижные
элементы. Высокое содержание в растениях Са и его энергичное
биологическое поглощение определяют кальциевый химизм биологического
круговорота. Са – один из типоморфных элементов широколиственных
лесов. Менее велико значение Н.
Ежегодный растительный опад в несколько раз меньше, чем во влажных
тропиках, и темп его разложения меньше из-за более низких температур
зимнего перерыва. Скорость разложения меньше скорости накопления опада,
поэтому для зональных бурых лесных и серых лесных почв характерна
лесная подстилка (опадо-подстилочный коэффициент равен 3-4). Са и другие
катионогенные элементы, образующиеся при разложении растительных
остатков, нейтразилуют большую часть органических кислот, поэтому
реакция гумусового горизонта почв слабокислая или даже нейтральная, хотя
встречаются и кислые среды с рН = 4-5. В поглощенном комплексе часто
преобладает Са.
Тип широколиственных лесов включает в себя ряд отделов, своеобразие
которых
определяется
климатом,
историей
развития,
возрастом,
геохимическими реликтами. Выделяются 4 отдела: 1) дальневосточный
муссонный, 2) кавказский, 3) восточноевропейский, 4) среднеазиатский.
Семейства в отделах подлежат уточнению. Ярко выражены два
основных класса:
1. бескарбонатный (Н+ - Са2+),
2. кальциевый (Са2+).
В бескарбонатных ландшафтах верхние горизонты бурых и серых
лесных почв выщелочены от карбонатов. В теплое и влажное лето в почве и
залегающей под ней коре выветривания энергично протекает разложение
первичных силикатов с образованием гидрослюд, монтмориллонита и других
глинистых минералов, накапливаются бурые гидрослюды Fe. В результате
почва, кора выветривания, склоновые и другие континентальные отложения
приобретают бурый цвет и тяжелосуглинистый состав.
Кора выветривания менее мощна и менее выщелочена, чем во влажных
тропиках. Здесь не образуются гидрослюды Al, не высокий вынос Са, Мg и
других катионов. В слабой степени выносится кремнезем.
В
ландшафтах
кальциевого
класса
коры
выветривания
и
континентальные отложения содержат СаСО3, в формировании химического
состава вод важная роль принадлежит его растворению.
Хорошие климатические условия, плодородные почвы определили
важную роль ландшафтов 2 и 1 рода в сельском хозяйстве. Во многих
районах леса вырублены и почвы распаханы. Дефицитны N, P, K, местами
Co, Cu, Zn, Mn, J, Mo, B и др. Избыточных элементов почти нет.
В широколиственных лесах эффективны все виды геохимических
поисков. При литохимических поисках в некоторых районах необходим
отбор проб с глубины 0,5 м, т.к. подвижные металлы выносятся из верхних
горизонтов почв.
Главная геохимическая особенность ландшафтов широколиственных
лесов состоит в ежегодном продуцировании 80-150 ц/га живого вещества и
средней скорости его разложения. При разложении органических веществ
кислотные продукты распада частично нейтрализуются катионами, реакция
почв кислая, слабокислая или близкая к нейтральной, кислое выщелачивание
выражено слабо, в почве накапливаются биогенным путем многие элементы.
В отличие от влажных тропиков бик улучшает условия существования
организмов. Энергичная биогенная аккумуляция – эффективный механизм
отрицательной обратной биокосной связи, стабилизирующей состав почв и
повышающей их плодородие. В широколиственных лесах прямые водные
связи
сильнее
обратных,
широколиственных
лесов
т.е.
выщелачивание
между
автономными
преобладает.
и
Для
подчиненными
ландшафтами характерно совершенное геохимические сопряжение.
Таежные ландшафты образуют единую зону от западных до восточных
границ в России и Канаде.
Биомасса в тайге в 5 раз меньше, чем в тропиках. Более половины
биомассы представлено древесиной, состоящей из клетчатки (около 50 %),
лигнина (20-30 %), гемицеллюлозы (более 10 %), в меньшей степени из смол,
дубильных веществ, других органических соединений.
Число
видов
высших
растений
почти
вдвое
меньше,
чем
в
широколиственных лесах. Зеленая часть составляет не менее 3 % от
биомассы (часто 5-7). По этому показателю тайга ближе к влажным тропикам
(8%), чем к широколиственным лесам (1 %).
Для тайги характерна низкая зольность прироста: в северной тайге ниже
1,5 %, в средней и южной – 1,6 – 2,5 %. Т.о. хвойные деревья беднее золой,
чем лиственные. Особенно важны различия зольности хвои и листьев, т.к.
хвоя играет ведущую роль в опаде деревьев (более 50 %). Зольность хвои – 23,5%, листьев широколиственных пород – 5-8%. В хвое большую роль играет
SiO2 и меньшую Са. Клеточный сок хвои ели, сосны и лиственницы
содержит свободные органические кислоты, его рН 4,5-6,5; рН таежных трав
нередко кислый. Характерная особенность таежного ландшафта – кислая
среда.
С опадом в тайге ежегодно возвращается значительно меньше водных
мигрантов, чем в широколиственных лесах. Если в дубравах этот показатель
близок к 200 кг/га, в ельниках южной тайги – 85, в северной – 52 кг/га. Для
тайги характерен азотный тип химизма бика. В холодной тайге разложение
органических веществ протекает медленнее, чем в широколиственных,
микроорганизмы работают не так энергично, время их деятельности в году
короче, некоторые группы бактерий отсутствуют. Масса подстилки в 10 раз
превышает опад зеленой части.
В
растительном
опаде
елового
леса
эквиваленты
кислотных
органических соединений в десятки раз превышают эквиваленты катионов
золы и азота, дающих основания. Низкое содержание сильных оснований
(Са, Mg, Na, K) в золе при отсутствии их подвижных форм в горных породах
обуславливает кислый характер почвенных растворов: часть органических
кислот существует в свободной форме, обеспечивая кислую реакцию лесной
подстилки и верхних горизонтов почвы.
В тайге минерализация и гумификация ослаблены, энергично идет
образование фульвокислот. Нейтрализация фульвокислот происходит за счет
Fe и Al почвенных минералов.
Главное геохимическое отличие бика тайги от бика широколиственных
лесов в соотношении биомассы и продуктивности, в меньшей скорости
разложения органических веществ, меньшем количестве водных мигрантов,
вовлекаемых в бик и поступающих с опадом, более кислом характере
продуктов разложения, меньшей роли биокосной отрицательной обратной
связи.
В зависимости от степени континентальности, истории геологического
развития и проявления многолетней мерзлоты таежный тип на территории
Евразии разделен на несколько отделов:
1. Приокеаническая тайга (Прибалтика, запад Белоруссии, Скандинавия)
2. Умеренноконтинентальная тайга (европейская Россия)
3. Континентальная сибирская тайга (без многолетней мерзлоты)
4. Континентальная и резкоконтинентальная сибирская мерзлотная тайга
5. Приокеаническая (тихоокеанская) мерзлотная тайга (побережье Охотского
моря ).
6. Приокеаническая (тихоокеанская) тайга без мерзлоты (Сахалин, Камчатка,
Курилы, Приморье)
Показатели бика лесных ландшафтов
Параметры бика
Влажные
Широколиственные
тропики
леса
Тайга
Монотонно убывающие показатели, свидетельствующие об ослаблении
процессов образования живого вещества
Биомасса Б1, ц/га
5000
5000 - 4000
3000 - 500
Зоомасса Б5, ц/га
10n
Нет данных
n
Биоинформация
_________________ убывает ____________________→
(число видов)
Ежегодный прирост
500-300
150-100
80-40
К= П1/Б1
0,64 – 0,65
0,59 – 0,60
0,53 – 0,56
Опад О1 ц/га
250
65
50
Опад зеленой части
165
50
30
П
– О2 ц/га
Монотонно возрастающие показатели, свидетельствующие об ослаблении
процессов разложения органических веществ
Подстилка О3 ц/га
6 - 25
126 - 250
251 – 1000 и
более
Подстилочный
0,1 – 0,2
3-4
6 – 20
индекс (О3/О2)
Немонотонные показатели, свидетельствующие о геохимическом сходстве
тайги и влажных тропиков
Зеленая часть (Б2) в
8
1
6
26
5
19
48
66
50
4-5
5-7
4–5
Очень высокая
средняя
Очень высокая
% от биомассы (Б1)
Зольные элементы
+ азот в % от
зеленой части
Зольные элементы
+ азот в % от массы
многолетних
надземных частей
Кислотность почв
(на бескарбонатных
породах)
Интенсивность
выветривания и кис
лого выщелачивания в гумусовом
горизонте почв
(прямые связи)
Степные и луговые ландшафты
Степные ландшафты. Недостаток влаги лимитирует биологический
круговорот и другие геохимические процессы в степях. Чем суше степи, тем
меньше в них продуцируется живого вещества. В луговых степях сухая
органическая масса составляет около 250 ц/га, а в сухих степях – 100 ц/га.
Биомасса в степях примерно в 10 раз меньше, чем в лесных ландшафтах.
В
степях
преобладают
растения
с
исторически
сложившимися
химическими особенностями: злаки, сложноцветные, маревые и др. Многие
виды отсутствуют. Например, в луговых степях почти нет мхов и
лишайников.
Ежегодный прирост биомассы и опад в степях в таких же количествах
как и в лесах умеренного пояса. В степях преобладают многолетние травы.
Однако большая часть создаваемого ежегодного надземного органического
вещества отмирает каждый год, в значительной степени гумифицируется и
минерализуется. В результате в почве накапливается много гумуса,
содержание его составляет 800 т/га против 100-200 т таежном ландшафте.
Т.о. бик в степях отличается меньшей емкостью, чем в лесных, но
большей скоростью: значительное количество химических элементов
успевает пройти в течение года через живое вещество, прирост и опад
составляет 35-55% от биомассы.
Выделяются три основных типа степных ландшафтов:
1. черноземные степи,
2. сухие (каштановые) степи,
3. субтропические степи.
Для черноземных степей наиболее характерны ландшафты Са-класса,
хотя среди них встречаются ландшафты Са-Na и Na-OH – класса.
По сравнению с растительностью лесной зоны умеренных широт
степные растения содержат больше водных мигрантов (золы), чем лесные.
Состав золы зависит от систематического положения растений. Зола бобовых
содержит много К (15-40 % К2О в золе) и Са (12-30 % СаО), в золе злаков
много кремнезема (50-60 %), много хлора, натрия и серы. Железа и
алюминия степные растения содержат мало.
Черноземные степи включают три основных отдела:
1. умеренноконтинентальные степи (европейские),
2. континентальные (западносибирские),
3. резкоконтинентальные (восточносибирские).
В каждом отделе имеется 3 семейства – северные (луговые), средние
(настоящие) и южные (засушливые). Для черноземных степей характерен
сухой, континентальный климат с жарким летом и морозной зимой. Годовое
количество осадков не намного меньше, чем в лесной зоне (300-400 мм)
испаряемость выше.
Тип
черноземных
степей
расчленяется
на
ряд
семейств,
соответствующих почвенно-растительным подзонам: луговые степи на
мощных и выщелоченных черноземах, злаковые степи на обыкновенных
черноземах.
Сухие каштановые степи формируются в условиях более сухого
климата, чем черноземные. Для них характерна значительная роль Na в
геохимических процессах.
Тип сухих степей является переходным между черноземными степями и
пустынями. Между черноземными и сухими степями нет четких различий.
Для сухих степей типична комплексность почвенно-растительного покрова:
наиболее часто встречается сочетание каштановых почв с солонцами, в
некоторых районах солонцы преобладают. Помимо типичных солонцов
широко развиты каштановые солонцеватые почвы.
На территории России и Казахстана распространены 2 отдела сухих
степей – континентальные (Европейско-западно-сибирско-казахстанские) и
резкоконтинентальные сухие степи с длительным промерзанием почв.
Субтропические степи широко распространены в Передней Азии и
Северной Африке. Главная особенность бика субтропических степей –
напряженность и скорость. Ежегодная продукция близка к биомассе.
Характерно резкое преобладание окислительных условий в почвах,
окислительно-восстановительная зональность ближе к пустыням. Первичные
минералы
здесь
энергично
почвенного профиля.
выветриваются,
происходит
оглинение
Для
субтропических
степей
характерны
ландшафты
Са-класса.
Грунтовые воды в автономных ландшафтах равнин формируются под
влиянием испарительной концентрации, местами они высокоминерализованы
и имеют сульфатно-хлоридно-натриевый состав. При близком залегании от
поверхности они засоляют почву.
Субтропические степи Средней Азии включают три семейства: 1. с
наименее интенсивным биком – на светлых сероземах, самые засушливые
(пустынные субтропические степи); 2. со средним биком – на типичных
сероземах
(типичные);
3.
с
биком
максимальной
интенсивности
(крупнотравные субтропические степи на темных сероземах, коричневых и
других почвах).
БИК в горных лугах, тундре, тайге степях
Характеристик
а бика
Ландшафты
Горные
тундра
тайга
луга
Луговые
Сухие
черноземные
степи
степи
Показатели. Сближающие горные луга с черноземными степями
Биомасса
(Б),
250
280
1000-30
250
140
Продукция (П),
120
25
40-75
130
50
0,81
0,56
0,53-0,5
0,88
0,79
ц/га
ц/га
К= П/Б
Показатели, сближающие горные луга с тайгой и тундрой
Реакция
в
кислая
кислая
кислая
верхнем
слабокислая,
нейтр.,
нейтр.
слабощел
горизонте почв
Скорость
очн.
медленная
очень
медленная
быстрая
очень
медлен.
разложения
быстрая
растит.
остатков
тепло
Фактор,
тепло
тепло
увлажнение
увлажне-
лимитирующий
ние
бик
ПУСТЫННЫЕ ЛАНДШАФТЫ
Пустыни — это ландшафт с малой биологической информацией,
ослабленными биотическими и водными связями, но с интенсивными
прямыми воздушными связями.
Для пустынь характерны своеобразные саксауловые леса, травянистые,
кустарниковые
и
полукустарниковые
сообщества.
Это
позволяет
рассматривать различные пустыни как результат уменьшения Б и П
(деградации) лесов, степей, лугов и саванн. Пустынная деградация связана не
толь ко с иссушением климата, но и с похолоданием (полярные пустыни) и
засолением (солонцы и солончаки в степях).
Биомасса в пустынях обычно составляет 10-15 ц/га. Ежегодная
продукция колеблется в пределах 5-15 ц/га, возрастая до 50 ц/га в
саксауловых пустынях. Соотношение между Б и П меняется сильно.
Для пустынной флоры характерна интенсивная биогенная аккумуляция
Nа, С1, S а также К и Р, причем первые три элемента накапливаются в
надземных органах, а Р и К — в подземных. Общее содержание золы выше,
чем в степных растениях. Содержание Si, Fе и А1 в золе очень мало, они
имеют низкие коэффициенты биологического поглощения. Щелочные и
щелочноземельные металлы вовлекаются в бик энергичнее, чем в степях.
Галофиты отличаются высоким содержанием К, С1 и Nа, иногда S и Мg. Так
как в золе корней много Са, К, Р, то эти элементы в результате бика ежегодно
возвращаются в пустынную почву.
Концентрация в надземных органах Nа, С1 и S, по Л.Е. Родину, имеет
приспособительное значение: при развеваний отмерших надземных органов
растения избавляются от части этих избыточных элементов.
По абсолютному количеству растительного опада (О,) и отношению
опада к биомассе пустыни не отличаются от других типов ландшафтов.
Специфична для пустынь ничтожная роль в биомассе зеленых однолетних
органов растений.
В резкоокислительной среде пустынь разложение их остатков протекает
интенсивно, органические вещества быстро минерализуются и гумус почти
не накапливается. Этим пустыни отличаются от черноземных степей, лесов и
тундры. Древесные остатки, напротив, сохраняются долго, консервируясь в
сухом климате. Согласно Базилевич и Родину, в бике пустынь преобладае
азотный тип химизма. В солончаковый пустынях — хлоридный тип химизма
(С1 > На). Таким образом, в пустынях бик: протекает быстро, зеленая
органическая масса мала, органические вещества или минерализуются, или
консервируются, но почти не гумифицируются. Преобладающая часть
живого вещества сосредоточена под землей. К пустынной группе относят 4
типа
ландшафта,
которые
описываются
в
порядке
увеличения
прогрессивности бика – роста величины К (соотношение П/Б):
1. полярные пустыни,
2. высокогорные пустыни,
3. суббореальные пустыни,
4. субтропические (средиземноморские) пустыни.
ТУНДРОВЫЕ ЛАНДШАФТЫ
По биомассе и ежегодной продукции эта группа близка к степям, по
соотношению Б и П — к тайге, по некоторым информационным показателям
— к пустыням.
Тундровый тип ландшафта
Тундра — продукт холодного климата, точнее — холодного лета со средней температурой самого теплого месяца не более +10°С. На равнинах Евразии и Северной Америки она образует самостоятельную ландшафтную зону,
в горах — особый высотный пояс.
В равнинной тундре бик развивается в условиях длинного полярного
дня. Биомасса в тундре колеблется в широких пределах — от 40 до 300 ц/га,
большая ее часть сосредоточена в корнях (70—80%). Ежегодный прирост (П)
составляет 10 ц/га для арктической тундры и 25 — для кустарничковой, т.е.
по величине близок к сухим степям и пустыням.
Большую роль играют мхи и лишайники. Флора тундры содержит меньше
водных мигрантов, чем аналогичные роды и виды в тайге и других зонах.
Особенно мало золы в лишайниках (1,3—4%), в которой преобладаtn SiO2.
Несколько богаче золой мхи, в некоторых травах (хвощи) до 10—15% золы.
У большинства растений зольность 1,5—2%. Мхи богаты Fе, местами Мп и
Аl.
Из-за низкой температуры разложение остатков организмов в тундре
протекает медленно, многие группы микроорганизмов не функционируют
или же работают очень слабо (бактерии, разлагающие клетчатку и др.). Это
ведет к накоплению органических веществ на поверхности и в почве. В
подстилке накапливается 25—835 ц/га при ежегодном опаде 0,п—50 ц/га.
Отношение подстилки к опаду, характеризующее интенсивность разложения
растительных остатков, колеблется от 100 до 17. По этому показателю тундра
ближе к тайге (п), чем к степям и пустыням (0,п) (таблица 11.2). По биомассе,
ежегодной продукции, соотношению подземной и надземной частей тундра
ближе к аридным ландшафтам. Но малая биомасса степей и пустынь связана
с недостатком воды (реже — избытком солей), в тундре — недостатком
тепла. В тундрах, сухих степях и пустынях произрастают близкие жизненные
формы — кустарники и кустарнички. Разложение органических веществ в
тундре, напротив, резко отличается от аридных ландшафтов и аналогично
северной тайге. Об этом говорит накопление большого количества
подстилки, важное участие в бике А1, Fе, Мп. Генетическая близость тундры
и тайги определяет их сходство по соотношению Б и П величине К (табл.
11.2). Низкая интенсивность бика и связанная с этим низкая самоорганизация
определяют малую устойчивость ландшафта к антропогенному воздействию.
На территории России в тундровом типе выделяется 5 отделов:
1. Умеренно-континентальные тундры без многолетней мерзлоты (запад
Кольского полуострова).
2. Умеренно-континентальные и континентальные тундры с многолетней
мерзлотой (европейская Россия и Западная Сибирь).
3. Резкоконтинентальные тундры с многолетней мерзлотой (Восточная
Сибирь).
4. Приокеанические и океанические мерзлотные тундры (Чукотка, Охотское
побережье, часть Камчатки и др.).
5. Приокеанические тундры без многолетней мерзлоты (Командоры, юг
Камчатки, Курилы и др.).
ПРИМИТИВНО-ПУСТЫННЫЕ ЛАНДШАФТЫ
Эти ландшафты распространены в различных климатических условиях,
но наибольшую площадь занимают в полярных районах, пустынях и
высокогорьях. Биомасса мала, основную роль в бике играют водоросли и
микроорганизмы,
частично
лишайники
и
грибы.
Высшие
растения
отсутствуют или число крайне ограничено. Некоторые примитивнопустынные ландшафта можно рассматривать как результат деградации
ландшафтов других групп под влиянием ухудшения условий существования
организмов: понижения температуры, увеличение сухости, засоленности.
Так, в сухих степях увеличения засоленности почв приводит к образованию
шоровых солончаков, лишенные высшей растительности. Понижение
температуры в начале ледникового периода привело к образованию
полярных пустынь.
Лишайниковые и водорослевые ландшафты скал. Этот тип
явлдяется первой стадией развития ландшафтов на изверженных породах,
которая в условиях влажного и теплого климата скоропереходяща.
Примитивные пустыни хлоридно-сульфатного класса. Формируются
в условиях пустынного климата и расчлененного рельефа на соленосных
породах.
Гамады и такыры. (Гамады – безжизненные каменистые пустыни
лишенные высшей растительности и покрытые слоем черного от пустынного
загара щебня).
Вулканические ландшафты солянокислого класса.
АБИОГЕННЫЕ ЛАНДШАФТЫ
Современные
абиогенные
ландшафты.
В
природных
условиях
центральных частей Антарктиды, Гренландского ледяного щита, наиболее
высоких вершин Гималаев и других хребтов бик не возможен. Эти
ландшафты относятся к абиогенному ряду. Отсутствие бика не исключает
продукты всей биосферы Земли — кислородной атмосферы, известняков и
других осадочных пород. Для таких абиогенных ландшафтов характерна
важнейшая особенность всех земных ландшафтов — взаимопроникновение
атмо-, лито- и гидросферы. Главнейшее значение имеют агрегатные
преобразования воды: водяной пар жидкая вода лед. Возможны и другие
химические процессы, но число их невелико, реакции относительно просты.
Энергетика абиогенных ландшафтов примитивна, их однообразие говорит о
малом количестве информации самой простой ее формы — неорганической
информации.
Антропогенное воздействие на ландшафты. Источники воздействия.
Техногенные геохимические аномалии.
Антропогенное воздействие на ландшафты
Техногенез – совокупность геохимических и геофизических процессов,
связанных с деятельностью человека, уже значительно изменивших и
продолжающих изменять геохимическую обстановку в биосфере. В
геохимическом аспекте техногенез включает:
1) извлечение химических элементов из природной среды и их
концентрацию;
2) перегруппировку химических элементов, изменение химического
состава соединений, в которые эти элементы входят, а также создание новых
веществ;
3) рассеяние вовлеченных в техногенез элементов в окружающей среде.
Отрицательное действие техногенеза объединяется понятием загрязнение
природной среды.
Степень использования элемента по отношению к его содержанию в
литосфере называют технофильностью элемента. Наиболее высокую
глобальную технофильность имеют Cl, C, она весьма высока у Pb, Sb, Zn, Cu,
Sn, Mo, Hg.
М. А. Глазовская – автор представления о технобиологических
пространственных физико-географических единицах, обладающих сходной
реакцией на одно и то же геохимическое воздействие. Была разработана
схема
районирования
территории
по
вероятной
интенсивности
самоочищения от продуктов техногенеза по основным показателям:
 частота штилей,
 величина стока,
 величина ультрафиолетовой радиации (чем больше УФ радиация, тем
больше интенсивность разложения загрязняющих веществ),
 число дней с грозами (озон, выделяющийся при грозе, также ускоряет
разложение).
Также составляют схемы районирования по вероятной интенсивности
разложения органических продуктов техногенеза в почвах.
Показатели:
 энергия и время разложения растительного опада,
 щелочно-кислотные условия,
 окислительно-восстановительные условия.
Техногенные геохимические аномалии
Загрязнение окружающей среды в значительной степени связано с
численностью населения, промышленным производством, потреблением
топлива.
В
настоящее
время
широкое
распространение
получают
техногенные геохимические аномалии. Выделяют следующие группы
техногенных геохимических аномалий:
1. Глобальные – например, содержание радионуклидов (в результате
ядерных испытаний);
2. Макрорегиональные – например, выбросы серы (Европа, Северная
Америка, Юго-Восточная Азия); играет роль не только наличие выбросов
на данной территории, но и трансграничный перенос;
3. Региональные – от конкретных единичных, но очень мощных источников,
например, Чернобыль, крупные промышленные города, районы; районы
нефтедобычи.
4. Локальные – отдельные предприятия, автомагистрали.
Карты аномалий обычно составляются на основе значений коэффициента
аномальности Ka = Ci/Cb, где Сi – содержание элемента в данном объекте, Cb
– фоновое содержание. Такие карты часто используются для поиска
полезных ископаемых, для оценки загрязнения окружающей среды (карты
показать).
Источники воздействия. Оценка природно-геохимического фона
территории
Геохимическое состояние городской среды наряду с природными
условиями определяется количеством техногенных источников, находящихся
на территории города, их расположением, мощностью и качественным
составом загрязняющих веществ. В крупных промышленных центрах
происходит аккумулятивное воздействие на природную среду и человека
различных видов производств, транспорта, муниципальных и других
отходов.
Главные
источники
загрязнения
–
неутилизированные
промышленные и коммунально-бытовые отходы, содержащие токсичные
химические элементы.
Техногенные отходы подразделяются на:
жидкие и твердые отходы (преднамеренно собираемые и депонируемые),
стоки (поступают в окружающую среду в виде жидких потоков, содержащих
твердые взвешенные частицы),
выбросы (рассеяние в атмосфере загрязняющих веществ в твердой, жидкой и
газообразной форме).
Для проведения мониторинга техногенные отходы делятся на:
организованные
(поступают
в
среду
через
устройства)
неорганизованные
окружающую
специальные
(утечки и выбросы в системах
трубопроводов,
канализации,
при авариях, перевозке отходов)
По степени аномальности относительно кларков литосферы первое
место
занимают
выбросы
предприятий
(в
пыли
особенно
сильно
концентрируются вольфрам, сурьма, свинец, кадмий, никель), немного
меньше нагрузка от отходов, третье место занимают стоки.
Среди выбросов:

27% составляет электроэнергетика,

20% цветная металлургия,

15% черная металлургия.
Три главных мировых центра выбросов вредных веществ – Европа,
США, Китай. Атмосферный воздух в городах обычно загрязнен оксидами
серы и азота, пылью, но особенно опасны повышенные концентрации
специфических для каждого вида производства загрязнителей. Основная
масса
микроэлементов
в
атмосфере
входит
в
состав
аэрозолей.
Интенсивность загрязнения воздуха в городах зависит от целого ряда
ландшафтных факторов, в первую очередь, от метеорологической ситуации и
рельефа местности. По стоку: 21% деревообработка, 17% химическая
промышленность, 12% электроэнергетика.
Твердые отходы по отраслям: черная металлургия – Mn, Cr, V (n-10n,
сравнимы с кларком); цветная металлургия – Zn, Pb (1000n); Cu, Cr (100n);
машиностроение – Cd (1000n); Mn, Cr, W (10-100n); химическая
промышленность – Cd, Co (1000n); легкая промышленность – Cr (1000n).
Для оценки источников воздействия важно сначала провести оценку
природно-геохимического фона окружающей территории. Такая оценка
включает
получение
детальной
информации
о
региональной
литогеохимической и биогеохимической специализации эталонных фоновых
участков,
расположенных
вне
влияния
промышленного
и
сельскохозяйственного загрязнения, их радиальной и латеральной структуре.
Загрязнение основных депонирующих сред в городах
Снег как депонирующая среда
Снег обладает высокой сорбционной способностью и осаждает из
атмосферы
на
земную
поверхность
значительную
часть
продуктов
техногенеза. Изучение химического состава снежного покрова позволяет
выявить пространственные ареалы загрязнения и количественно рассчитать
реальную поставку загрязняющих веществ в ландшафты в течение периода с
устойчивым снежным покровом.
Опробование снега проводится обычно перед началом таяния на всю его
мощность специальными полихлорвиниловыми пробоотборниками. Пробы
растапливают при комнатной температуре и воду фильтруют под
давлением и пропускают через газ. Обычно исследуют две фазы –
растворенная (прошедшая через ядерные фильтры, и минеральная (пыль),
оставшаяся на фильтрах.
После аналитического определения компонентов рассчитывают
коэффициенты аномальности КС, равные отношению содержания элемента
в пробе (в конкретной зоне загрязнения) к фоновому содержанию а также
суммарный показатель загрязнения.
Выделяют пять основных групп поллютантов снежного
покрова: 1)
макрокомпоненты снеговых вод – пыль, сульфатные и гидрокарбонатные
ионы, кальций, фтора, хлор, минеральные формы азота и фосфора и др.; 2)
тяжелые металлы и другие микроэлементы, органические соединения; 3)
фенолы,
формальдегид
и
др.;
4)
полициклические
ароматические
углеводороды (ПАУ); 5) радионуклиды.
При поступлении больших количеств пыли в окружающую среду часто
происходит подщелачивание снеговых вод до 8,5-9,5 (рН), увеличение
содержания кальция, магния, гидрокарбонат-ионов. Это связано с цементной,
строительной промышленностью, теплоэнергетикой, черной металлургией,
производством аммиака. При этом образуется карбонатный геохимический
барьер, на нем осаждаются многие тяжелые металлы.
Поставка оксидов серы (тепловые станции на угле, цветная металлургия,
коксо- и нефтехимия) ведет, наоборот, к подкислению снеговых вод. Иногда в
снежном покрове наблюдается зональность щелочно-кислотных условий.
При
подкислении
и
подщелачивание
происходит
увеличение
минерализации и техногенная трансформация состава вод. Для оценки
степени трансформации используется коэффициент К, показывающий
возрастание отношения SO42-/Cl- в снеговой воде к этому же эталонному
отношению в морской воде. Значение К > 10 характеризует сильную
трансформацию состава вод и степень их сульфатизации.
Среди ПАУ наиболее токсичны 3,4-бензпирен (БП) и 1,12-бензперилен
(БПЛ), особенно часто определяемые в объектах окружающей среды. В
настоящее время 3,4-бензпирен в 70-80% случаев занимает первое место
среди веществ, определяющих высокий уровень загрязнения в городах
бывшего СССР. Многие ПАУ канцерогенны, поэтому изучение их
распространения имеет еще и медико-гигиеническое значение.
Загрязнение почвенного покрова
По характеру геохимического изменения естественных и слабо
измененных городских почв относительно фоновых почв региона можно
судить о степени их техногенной трансформации. Как правило, техногенные
ореолы в почвах фиксируют интенсивность загрязнения в течение последних
20-50 лет. Ореолы в почвах более статичны, чем в воздухе, снеге и растениях,
т. к. они способны аккумулировать поллютанты в течение всего периода
техногенного воздействия.
Загрязняющие вещества в почвах делятся на две группы по своему
эффекту. Педогеохимически активные вещества
изменяют щелочно-
кислотные, окислительно-восстановительные условия в самих почвах. Это в
основном нетоксичные и слаботоксичные элементы с высокими кларками –
Fe, Ca, Mg, щелочи и минеральные кислоты. Биохимически активные
вещества действуют прежде всего на живые организмы. Это обычно
типоморфные для каждого вида производства высокотоксичные поллютанты
с низкими кларками – Hg, Cd, Pb, Sb, Se.
В городской пыли преобладают макроэлементы – Fe, Ca, Mn. С этим
связано ожелезнение и карбонитизация почв. Ожелезнение почти не влияет
на щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия миграции
элементов. Карбонитизация ведет к увеличению щелочности, насыщению
ППК основаниями, связыванию многих металлов в труднорастворимые
карбонаты.
Аномальные зоны тяжелых металлов в почвах – участки наиболее
интенсивного воздействия на городскую среду, ни служат индикаторами
техногенного
загрязнения
(промышленность,
теплоэнергетика,
автотранспорт, муниципальные отходы) и представляют опасность для
растений, животных и человека, особенно детей.
Для экологической и санитарно-гигиенической оценки загрязнения почв
используются ПДК элементов. Предельно допустимый уровень состояния
почв – уровень, при котором начинает изменяться оптимальное количество и
качество создаваемого вновь живого вещества, т. е. биологическая
продукция.
В
полиэлементных
очагах
загрязнения
токсичность
отдельных
элементов может суммироваться и оказывать синэргетическое воздействие на
живые организмы. Одним из простых способов оценки контрастности
комплексных техногенных ореолов является расчет суммарных показателей
загрязнения.
Наиболее высокие средние уровни суммарного загрязнения почв
тяжелыми металлами (ZC > 120, до 500-1000) установлены для городов с
цветной и черной металлургией. Сильные загрязнение также характерно для
центров тяжелого машиностроения, приборостроения, нефтехимии.
Распределение подвижных форм элементов во многом определяется
ландшафтно-геохимическими условиями. Особенно интенсивны аномалии в
почвах автономных ландшафтов и наветренных к техногенным источникам
склонов, а также в городских супераквальных ландшафтах побережий рек,
озер и водохранилищ, куда загрязняющие вещества поступают со всеми
видами стока.
Биогеохимия городской среды
Растения – один из наиболее чутких индикаторов техногенного
изменения состояния городской среды. Городские растения испытывают
негативное воздействие значительного числа поллютантов: оксидов серы,
азота и углерода, тяжелых металлов, соединений фтора и др. Наибольшую
опасность представляют выбросы в атмосферу диоксида серы SO2,
содержащегося в продуктах сгорания угля, нефти и мазута, а также HF.
Растительный покров является первым экраном на пути осаждения
атмосферных выпадений. Металлосодержащие аэрозоли адсорбируются
поверхностью листьев (Pb), механическим путем или в растворенном виде
проникают в устьица (Zn, Cd). Аккумуляция металлов растениями зависит
от: а) особенностей поверхности растения; б) количества, рН атмосферных
осадков, скорости ветра и влажности воздуха, определяющих вынос
элементов из растений; в) физических и химических свойств загрязняющих
веществ.
Биогеохимическая индикация, в отличие от изучения снежного
покрова, дает информацию о загрязнении преимущественно в теплое время –
период вегетации растений и активной водной миграции.
Обычно в городах пробы растительного покрова берутся через 500 м, т.
е. 9 проб на 1 км2, что соответствует примерно 1000 проб на город.
Существует два основных подхода биомониторинга состояния города:
1. Активный биомониторинг – использование в качестве депонирующих
средств специальных растений, в основном низших растений. Таблетки со
сфагнумом, эпифитными лишайниками, табаком кладут в специальные
планшеты, расставляют по территории город и наблюдают за ними в
течение некоторого времени (концентрации и поставки, т. е. массу за
какой-либо период загрязняющих веществ).
2. Пассивный биомониторинг – использование тех растений, которые растут
на территории города (аналогично использованию снега и почвы).
Деревья гораздо сильнее концентрируют загрязняющие вещества, чем
трава, лиственные деревья – сильнее, чем хвойные (т. к. значительное число
веществ поступает на листья прямо из атмосферы). Кроме листьев,
хорошими
биоиндикационными
свойствами
обладают
невегетативные
органы растений, особенно кора деревьев.
Существует два основных вида соотношения элементов в растениях и
содержания элементов в питающей среде: барьерная и безбарьерная (прямая)
зависимость. Барьерная зависимость характеризуется наличием барьера
поглощения какого-либо элемента растением, который не может быть
превышен – при дальнейшем росте концентрации растение гибнет. Такой вид
зависимости характерен, например, для U (в то время как сопутствующий
урану
Ra
характеризуется
безбарьерной
зависимостью).
Барьерная
зависимость обычно характерна для вегетативных органов растений.
Безбарьерная зависимость обычно характерна для невегетативных органов.
Содержание загрязняющих веществ в почвах, растениях и снеге и их
распространение зависит от форм нахождения элементов в выбросах.
Поэтому
в
разных
случаях
лучше
использовать
анализ
разных
депонирующих сред.
Геохимия городских ландшафтов
Ландшафтно-геохимический анализ состояния городов
Урбанизированные
районы
являются
самыми
техногенными
ландшафтами. В СССР первые широкие прикладные геохимические
исследования городов были начаты в 1970-х гг. под руководством Ю. Е.
Саета
(геохимическое
обследование
Москвы,
составление
эколого-
геохимической карты города).
Судьба загрязняющих веществ в городской среде зависит от
внутренних (химических, токсикологических) и внешних (условий миграции,
свойств городского ландшафта, систем геохимических барьеров и др.)
факторов. Поэтому важным блоком эколого-геохимических оценок городов
являются ландшафтно-геохимические исследования, направленные на анализ
техногенных потоков загрязняющих веществ в ландшафтах, трансформации
природной среды, радиальной и латеральной структур, устойчивости
природно-антропогенных ландшафтов к загрязнению.
Экологические блоки любого города, между которыми формируются
потоки загрязняющих веществ, условно делятся на три группы: а) источники
выбросов, к которым относится промышленный комплекс города, городское
жилищно-коммунальное хозяйство и транспорт; б) транзитные среды,
непосредственно принимающие выбросы, где происходит транспортировка и
частичная трансформация загрязняющих веществ – атмосфера, атмосферные
выпадения (дождь, снег, пыль), временные и постоянные водотоки,
поверхностные воды и водоемы, грунтовые воды; в) депонирующие среды, в
которых накапливаются и преобразуются техногенные веществ – донные
отложения, почвы (особенно участки геохимических барьеров), растения,
микроорганизмы, городские сооружения, население города, снежный покров.
При экологической оценке городов изучается главным образом не
эмиссия загрязняющих веществ от техногенных источников, на оценку
которой ориентированы системы ведомственного мониторинга, а имиссия
поллютантов, т. е. их реальное распределение в депонирующих природных
средах.
Первым
этапом
эколого-геохимической
оценки
является
инвентаризация источников загрязнения. Составляются “экологические
паспорта” на все источники загрязнения. Только на втором этапе
анализируются депонирующие среды.
Коэффициент эмиссии:
E1 
P
,
N
где Р – количество пыли, тыс. т/год; N – численность населения на данной
территории. Также рассчитывается коэффициент E2 – на единицу площади.
Геохимическая классификация городов
Городские ландшафты относятся к отряду антропогенных селитебных
ландшафтов (также могут быть отряды агроландшафтов, биогенных
ландшафтов), характеризующимся ведущей ролью техногенной миграции
веществ, наличием искусственного рельефа, концентрацией населения.
Разряды
городов
выделяют
на
основе
сочетания
значений
коэффициента эмиссионной нагрузки с известными показателями уровня
загрязнения (ZC, величины пылевой нагрузки р, кг/км2сут) депонирующих
сред. По значениям Е1 выделяются следующие градации:
1. L (менее 0,3 т/чел год – многие крупные и средние города с
машиностроительной специализацией);
2. M (0,3-1) – крупные города с нефтехимической и химической
промышленностью и другие промышленные центры;
3. N
(1-2)
–
города
черной
и
цветной
металлургией,
тяжелым
машиностроением, химической промышленностью (Липец, Нижний
Тагил, Ангарск);
4. Р (2-3) – Новотроицк, Красноперекопск, Череповец, Магнитогорск;
5. R (3-5) – Темиртау;
6. S (более 5) – Норильск (около 12-13 т/чел год).
Группы и типы городов выделяются на основе групп и типов природных
ландшафтов,
на
которых
сформировался
антропогенный
городской
ландшафт. Семейства городов определяются особенностями воздушной
миграции
продуктов
техногенеза,
положением
города
в
бассейнах
атмосферного переноса и региональными особенностями загрязнения и
самоочищения атмосферы. Классы городов выделяются по условиям водной
миграции продуктов техногенеза и положению в КЛГС. Роды городов
выделяются на основе геохимической специализации литогенного субстрата.
Геохимическая классификация элементарных городских ландшафтов
Также
возможно
геохимическая
классификация
элементарных
ландшафтов внутри города. По принадлежности к функциональной зоне,
загрязнению ландшафтов выделяют пять основных порядков: 1) парковорекреационный;
2)
агротехногенный;
3)
селитебный;
4)
селитебно-
транспортный; 5) промышленный. В первых трех преобладает привнос
поллютантов, в последних двух – вынос и частичная аккумуляция.
В пределах порядков по особенностям воздушного привноса и выноса
поллютантов, геохимической специализации выбросов и отходов выделяют
отделы городских ландшафтов. Для выделения разделов интегральным
критерием служат уровни загрязнения отдельных компонентов и степень их
опасности для живых организмов в пределах порядком и отделов с
использованием четырех градаций поступления пыли
и
суммарных
показателей загрязнения химическими элементами снега, почв и, возможно,
растений.
Группы и типы выделяются по особенностям биологического
круговорота, классы – по классам водной миграции, роды – по особенностям
воздушной и водной миграции, положению в катене, виды – по
геохимической специализации литогенного субстрата.
17. Геохимия аквальных ландшафтов. Оценка техногенного загрязнения
природных вод.
Общие закономерности загрязнения городских вод
Промышленная и муниципальная деятельность в городах ведет к
значительной
техногенной
трансформации
водного
баланса
на
их
территории. Загрязнение природных вод промышленными и коммунальными
стоками является одной из основных форм техногенной деформации
городской среды.
Три основных направления оценки загрязнения природных вод: 1)
определение состава канализационных промышленных и муниципальных
вод;
2)
изучение
распространены
стоков
с
территории
синтетические
города
загрязняющие
(особенно
вещества
–
широко
фенолы,
нефтепродукты и др.); 3) гидрогеохимическая оценка городской среды –
изучение
состояния
конечных
звеньев
водооборота
сточных
и
поверхностных ливневых вод, а также донных отложений, служащих
универсальным индикатором техногенной нагрузки на водосборы в пределах
города.
Воды, в которых содержание загрязняющих веществ велико, но
допустимое для сбрасывания в водоемы, называются условно чистыми.
Баланс поставки химических веществ в поверхностном стоке крупных
городов состоит из следующих компонентов (в сумме 100%):
- фоновый сток;
- сток условно чистых промышленных вод (Cu, Sr);
- канализационный сток (Sn, Cr, Cd);
- ливневой сток – осадки (Pb, Zn, Mo).
Хорошими индикаторами для целого ряда производств являются ПАУ.
Они
характеризуются
обычно
большими
значениями
коэффициента
аномальности, нежели цветные металлы.
Изучение загрязнения донных осадков
Изучение донных осадков, как одной из основных депонирующих сред
городских ландшафтов связано с тем, что донные осадки отличаются очень
низкой динамичностью. Донные осадки - сложная биокосная система, по
своим свойствам напоминающая почву (в частности, деление на горизонты).
По утверждению Вернадского, “илы – подводные почвы”.
Донные
осадки
могут
быть
сульфидными,
глеевыми
и
окислительными. В низовьях многих рек скорость течения замедляется, в
донных отложениях образуются глеевые барьеры, накапливаются многие
элементы.
Загрязнение донных осадков зависит от:
- литологического состава (L – содержание глинистой фракции);
- содержания карбонатов;
- содержания органического вещества (О).
Для нормирования донных осадков по этим основным показателям
используются поправочные коэффициенты а, b и с:
YX
a  25b  10c
,
a  Lb  Oc
где X – абсолютное содержание элемента в пробе. По значениям Y можно
сравнивать загрязнения в донных осадках, отличающихся по значениям
основных параметров.
Геохимические аномалии в водоемах
Важным
геохимической
показателем
является
аномалии
водоеме.
в
протяженность
При
отсутствии
техногенной
техногенных
источников в бассейне, в водоеме нет техногенных аномалий. Наличие
промышленных городов в бассейне существенно влияет на содержание
различных веществ (например, резко повышается содержание Ag в донных
отложениях). Средняя протяженность аномалии составляет 5-10 (до 15 км),
далее река “самоочищается”.
Однако, бывает, что загрязнение действует на всем протяжении
водотока (например, в районах нефтедобычи). В этих случаях особенно
велико загрязнение в дельтах. Таковы дельты Инда, Ганга, Рейна, Дуная,
Волги и других рек. Иногда повышенное содержание того или иного
элемента в водоеме связано с характером пород, которые дренирует данная
река. Например, в Рейне из-за особенностей пород аномалии содержания
меди были выражены гораздо ярче, чем в Дунае и Волге, хотя объем
загрязнения там был не больше.
В качестве индикаторов загрязнения водоемов часто используют водные
растений.
Лучше
использовать
растения,
обладающие
меньшей
вариабельностью, в которых повышение концентрации веществ всегда четко
соответствует увеличению загрязнения.
В водоемах также отражено глобальное загрязнение. Так, в определенные
годы наблюдались аномалии, связанные с радиоактивными испытаниями
1950-х гг., с аварией на ЧАЭС.
В последнее время в развитых странах мониторинг донных осадков
обнаруживает тенденции к снижению загрязнения водоемов. Это результат
внедрения экологически чистых технологий. В менее развитых странах
загрязнение остается на прежнем уровне или растет, но сниженными
темпами.
Очень важно наличие на реках водохранилищ. Водохранилища
выполняют очищающую функцию. Каждая плотина является механическим
барьером для веществ, перемещающихся со взвесями. Перед плотинами
часто бывают аномалии содержания этих веществ. Также часто бывают
устьевые аномалии при слиянии рек (из-за падения скорости течения).
Основные типы геохимических аномалий в водоемах:
1. Аномалии, связанные с наличием промышленных центров.
2. Устьевые аномалии – связаны с замедлением скоростей течения рек при
слиянии (гидродинамический барьер);
3. Аномалии приплотинных плесов водохранилищ;
4. Аномалии в устьях рек, связанные с замедлением скорости в нижнем
течении;
5. Аномалии в морских бухтах, на берегах которых расположены крупные
города.
Геохимия речных дельт
В дельтах рек обычно происходит переход воды из взвешенного
состояния (река) в растворенное (море). Сульфатные формы в морях более
подвижны, чем гидрокарбонатные. По этим причинам здесь часто
образуются геохимические барьеры. Если реки выносят в основном
растворенные
вещества,
то
барьеры
растянуты,
если
преобладают
взвешенные – барьеры выражены четко.
В зонах смешения морских и речных вод происходит реакция:
HCO3 + NaCl  Na(HCO)3,
образуется сода, в результате резко повышается рН.
В дельтах есть несколько областей концентрации загрязняющих
веществ, связанных с местами замедления скоростей течения (при выходе в
море, между островами).
Итак, уровень загрязнения в дельтах рек зависит от следующих
факторов:
1. Характер источников (в том числе литологических) поступления
загрязняющих веществ;
2. Наличие водохранилищ;
3. Тип отложений в дельте (например, пески и известняки почти не
накапливают
загрязняющих
веществ,
в
этом
рассеиваются в море);
4. Степень проточности данного водоема дельты;
5. Растения, произрастающие в данной части дельты.
случае
вещества
Таким образом загрязнение аквальных ландшафтов, в частности дельт,
очень сильно дифференцировано.
18. Геохимия прибрежных ландшафтов
Около 70% населения Земли живет в зоне 0-100 км от берега, поэтому
береговые ландшафты играют колоссальную роль в жизни людей.
Сосредоточение промышленности и населения обусловливает сильное
воздействие на ландшафты.
В прибрежных зонах в результате глобального потепления происходит
подъем уровня моря (скорость 2 мм/год), затопление и разрушение
прибрежных территорий. При этом изменяются и геохимические условия.
Изменение уровня мирового океана ученые изучают различными
методами. Например, в качестве модели рассматривается изменение уровня
Каспия (подъем с 1978 г.), которое происходит со скоростью 13 мм/год, т. е. в
режиме реального времени (сохранились террасы 20-40-х; 50-70-х гг., за
несколько десятилетий образовывались берега, лагуны и т. д.). Также
изменение уровня моря и связанных с ним геохимических условий изучают
на ледниках Гренландии и Антарктиды.
Изменение условий морских террас и других элементов береговой
линии сходно с моделями курганов (см. вопрос №13). Здесь в результате
геоморфологических процессов осадконакопление часто начиналось с нуля.
Геохимические процессы в прибрежных районах, связанные с
подъемом уровня моря:
1. Засоление – при наступании моря на сушу происходит образование
засоленных почв, солончаков определенной степени минерализации –
галогенез. В районах, где на берегу развито сельское хозяйство, засоление
приносит большой ущерб.
2. Изменение
окислительно-восстановительных
условий
–
при
заболачивании, маршеобразовании образуются анаэробные условия,
происходят сульфидогенез, оглеение.
3. Ожелезнение – связано с изменением окислительно-восстановительных
условий. В условия образовавшегося кислородного геохимического
барьера Fe2+ переходит в Fe3+ и осаждается.
4. Накопление
тяжелых
металлов
–
связано
с
ожелезнением
(при
ожелезнении образуется сорбционный и сульфидный барьеры).
5. Биогенная аккумуляция, гумусонакопление – при наступлении моря на
пляжи появляются растения, продуцируется органика.
Геохимические барьеры в океане:
1. Река – море;
2. Берег – море;
3. Гидрофронты (разделы водных масс);
4. Фронты прибрежного апвеллинга;
5. Лед – вода;
6. Гидротермы (подъем термических вод, образуются кислородный и
температурный барьеры, осаждаются Mn, Fe – “черные курильщики” - изза Mn4+);
7. Океан – атмосфера;
8. Слой фотосинтеза;
9. Слой O2 – H2S (смешение кислородных и сульфидных вод, часто здесь
образуются железо-марганцевые конкреции);
10.Солевой барьер;
11.Окислительно-восстановительный барьер в осадках;
12.ГБЗ и образование руд.
19. Геохимия агроландшафтов
Агроландшафты – районы площадного (а не точечного, как города)
воздействия
человека
на
ландшафт.
Наиболее
сильное
воздействие
осуществляется путем химических мелиораций, прежде всего внесения
минеральных удобрений:
1. Азотные удобрения – увеличивается содержание азота, однако других
вредных веществ азотные удобрения не содержат;
2. Фосфорные удобрения – происходит загрязнение окружающей среды
фосфором, но фосфор быстро связывается минеральным веществом и
слабо мигрирует, идет эвтрофикация водоемов; фосфорные удобрения
также содержат Cd, U, Sr, As, редкоземельные элементы (Y, Sc, La). Так,
например, в бассейне Рейна, несмотря на сокращение промышленных
выбросов Cd, его содержание в почве продолжает увеличиваться из-за
фосфорных удобрений.
3. Твердые бытовые отходы – осадки иловых вод, поля фильтрации. Это
наиболее
опасные
удобрения,
они
вызывают
загрязнения
микроэлементами.
Для защиты винограда от вредителей его поливают CuSO4. Концентрация
меди достигает 1% (ее кларк 4,710-3%). Для очистки (локализации)
загрязнения создаются искусственные щелочные барьеры (известь).