МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет»

(УГТУ)

Н. Ю. Мачулина

Геохимия окружающей среды

Учебное пособие

Ухта, УГТУ, 2015

УДК 550. 46 (075. 8) ББК 26. 30 я70

М 37 Мачулина, Н. Ю.

М 37 Геохимия окружающей среды [Текст] : учеб. пособие / Н. Ю. Мачу-лина. – Ухта : УГТУ, 2015. – 154 с.

ISBN 978-5-88179-906-9 Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 022000.62 Экология и природопользование, включает курс лекций, вопросы для контроля знаний студентов, вопросы к экзамену. В учебном пособии изложены теоретические основы геохимии окружающей среды. Рассмотрены: генезис, структура и организация биосферы; происхождение, химический состав и эво-люция составляющих её геосфер; закономерности миграции химических эле-ментов; основные виды и последствия антропогенного воздействия на геосферы и биосферу в целом; основные черты геохимии природных и техно-генных ландшафтов; принципы комплексной эколого-геохимической оценки со-стояния окружающей среды.

УДК 550. 46 (075. 8) ББК 26. 30 я70

Учебное пособие рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом Ухтинского государственного технического университета. Рецензенты: З. П. Перхуткина, исполнительный директор ООО «Экологический центр “Аквилон“»; Е. В. Королёва, заместитель директора ООО «ЭкоАльянс».

© Ухтинский государственный технический университет, 2015 © Мачулина, Н. Ю., 2015

ISBN 978-5-88179-906-9

Оглавление ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 1. ГЕОХИМИЯ ГЕОСФЕР ......................................................................................... 8

1.1 Литосфера ............................................................................................................ 8 1.1.1 Общие сведения о строении и составе Земли ............................................ 8 1.1.2 Кларки литосферы ...................................................................................... 11 1.1.3 Геохимические аномалии .......................................................................... 16 1.1.4 Природная эколитохимия .......................................................................... 18 1.1.5 Антропогенное воздействие на геохимические процессы ..................... 20

1.2 Атмосфера ......................................................................................................... 23 1.2.1 Происхождение и кларки атмосферы ....................................................... 23 1.2.2 Антропогенное воздействие на химический состав атмосферы ........... 24

1.3 Гидросфера ........................................................................................................ 28 1.3.1 Природная экогидрохимия ........................................................................ 28 1.3.2 Антропогенное воздействие на гидросферу ............................................ 30

1.4 Педосфера .......................................................................................................... 32 1.4.1 Природная экопедохимия .......................................................................... 32 1.4.2 Антропогенное воздействие на почвенный покров ................................ 35

1.5 Биосфера и ландшафты Земли ........................................................................ 37 1.5.1 Геохимическая организация биосферы .................................................... 38 1.5.2 Общие закономерности геохимической эволюции биосферы .............. 41 1.5.3 Организмы и антропогенная деятельность .............................................. 44

Контрольные вопросы ............................................................................................... 45 2. МИГРАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В БИОСФЕРЕ .......................... 49

2.1 Геохимические циклы миграции химических элементов ............................ 50 2.2 Типы и виды миграции .................................................................................... 53 2.3 Факторы миграции химических элементов в земной коре .......................... 63

2.3.1 Внутренние факторы .................................................................................. 63 2.3.2 Внешние факторы ....................................................................................... 69

2.4 Эволюция процессов миграции химических элементов .............................. 73 Контрольные вопросы ............................................................................................... 76 3. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ И КОНЦЕНТРАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ............................................................................................................ 78

3.1 Количественные характеристики геохимических барьеров ........................ 79 3.2 Физико-химические барьеры .......................................................................... 81

3.2.1 Сероводородные барьеры .......................................................................... 81 3.2.2 Кислородные барьеры ................................................................................ 84

3

3.2.3 Глеевые барьеры ......................................................................................... 86 3.2.4 Щелочные барьеры ..................................................................................... 86 3.2.5 Кислые барьеры .......................................................................................... 88 3.2.6 Испарительные барьеры ............................................................................ 88 3.2.7 Сорбционные барьеры ............................................................................... 90 3.2.8 Термодинамические геохимические барьеры ......................................... 91

3.3 Механические барьеры .................................................................................... 92 3.3.1 Барьеры для веществ, перемещающихся в водных потоках .................. 92 3.3.2 Барьеры для веществ, перемещающихся в воздушных потоках ........... 94

3.4 Биогеохимические барьеры ............................................................................. 95 3.5 Социальные геохимические барьеры ............................................................. 98 3.6 Комплексные геохимические барьеры ........................................................... 99

Контрольные вопросы .............................................................................................. 100 4. ГЕОХИМИЯ ПРИРОДНЫХ ЛАНДШАФТОВ ................................................ 102

4.1 Ландшафтно-геохимические системы .......................................................... 102 4.2 Геохимическаяклассификация ландшафтов ................................................ 109 4.3 Экогеохимия природных ландшафтов ......................................................... 112

4.3.1 Общие черты геохимии гумидных и семигумидных ландшафтов...... 113 4.3.2 Общие черты геохимии степных и пустынных ландшафтов ............... 116

Контрольные вопросы .............................................................................................. 118 5. ГЕОХИМИЯ ТЕХНОГЕНЕЗА ........................................................................... 119

5.1 Техногенные и природно-техногенные системы ........................................ 119 5.2 Города и городские ландшафты .................................................................... 119 5.3 Промышленные ландшафты .......................................................................... 125 5.4 Агроландшафты (агротехногенез) ............................................................... 129 5.5 Лесотехнические ландшафты ........................................................................ 134 5.6 Техногенные дорожные ландшафты ............................................................ 136 5.7 Геохимия аквальных ландшафтов ................................................................ 136

Контрольные вопросы ............................................................................................. 140 6. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ...................................................................................................................... 141 Контрольные вопросы ............................................................................................. 150 ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ ..................................................................................... 151 ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА .................................................................. 153

4

ВВЕДЕНИЕ

Геохимия окружающей среды (экологическая геохимия) – составная часть крупной научной системы – общей геохимии. В курсе геохимии рассматрива-ются закономерности перемещения и концентрации атомов (ионов) химических элементов в зависимости от различных факторов. Часто геохимию определяют как химию Земли. Но есть существенные различия между химией и геохимией. Простое перенесение всех химических закономерностей на поведение химиче-ских элементов в Земле не позволит ни объяснить поведение элементов в раз-личных оболочках, ни дать прогноз их поведения в результате изменившихся условий. Причины отличия поведения химических элементов в Земле от их по-ведения в лабораторных условиях следующие:

1. Крайне неравномерная распространённость химических элементов в земной коре. В лабораториях реакции осуществляются с равными концентра-циями элементов. В земной коре содержание одних элементов в миллиарды раз меньше, чем других. В этих условиях у части из них остаются нереализованны-ми многие химические свойства. Так, элементы с малой концентрацией часто не могут образовать достаточное число собственных минералов, попадая в виде примесей (закономерных и случайных) в «чужие» минералы.

2. Диапазон изменения многих внешних факторов (температуры, давле-ния, и т. п.) в условиях земной коры и особенно в биосфере гораздо ýже, чем в лабораториях. Это ведёт к ограничению проявления многих свойств элементов.

3. В земной коре химические элементы образуют разнообразные формы нахождения – системы различных относительно устойчивых химических рав-новесий этих элементов:

– горные породы и минералы; – изоморфные примеси; – водные растворы; – газовые смеси; – коллоиды с жидкой дисперсионной средой и сорбированные ими

вещества; – живое вещество (биогенная форма нахождения); – магматические расплавы; – состояние рассеяния; – техногенные соединения. Пока элементы остаются в этих системах, они не могут проявлять свои

собственные свойства. Для этого должны быть разрушены формы совместного нахождения элементов.

5

4. В природных условиях практически никогда не происходят реакции только между отдельными элементами. В них участвуют (хотя и в различной мере) очень многие химические элементы (в соответствии с законом Кларка-Вернадского в каждом природном объекте присутствуют все химические эле-менты). Конечно, не все они непосредственно участвуют в химических реак-циях. Многие из этих элементов ускоряют или замедляют реакции, другие – создают определённые кислотно-щелочные и т. п. условия, часть из них входит в состав новых образований в виде закономерных и случайных примесей.

По определению величайшего учёного В. И. Вернадского, геохимия изу-чает всю историю атомов (ионов) химических элементов Земли. Экологи-ческая геохимия, как часть обшей геохимии, занимается изучением данной проблемы в верхней оболочке Земли – биосфере. Одна из отличительных осо-бенностей биосферы – неразрывная связь и взаимопроникновение живых орга-низмов и неживой (по Вернадскому, «косной») материи. В биокосных системах (почвах, илах, ландшафтах и т. д.) живые организмы и неорганическая материя неразрывно связаны между собой и составляют единое целое.

Все химические реакции в биосфере происходят или с участием живых организмов, или в среде, созданной под их влиянием – ещё один закон Вернад-ского, подчёркивающий отличие процессов, происходящих в биосфере, от ре-акций, осуществляемых в лабораториях.

Биосфера – очень неоднородная система. Факторы миграции элементов существенно изменяются в её пределах как по вертикали, так и по горизонта-ли – по поверхности Земли. Для установления закономерностей распределения и миграции химических элементов в разных, отличающихся друг от друга ча-стях биосферы выделяют отдельные «блоки» или «кирпичики», сохраняющие основную особенность биосферы (её биокосность) и отличающиеся друг от друга факторами миграции элементов. Кроме того, природные «блоки» должны объединяться между собой по определённым признакам в единую природную систему. Для такого изучения наиболее удобен ландшафтный уровень. При этом геохимические ландшафты рассматривают как «кирпичики, составляю-щие биосферу». Сами же ландшафты, по определению А. И. Перельмана, «...такое же фундаментальное понятие естествознания, как «химический эле-мент», «живой организм», «почва», «минерал». Центром геохимических ланд-шафтов считаются почвы. Для их верхнего гумусового горизонта характерно максимальное напряжение геохимических процессов, изучение которых позво-ляет понять закономерности распределения химических элементов в ландшафте и в его отдельных частях. Следовательно, экологическая геохимия тесно связа-на с почвоведением. Составной частью геохимических ландшафтов являются

6

также растительные и животные организмы, коры выветривания, поверхност-ные и подземные воды и почвоподстилающие горные породы. Без изучения геохимических особенностей этих составных частей ландшафта невозможно прогнозировать поведение химических элементов в ландшафте в целом. Следо-вательно, экологическая геохимия тесно связана с гидрохимией и гидрогеохи-мией, изучающими поверхностные и подземные воды, а также с биогеохимией, геохимией горных пород и кор выветривания. Отдельные геохимические ланд-шафты и составляющие их биокосные природные тела (почвы, коры выветри-вания, подземные и поверхностные воды) не являются обособленными системами, они теснейшим образом связаны между собой в более сложной си-стеме – биосфере.

В названии предмета «экологическая геохимия» определяющим является понятие «экологическая». Экология – наука, изучающая условия существования животных и растительных организмов, взаимосвязи между этими организмами, а также между ними и средой их обитания. Характеристика среды обитания – один из важнейших показателей комфортности существования и даже выжива-ния организмов. Геохимическая оценка условий существования организмов – одна из основных задач экологической геохимии. Такая оценка, проводимая с глобальных позиций, необходима для установления самых общих геохимиче-ских критериев существования живых организмов, для оценки возможности развития жизни (подобной той, которая есть на Земле) на других космических объектах. При более крупномасштабных исследованиях определяются условия жизни организмов в отдельных частях биосферы – геохимических ландшафтах, или в их отдельных частях: почвах, подземных водах и т. д. Выясняются геохи-мические условия существования организмов определённых видов или их со-обществ. Взаимосвязь между организмами рассматривается как миграция химических элементов, находящихся в биогенной форме. Большое внимание уделяется взаимосвязи между организмами и средой их обитания, включая от-дельные циклы биологического круговорота элементов.

Важный раздел экологической геохимии – биогеохимия – наука о влиянии организмов на геохимические процессы, созданная Вернадским. Она анализиру-ет процессы биогенной миграции химических элементов (биологический круго-ворот); рассматривает химический состав различных животных и растительных организмов и причины, вызывающие его изменения; изучает формы нахождения химических элементов в живых организмах, ранее объединявшиеся в одну – биогенную.

Таким образом, экологическая геохимия формируется «на стыке» целого ряда наук.

7

1. ГЕОХИМИЯ ГЕОСФЕР

Земля, по современным данным, состоит из ряда концентрических оболо-чек (атмосфера, гидросфера, литосфера, мантия), облегающих одна другую и отличающихся друг от друга физико-химическими и геохимическими особен-ностями, и ядра.

Жизнь различных организмов получила развитие только на тонкой плё-ночной оболочке Земли. Её масса меньше 0,1 % массы Земли, а составляющие её химические элементы в основном сгруппировались в минералы с кристалли-ческим строением.

1.1 Литосфера

1.1.1 Общие сведения о строении и составе Земли

Литосфера – каменная оболочка, состоящая из горных пород, к которым

относятся граниты, базальты, сланцы, песчаники, известняки и т. д. Земная кора– неоднородная по агрегатному состоянию и составу верхняя

оболочка Земли, включающая литосферу, гидросферу, атмосферу. При опреде-лении химического состава земной коры учитывается в основном состав твёр-дой земной коры (литосферы). На долю гидросферы приходятся единицы процентов, а атмосферы – сотые доли процента от массы литосферы. Вместе с атмосферой и гидросферой значительная часть земной коры заселена различ-ными организмами, поэтому она входит в состав биосферы. Границу между земной корой и верхней мантией проводят по границе Мохоровичича (или Мохо – по имени учёного, изучавшего распространение сейсмических волн), которая устанавливается по относительно резкому изменению скорости сейсмических волн с6,7 до 8 км/с. На материках граница Мохо обычно располагается на глу-бинах от 30 до 80 км, а на дне океанов – от 5 до 15 км. Наибольшая мощность коры до 75–80 км характерна для участков континентальных горных хребтов. В рифтовых зонах граница Мохо практически не выражена.

Основная особенность строения земной коры – асимметричность, что видно уже в рельефе её поверхности. Выделяются две её основные структуры – континентальная (материковая) и океаническая, площадь которой значительно превышает суммарную площадь всех материков. Мощности материковой и океанической коры чрезвычайно различны.

Строение и состав океанической коры более просты: верхний слой мантии перекрыт тонким слоем пелагических осадков. Значительную часть осадков,

8

расположенных непосредственно под водной толщей океанов, составляют орга-ногенные (карбонатные и кремнистые) осадки. Наиболее крупными структурами рельефа дна океана являются абиссальные котловины глубиной до 6–6,5 км; сре-динно-океанические хребты (глубиной до 2,5 км, а в редких случаях они даже выходят из-под водной поверхности), расчленённые глубокими рифтовыми до-линами; глубоководные (свыше 6 км) желоба. Подводные окраины материков (шельф, континентальный склон, континентальное подножье) испытывают в настоящее время большую техногенную нагрузку (которая в дальнейшем, веро-ятно, будет все возрастать) – загрязнение осадков различными поллютантами, поступающими с континентов, в том числе и техногенными соединениями, не имеющими природных аналогов.

Несколько обособленно располагаются внутриконтинентальные и окра-инные моря: плоские (Азовское, Баренцево, Карское, Белое, Балтийское, Се-верное) и котловинные (Чёрное, Средиземное, Берингово, Охотское, Японское).

По особенностям строения континентальная кора Земли отличается от океанической. Она исключительно неоднородна, но и её, как и океаническую, можно разделить на три слоя: верхний – осадочный, а средний и нижний состо-ят из кристаллических пород.

Нижний слой предположительно состоит из метаморфизованных магма-тических пород среднего и основного состава (базальтовый слой).

Средний слой обычно называют гранитным (гранитно-метаморфическим). Возраст пород по большей части докембрийский.

Верхний слой на древних щитах отсутствует, а в краевых прогибах плат-форм его мощность может доходить до 15 км. Средняя мощность слоя на плат-формах 2–3 км. По составу в нем преобладают глинистые, песчаные и карбонатные отложения, часто присутствуют химические, в целом хорошо рас-творимые осадки и магматические породы различного состава. Породы верхне-го слоя континентальной коры наиболее изучены. Чередование блоков, сложенных разновозрастными и разнотипными магматическими, метаморфиче-скими и осадочными породами, представляет собой пёструю мозаику. В целом в земной коре резко преобладают магматические породы, однако 3/4 всей пло-щади суши покрыто осадочными толщами.

Мантия – оболочка Земли, располагающаяся между литосферой и ядром. Её граница с корой проходит по поверхности Мохоровичича. Предполагается, что мантия состоит из тяжёлых минералов, богатых магнием и железом (рис. 1).

Верхняя мантия, по мнению большинства учёных, по составу аналогична каменным метеоритам-хондритам. В ней 40 % приходится на оливин, 30 % на пироксены, 10–12 % на железоникелевый сплав, а остальную часть составляют

9

плагиоклазы и троилит (FeS). Считается, что мантийное происхождение имеют газы рифтовых зон (инертные газы, а также СО, Н2, СН4 – показатели резковос-становительных условий). Её нижняя граница проходит в среднем на глубине 400 км; затем до 1 000 км идёт переходная зона силикатного состава.

Рисунок 1. Строение и некоторые свойства Земли

Нижняя мантия. Полагают, что в её составе преобладают оксиды Mg, Si,

Al, Fe, O, шпинели, гранаты. Граница с ядром проходит на глубине 2 900 км. Существует представление о глубинных разломах – своеобразных каналах ми-грации элементов, соединяющих земную кору с нижней мантией.

Ядро. Предполагают, что внешняя часть ядра (до 5 000 км) жидкая, внут-ренняя – твёрдая, с плотностью 12–13 г/см3. По одной из гипотез ядро состоит из Fe и Ni в соотношении 9:1. В виде примеси (около 1 %) могут находиться Si, С, Al, О. Такое содержание элементов примерно соответствует составу железных метеоритов. Большая часть примесей должна находиться во внешнем ядре. Огромное давление в ядре Земли должно приводить к обособлению ядер всех элементов от электронов, образующих общую «электронную плазму». При этом различия между химическими элементами исчезают, и ядро образует «зону

10

нулевого химизма». В нижней части мантии, по этой гипотезе, электроны «вдав-ливаются» во внутренние, незаполненные орбитали. Возникает зона «вырожден-ного химизма», в которой при силикатном составе вещество близко к металлическому состоянию. Обычные химические свойства проявляются у эле-ментов только в верхних частях мантии и земной коре.

1.1.2 Кларки литосферы

Периодическая система Д. И. Менделеева включает в себя 111 элементов,

но в природе известны лишь 89, т. к. № 43, 85, 87 и 93–111 получены искус-ственно в результате ядерных реакций. Содержание одних и тех же химических элементов в разных ландшафтах неодинаково, что во многом обусловлено их миграцией. Однако некоторые общие закономерности распределения элементов миграцией объяснить невозможно. Так, во всех ландшафтах содержание О ве-лико, а Аu и Pt мало. Закономерности распространения химических элементов могут быть выявлены лишь при анализе среднего химического состава земной коры, который впервые был установлен в конце XIX в. В 1889 г. руководителем химической службы геологического комитета СШАФ. Кларком на основании почти тысячи точных анализов, систематически отобранных горных пород бы-ла составлена первая сводная таблица среднего химического состава земной коры. Работы по уточнению этих данных проводились Кларком долгие годы, а полученные им цифры мало изменились с совершенствованием методов анали-за и сохранили своё значение до настоящего времени. В честь учёного, посвя-тившего более 40 лет решению данной проблемы, академик А. Е. Ферсман предложил называть среднее содержание химического элемента в земной коре или какой-либо её части кларком.

Главная особенность распространённости элементов – это огромная кон-трастность кларков. Почти половина твёрдой 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 %. Если к этому числу добавить Fe (4,65), Са (2,96), Na (2,50), К (2,50), Mg (1,87), Ti (0,45), то получим 99,5 %, т. е. почти всю земную кору. Эти девять элементов называют породообразующими. Остальные 80 элементов составляют менее 1 %. Кларки большинства элементов не превышают 0,01–0,0001 %. Это редкие (U, Sn, Mo и др.) и редкие рассеянные (Br, In, Ra, I, Hf, Sc и др.) элементы. Например, у U и Br кларки почти одинаковы (2,5 . 10–4 % и 2,1 . 10–4 %), но U просто редкий элемент, т. к. известно много ура-новых минералов, разнообразные его месторождения, а Br – редкий рассеянный,

11

т. к. он почти не концентрируется в земной коре и известен лишь один его соб-ственный минерал. В геохимии употребляется также термин микроэлементы– элементы, содержащиеся в данной системе в малых количествах (менее 0,01 %). Так, Al – микроэлемент в организмах и макроэлемент в силикатных породах. По отношению к усреднённому распространению выделяются элементы, резко пре-обладающие – избыточные (O, Al, Si, Fe, Ba, Th) и с особо малым содержанием – недостаточные (He, Ne, Kr, Xe, Ar, а также Li, Be,В).

Массовые кларки, показывающие процентное содержание элементов в земной коре от её массы, отражают общие закономерности распределения ве-щества. Но при некоторых процессахидёт взаимодействие атомов, а их число не соответствует массовым кларкам. В этих случаях удобнее пользоваться атом-ными кларками, показывающими, какой процент составляют атомы данного элемента от их общего числа в земной коре. Кроме того, для литосферы были определены объёмные кларки, показывающие, какой процент в объёмном вы-ражении (в расчёт берутся электростатические поля атомов) занимает данный элемент в объёме всей литосферы.

Массовый кларк ведущего химического элемента земной коры – кислоро-да – определяется в пределах 46–49 %, атомный – 53,3 %, а объёмный – 92 %. Это позволяет считать земную кору кислородной сферой. В биосфере не-сколько возрастает относительная роль гидросферы, состоящей из Н и О, в свя-зи с чем, ещё больше увеличивается содержание кислорода. Он же определяет возможность развития подавляющего большинства организмов, а основная часть свободного кислорода в биосфере считается продуктом фотосинтеза.

Но в земной коре, 92 % объёма которой приходится на долю кислорода, преобладают т. н. «бескислородные восстановительные обстановки». Это озна-чает, что в большей части литосферы отсутствует свободный кислород. Даже в биосфере встречается довольно много зон с «бескислородными» глеевой и се-роводородной обстановками. Иногда их размеры столь велики, что прорыв в атмосферу H2S из таких зон может стать катастрофой планетарного масштаба. В нашей стране к одной из таких зон относится, например, Прикаспий. Нужно тщательно продумывать свою деятельность (в частности, добычу нефти и газа), чтобы не допустить возможности таких прорывов H2S.

Таким образом, содержание элементов в земной коре колеблется в милли-арды миллиардов раз (n .10 – n .10–16). Повседневные представления не всегда совпадают с данными геохимии. Например, Zn и Сu широко распространены в быту и технике, а Zr для нас – «редкий элемент». Но Zr в земной коре почти в 4 раза больше, чем Сu. «Редкость» Zr объясняется трудностью его извлечения из руд, которая была преодолена только в середине XX века, когда разработали

12

технологию эффективного получения этого элемента, и он стал широко исполь-зоваться в промышленности. Мы ещё только привыкаем к нему, а с Cu человече-ство познакомилось тысячелетия назад, в «бронзовом веке».

В начале XX столетия Вернадский пришёл к выводу о всеобщем рассея-нии химических элементов, о том, что «все элементы есть везде»: "В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонко-сти наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы. Получа-ется впечатление микрокосмического характера их рассеяния. В песчинке или капле, как в микрокосмосе, отражается общий состав космоса. В ней могут быть найдены все те же элементы, какие наблюдаются на земном шаре, в небесных пространствах». Таким образом, все элементы есть везде, только не-достаточная чувствительность анализа не позволяет определить содержание того или иного элемента в изучаемой системе (закон Кларка – Вернадского).

После установления среднего состава земной коры возник вопрос о при-чине неравномерной распространённости элементов. Причину стали искать в особенностях строения атомов. Атомы состоят из ядра и электронной оболочки, причём электроны, наиболее удалённые от ядра, определяют химические свой-ства элемента. Естественно, возникло предположение, что кларки элементов связаны с их химическими свойствами, т. е. зависят от строения внешних элек-тронных орбиталей атомов (числа валентных электронов и т. д.). Однако оказа-лось, что это не так. Например, щелочные металлы – Li, Na, К, Rb, Cs, Fr в химическом отношении близки друг другу – одновалентны (на внешней орби-тали один электрон), образуют едкие щелочи, легкорастворимые соли и т. д. Кларки же их резко различны: Na и К в земной коре много (2,5 %), Rb мало (1,5 .

10–2 %), Li ещё меньше (3,2.10–3 %), Cs очень редок (3,7. 10–4 %), a Fr отсутствует и был получен искусственно. Так же резко различны кларки у таких химически близких элементов, как галогены (F, C1, Вr, I, At), у Si (29,5) и Ge (1,4. 10–4), Ba (6,5 .10–2) и Ra (2 .10–10). С другой стороны, разные элементы имеют близкие кларки – металл Мn (0,1) и типичный неметалл Р (0,093), щелочной металл Rb (1,5 .10–2) и Сl (1,7 .10–2). Поэтому кларки в основном не зависят от химических свойств элементов. Тогда исследователи обратились к другой части атома – его ядру, состоящему из протонов и нейтронов. Выявилось, что в земной коре пре-обладают лёгкие атомы, занимающие начальные клетки периодической систе-мы, ядра которых содержат небольшое число протонов и нейтронов. После Fe (№ 26) нет ни одного элемента с большим кларком. Это было отмечено ещё Менделеевым, который писал, что «распространённейшие в природе простые тела имеют малый атомный вес». Учёные отметили и другую особенность рас-пространённости элементов – в земной коре преобладают элементы с чётными

13

порядковыми номерами и чётными атомными массами, атомные ядра которых содержат чётное число протонов и нейтронов. Среди соседних элементов у чёт-ных кларки почти всегда выше, чем у нечётных. Особенно велики кларки эле-ментов, атомная масса которых делится на 4. Это О, Mg, Si, Ca и т. д. Среди атомов одного и того же элемента преобладают изотопы, массовые числа кото-рых кратны 4. Таким образом, кларки элементов в основном связаны со строе-нием атомного ядра– в земной коре преобладают ядра с небольшим и чётным числом протонов и нейтронов. Так как речь идёт о среднем составе, эта зако-номерность не зависит от геологических процессов, определяющих образова-ние гранитов, базальтов, известняков и других пород, т. е. распространённость химических элементов в основном связана не с земными, а с космическими при-чинами – она унаследована Землёй от космической стадии, когда, ещё до обра-зования планеты (свыше 4,5 млрд лет назад), существовало протопланетное облако плазмы с температурой в десятки миллионов градусов, состоящее из электронов, протонов, нейтронов. При понижении температуры в плазме синте-зировались ядра атомов, в первую очередь лёгких, содержащих чётное число протонов и нейтронов.

В отличие от Земли, главным элементом космоса является водород, взаи-модействие ядер которого в центральных частях звёзд при температурах в де-сятки миллионов градусов приводит к синтезу ядер гелия. Поэтому Вселенная в основном имеет водородно-гелиевый состав. Синтез более тяжёлых ядер имел подчинённое значение – распространённость их в звёздах (в том числе на Солнце) много меньше, чем водорода и гелия. Синтез тяжёлых ядер, включаю-щих большое число протонов и нейтронов, менее вероятен, образующиеся ядра часто оказывались неустойчивыми и постепенно распадались. Некоторая часть этих ядер не полностью разрушилась и дожила до наших дней. Сейчас, как и миллиарды лет назад, они превращаются в ядра более лёгких элементов. Это явление радиоактивности было открыто в конце XIX в. Пьером и Марией Кю-ри. Радиоактивность характерна для Ra, U, Th, Rb и других элементов. Содер-жание их в земной коре миллиарды лет назад было выше, чем сейчас. Неко-торые тяжёлые ядра за прошедшие миллиарды лет распались полностью, и на Земле мы не знаем соответствующих элементов. Искусственно были получены Тс (№ 43), At (№ 85), Cf (№ 98) и другие трансурановые элементы. Та-ким образом, главная закономерность распространения элементов– пре-обладание лёгких атомов, связанное со строением атомных ядер, их устойчи-востью, ядерным синтезом в центральных частях звёзд.

Звёздная материя, прежде чем превратиться в земное вещество, прошла дли-тельную историю, дифференциацию, в которой важную роль играли химические

14

свойства элементов, определяемые электронным строением атомов. Поэтому твёрдая земная кора по составу сильно отличается от звёзд. Солнце и другие звез-ды состоят из Н и Не с незначительной примесью других элементов, а Земля по-чти утратила свой «космический» Не, лёгкий и инертный элемент, летучившийся в мировое пространство. Утеряна и часть Н, в то время как другая часть его ато-мов соединилась с О и образовала гидросферу планеты. Более тяжёлых элементов в звёздах меньше, но именно они (лёгкие элементы начала периодической систе-мы) образуют основную массу Земли. Самых тяжёлых элементов мало и на Земле. В биосфере, верхнем слое земной коры с существенной ролью гидросферы и ат-мосферы, преобладание лёгких элементов ещё более контрастно. Поэтому процесс эволюционного развития живых организмов происходил в среде с резким преобла-данием лёгких химических элементов над тяжёлыми.

Различная распространённость химических элементов в земной коре определяет различия их поведения в природе и лаборатории. Так, хорошо из-вестна химическая близость S и Se, входящих в VI группу периодической си-стемы. Оба элемента поливалентны, образуют соединения-аналоги – сероводород Н2S и селеноводород H2Se, сульфиды и селениды, сульфаты и се-ленаты. Нов земной коре, биосфере и ландшафтах роль обоих элементов резко различна, что объясняется сравнительно высоким кларком S (4,7 .10–2 %) и очень низким Se (5 .10–6). Действительно, S – ведущий элемент многих процессов, Se –нет. Сероводород играет огромную роль в земной коре, обуславливая накопле-ние пирита в осадках, формирование месторождений Pb, Zn, Cu, Cd и других металлов. Селеноводород не имеет существенного значения. Для S характерна минеральная форма нахождения, для Se – неминеральная и т. д. Геохимия S и Se имеет меньше общих черт, чем их химия. То же можно сказать о Na и Cs, Ca и Ra, Si и Ge. Такие различия объясняются тем, что с уменьшением кларков снижается активная концентрация элементов (сходных по химическим свой-ствам), труднее достигается произведение растворимости и выпадение самосто-ятельной твёрдой фазы из вод. Высокие кларки Na, Ca, Mg определяют большие их концентрации в водах и возможность осаждения при испарении вод. Малые кларки Cs, Ra определяют столь низкое их содержание в водах, что осаждение и минералообразование в процессе испарения не осуществляется. Поэтому в ландшафтах известны легкорастворимые соли Na, Ca, Mg, К и не из-вестны соли Cs, Ra, хотя по химическим свойствам и интенсивности миграции Cs и Ra могли бы концентрироваться при испарении.

Таким образом, способность к минералообразованию, количество само-стоятельных минеральных видовзависят и от химических свойств элемен-та,иот его кларка: у Сакларк 2,96, и известно 385 минералов, а у его

15

химического аналога Ra (2 .10–10) нет ни одного собственного минерала; у К (2,50) – 106 минералов, а у Rb (0,015) – ни одного; у S (0,047) – 369, уSe (5 ∙ 10–

6) – 37 и т. д. При образовании минералов редкие катионы связываются с рас-пространёнными анионами, а редкие анионы – с распространёнными катиона-ми. Образование минералов из редких катионов и анионов маловероятно, т. к. концентрация этих ионов не достигает состояния насыщенного раствора.

Химические элементы в литосфере находятся в состоянии круговорота, состоящего из ряда самостоятельных биогенных, абиотических, геологических и техногенных циклов, составляющих большой геологический круговорот ве-ществ:появление изверженных пород на земной поверхно-сти→выветривание→почвообразование → эрозия и денудация→накопление континентальных и океанических осадков→метаморфизм осадков→выход на поверхность осадочных пород с новым циклом выветривания, почвообразова-ния, денудации и осадконакопления либо их опускание в мантию и переплавка, затем опять выход на поверхность в новом цикле вулканизма.

1.1.3 Геохимические аномалии

В ландшафте, в общем, преобладают те же элементы, что и в земной коре,

но все же их содержание в почвах, водах, организмах обычно отличается от кларка. В пределах земной коры встречаются участки с резко повышенными содержаниями в горных породах определённых химических элементов, нахо-дящихся, как правило, в минеральной форме (реже в виде растворов и газовых смесей). Участки, где скопления химических элементов по количеству, каче-ству, формам нахождения и условиям залегания при данной экономической конъюнктуре пригодны для промышленного использования, называются ме-сторождениями полезных ископаемых.

Все месторождения условно делятся на четыре группы: 1) рудные (металлические) – промышленную ценность представляют руд-

ные элементы, находящиеся в основном в минеральной и изоморфной формах; 2) нерудные (неметаллические) – сами минералы; 3) горючие (каустобиолиты) – органические соединения элементов,

находящихся в форме газовых смесей и минералов (твёрдых и жидких); 4) гидроминеральные – водные растворы многих элементов. Таким образом, месторождения имеют и экономический, и геохимический

смысл. С точки зрения геохимии, месторождения – это крупные скопления химиче-ских элементов, т. е. крупные природные геохимические аномалии, приуроченные

16

к определённым типам горных пород. В экологической геохимии аномалией явля-ется отклонение от эколого-геохимических норм, свойственных или определённому району, или геохимическому ландшафту, или типу почв, растений, вод, животных организмов и т. д. Собственно геохимическая аномалия – это участки со значи-тельно повышенным (или пониженным) по сравнению с фоном содержанием хими-ческих элементов (их соединений); участки с резкими отклонениями от нормы со-отношения двух и более элементов или изотопов одного и того же элемента. Са-ми элементы при этом могут находиться в минеральной, биогенной, коллоидной, сорбированной или изоморфной формах, в виде растворов и газовых смесей.

Геохимические индикаторы – химические элементы (их соединения), по содержанию (особенностям распределения) которых в различных геохимиче-ских объектах (в т. ч. в разных составных частях геохимического ландшафта) выявляются аномалиии ведутся поиски месторождений полезных ископаемых геохимическими методами. Геохимические индикаторы, соответствующие ос-новным химическим элементам, слагающим тела полезных ископаемых – пря-мые. Индикаторы, не составляющие основу тел полезных ископаемых, но часто являющиеся их «спутниками» или связанные с ними определёнными законо-мерностями – косвенные индикаторы.

По особенностям распределения элементов аномалии могут быть поло-жительными (с повышенными концентрациями элементов-индикаторов) или отрицательными (с пониженными концентрациями). Хотя одни из первых эко-логически неблагоприятных районов были выявлены по недостатку в их преде-лах химических элементов I и F, отрицательным аномалиям в эколого-геохимической оценке территорий пока уделяется мало внимания, т. к. обычно неблагоприятные эколого-геохимические условия возникают при загрязнении, т. е. при увеличении концентраций определённых элементов (их соединений).

Отрицательные аномалии возникают не только при выщелачивании эле-ментов. Так, контрастные отрицательные биогеохимические аномалии Мо воз-никают при весьма существенном повышении в почвах особо токсичного элемента – Рb. В почвах над окисляющимися металлами (их сульфидами) уменьшается содержание кислорода. По отрицательным аномалиям этих эле-ментов ведутся поиски месторождений полезных ископаемых.

Для месторождений устанавливаются запасы (количество) находящихся в них химических элементов. Аномалии, представляющие собой месторожде-ния полезных ископаемых, хотя и имеют относительно небольшие размеры (обычно до 100 км2), из-за высокой концентрации определённых элементов ока-зывают существенное влияние на растительные организмы. Именно в районах

17

месторождений выявлены растения-индикаторы высокой концентрации опре-делённых элементов в окружающей среде. Над месторождениями были выяв-лены физиологические и морфологические изменения растений, связанные с резко повышенным содержанием определённых элементов.

Кроме месторождений выделяются рудопроявления и точки (зоны) мине-рализации. Они так же, как и месторождения, представляют собой скопления определённых химических элементов. Однако из-за небольших запасов или сложившейся экономической конъюнктуры их разработка в настоящее время нецелесообразна. Расположенные рядом и генетически связанные между собой месторождения в зависимости от размеров называют узлами и районами ме-сторождений полезных ископаемых. Соответствующие им участки называются геохимическими полями концентрации и перераспределения элементов. Про-цессы выветривания и разрушения пород и руд полей концентрации и перерас-пределения элементов приводят к формированию над ними вторичных геохимических полей рассеяния. В зависимости от формы нахождения элемен-тов-индикаторов выделяются литохимические, биогеохимические, гидро-геохимические и атмохимические поля рассеяния. Размеры вторичных полей превышают размеры первичных полей.

Если в коренных породах, почвах, водах и т. д. ряд химических элементов накапливается совместно, говорят об ассоциациях элементов. Совместное накопление элементов может объясняться общностью условий миграции и кон-центрации.

1.1.4 Природная эколитохимия

В литосфере самостоятельные минеральные виды являются наиболее

распространённой косной (неживой) природной формой нахождения химиче-ских элементов. Существует более 2 000 видов минералов. Наибольшее число минералов (свыше 1 500) образовано при участии кислорода. Более 1 000 мине-ралов содержит водород и более 500 – кремний. Ещё 16 элементов (Са, S, Fe, Al, Na, Mg, Сu, Pb и др.) входят в состав более чем 100 минералов (каждый). Но только распространённостью элементов нельзя объяснить их способность обра-зовывать самостоятельные минералы (среднее содержание в земной коре Pb – 1,6 ⋅ 10–3 %, а число собственных минералов – 199,для Gа эти значения равны 1,9 ⋅ 10–3 % и 2).

Именно твёрдые минералы представляют собой среду, в которой и за счёт которой развивается основная масса живых организмов материков. При этом со-ставляющие их химические элементы становятся доступными для организмов

18

либо в процессе, либо после разрушения минералов. Поэтому большое значение имеет не только состав минералов, но и их прочность и особенно растворимость. К числу важнейших, с точки зрения экологии, свойств относят также радиоак-тивность, тепло- и электропроводимость, цвет.

Основная часть минералов, образовавшихся в глубинных слоях Земли, по-пав в условия биосферы, начинает разрушаться, т. к. сочетания составляющих их элементов должны соответствовать изменившимся условиям (возросшая роль свободного кислорода и низкотемпературных водных растворов, появление но-вого и чрезвычайно сильного по своему воздействию геохимического фактора − деятельности живых организмов). Происходят следующие реакции:

Растворение Окисление – процесс передачи электронов от атомов, входящих в мине-

рал, к кислороду. Реакция идёт преимущественно в водной среде. Часто этот процесс идёт ступенчато, с образованием промежуточных минералов:

FeS2→ FeSO4→ Fe2 (SO4) 3→ Fe (ОН) 3. Гидролиз (разложение водой) – один из наиболее распространённых про-

цессов изменений минералов в биосфере – реакция между ионами воды (Н+ и ОН–) и ионами минералов. Например, гидролиз полевых шпатов с образовани-ем каолинита:

2KAlSi3О8 + 3H2O→ 2KOH + H2Al2Si2O8 ⋅H2O + 4SiO2. Гидратация – процесс присоединения воды к минералам:

2Fe2O3+3H2O→2Fe2O3⋅Н2О. В биосфере может происходить самостоятельно или сопровождать другие

реакции. Карбонатизация – процесс взаимодействия ионов [СО3]2–и[НСО3]–

с минералами – растворение вступающих в реакцию минералов с образованием карбонатов. Карбонатизацию труднорастворимых силикатов можно рассмот-реть на примере анортита, когда в результате образуются каолинит и кальцит:

Ca2Al2Si2O8+2H2O+CO2→H2Al2Si2O8⋅Н2О+СаСО3. Восстановление минералов – в условиях биосферы относительно редкий

процесс, т. к. идёт при отсутствии свободного кислорода. Такие условия иногда возникают в донных отложениях (этому может способствовать техногенная дея-тельность) и почвенных горизонтах. Восстановление контролируется главны-мобразом наличием органического вещества и бактериальной деятельностью:

2Fe2O3⋅ 3Н2О+С→4FеО+СО2+ЗН2О;FeO+CO2→FeCO3. Диализ – процесс разделения раствора на коллоидный и истинный. В ла-

бораториях для этого используются специальные мембраны, непроницаемые

19

для коллоидных частиц. В природных условиях своеобразными мембранами являются поверхности самих глинистых частиц. При этом ионы металлов из коллоидов глинистых минералов могут отделяться в виде истинных растворов. Явление получило распространение в мелководных пресных водоёмах с боль-шими объёмами глинистого геля.

В результате всех этих процессов разрушаются ранее существовавшие минералы и образуются новые, более устойчивые в условиях биосферы. При этом часть составлявших их элементов переходит в другие формы: водные рас-творы, коллоидную, биогенную, газовую.

1.1.5 Антропогенное воздействие на геохимические процессы

Техногенез – процессы перемещения (перераспределения) и концентрации

химических элементов (их соединений), происходящие в результате техниче-ской (технологической) деятельности людей. Минералы являются основным источником химических элементов для создания различных техногенных со-единений. Большие скопления определённых минералов (обычно это место-рождения) создают аномальную экологическую обстановку. Такая обстановка при отработке месторождений становится все более отличной от природной, и площади её распространения, как правило, увеличиваются.

Использование человеком минералов началось в глубокой древности. По мере развития человеческого общества в техногенез вовлекалось все большее число химических элементов. В древности использовались лишь 18 элементов, в ХVIII в. – 28, в ХIХ в. – 62,в 1915 г. – 71, в настоящее время – все известные на Земле элементы и, кроме того, неизвестные в природных условиях нептуний, плутоний и др. трансураны, а также радиоактивные изотопы известных элемен-тов (90Sr, 131J и др.). В настоящее время нет ни одной отрасли производства, в которой не применялись бы минералы непосредственно в природном виде либо после соответствующей переработки (промышленность, энергетика, сельское хозяйство, медицина, строительство, изготовление поделок, украшений и т. д.).

Масштабы ежегодной добычи колеблются от миллиардов тонн для С (уголь, нефть) до десятков тонн для Pt, Th, Ga, In, т. е. различаются в сотни миллионов раз. Эти различия связаны со свойствами элементов (их ценностью для хозяйства), технологией получения, способностью к концентрации в земной коре, но также и с распространённостью в земной коре, т. е. с кларком. Как бы ни ценилось Au, его добыча никогда не сравняется с добычей Fe, т. к. кларк Au 4,3 ⋅ 10–7 %, а Fe – 4,65 %. Исключительная роль Fe в истории цивилизации объ-ясняется не только его свойствами, но и большим кларком.

20

Характеристикой интенсивности извлечения и использования химических элементов является технофильность – отношение ежегодной добычи или про-изводства элемента в тоннах к его кларку в литосфере.

В обозримом будущем разработка месторождений, извлечение из недр Земли минералов и их самое разнообразное использование будут увеличивать-ся. При этом происходит и будет возрастать (как по дальности перемещения, так и по общему объёму) миграция и самих минералов, и составляющих их хи-мических элементов. Такая техногенная миграция часто приводит к резкому возрастанию концентраций наиболее технофильных элементов в отдельных районах и к появлению не характерных для природных условий ассоциаций химических элементов, образующих повышенные концентрации на некоторых участках биосферы.

Все возрастающая потребность в минеральном сырье приводит к тому, что богатые месторождения быстро отрабатываются, и начинают разрабаты-ваться месторождения хотя и с более низким содержанием определённых ми-нералов, но с большими их суммарными запасами (со временем, как предполагал А. А. Сауков, человечество перейдёт к эксплуатации гранитов, ба-зальтов и других горных пород, в которых содержания элементов близки к кларкам). Это в свою очередь вызывает необходимость перемещать всё боль-шие массы, так называемой, пустой породы, также состоящей из минералов. В конечном счёте, на все больших площадях меняются минералого-геохимические условия, к которым за многие годы «привыкли» все живые ор-ганизмы этих районов. Поскольку сами изменения происходят катастрофически быстро, то многие животные и растительные организмы погибают, не успевая приспособиться к новым условиям.

Изоморфные смеси в минералах – закономерные замещения аналогичных элементов (даже их «блоков») друг другом в кристаллических решётках – ши-роко развиты в верхних оболочках земной коры. К настоящему времени значи-тельная часть редких и рассеянных элементов добывается из изоморфных смесей. Так, значительное количество Hf добывается из циркона, где гафний находится в виде изоморфной смеси к Zr. В изоморфной примеси к цирконию могут находиться иттрий, тяжёлые лантаноиды и т. п.

Потенциальные возможности изоморфных примесей как источника мно-гих химических элементов (часто даже добываемых попутно) чрезвычайно ве-лики. Однако отработка руд с развитым изоморфизмом часто способствует специфическому загрязнению территорий, прилегающих к рудникам, обогати-тельным фабрикам, металлургическим комбинатам.

21

При существующих в настоящее время методиках извлечения «попутных элементов» значительная (часто большая) часть этих элементов уходит в отва-лы, вылетает с дымом из труб, удаляется с промышленными стоками. Будучи освобождёнными из кристаллических решёток, изоморфные примеси начинают самостоятельную миграцию в биосфере. Поэтому в районах рудников, обогати-тельных фабрик, металлургических комбинатов почвы, воды, растения имеют повышенные концентрации многих элементов, не извлекаемых из руд.

Явление изоморфизма следует учитывать при использовании удобрений, в связи с проблемами охраны окружающей среды. Основная часть минераль-ных удобрений изготовляется из природных фосфатов и апатитов, в которых в виде изоморфных примесей содержится ряд редких и редкоземельных элемен-тов, включая Li, Sr, Y и др. Несовершенные технологии способствуют накопле-нию этих элементов в удобрениях, с которыми они поступают в почвы, а затем –в воды и различные живые организмы.

Антропогенное воздействие на минералы способствует переходу хими-ческих элементов из минеральной формы в коллоидную, в водные растворы и биогенную форму нахождения.

Вблизи ландшафтов населённых пунктов и промышленных предприятий формируется большинство крупных техногенных геохимических аномалий, размеры которых могут быть от нескольких километров до 100 км. В зависимо-сти от особенностей формирования они могут быть в плане изометричными, иметь форму вытянутого эллипса, неправильную форму или же форму вытяну-тых лент, в зависимости от положения в пространстве потоков миграции эле-ментов и геохимических барьеров, на которых они концентрируются.

Крупные техногенные геохимические аномалии могут образовываться в почвах (литохимические аномалии), растительных и животных организмах (био-геохимические аномалии), атмосфере (атмохимические аномалии газов и аэрозо-лей), подземных и поверхностных водах (гидрогеохимические и гидрохимические аномалии). Крупные техногенные аномалии образуются значи-тельным (как правило, больше десяти) числом химических элементов. Контуры аномалий, образуемых отдельными элементами, часто не совпадают. Крупные техногенные геохимические аномалии имеют почти одинаковый состав (Pb, Zn, Сu, Мо, Со, Cr, Ni, V, Mn, Ga, Ti, Sr), но составляющие их химические элементы могут находиться в различных формах. Ассоциации химических элементов, образующих техногенные аномалии у месторождений редких элементов и вблизи некоторых новых предприятий, расширены (в основном за счёт редких и рассеянных элементов) по сравнению с рассмотренной. Вероятно, ассоциация

22

основных загрязняющих химических элементов в будущем будет отличаться от существующей. Ассоциации химических элементов, образующих крупные техно-генные геохимические аномалии, определяются в основном уровнем развития науки и техники в период загрязнения. Практические следствия этого закона:

1. При проведении природоохранных мероприятий основные затраты должны быть связаны не с установлением состава загрязняющих элементов (как это ещё делается в большинстве случаев), а с выявлением ландшафтно-геохимических особенностей загрязняемых территорий.

2. Ассоциация химических элементов, образующих современные круп-ные техногенные аномалии, в ближайшее время несколько изменится. Это ока-жет влияние на существование всех живых организмов, включая человека.

1.2 Атмосфера

1.2.1 Происхождение и кларки атмосферы

Атмосфера – газовая оболочка массой около 5,2 · 1015т. У поверхности

Земли в ней содержится: 78 % азота, 21 % кислорода, 0,9 % аргона, около 0,04 % углекислого газа, в незначительных долях процента – водород, гелий, неон, метан, диоксид серы, оксиды азота и другие газы. В нижних 20 км содержатся пары воды (0,02–4 %). На высоте 15–30 км расположен озоновый слой. Выше 100 км возрас-тает доля лёгких газов; на очень больших высотах преобладают гелий и водород, часть молекул разлагается на атомы и ионы, образуя ионосферу. Давление и плот-ность воздуха в атмосфере Земли с высотой убывают. Атмосферу подразделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Атмосфера обла-дает электрическим полем. Неравномерность нагревания способствует общей циркуляции атмосферы, которая влияет на погоду и климат Земли.

Современные процессы образования газов (более 80 % их входит в состав биосферы) делятся на три основные группы: физико-химические, биогенные и техногенные. В процессе образования газовой оболочки Земли главенствующая роль принадлежит физико-химическим процессам. Они не только господствуют в глубоких частях земной коры и в мантии, но и широко распространены в био-сфере. К ним относятся радиоактивный распад (образование Ar, He, Rn), радио-лиз воды (Н2, О2), ядерные реакции в атмосфере (14С, 3Н), разрушение минералов при выветривании (выделяются газы включений), различные окислительно-восстановительные реакции (СО2, H2S), и т. д. Мощными локальными источни-ками неорганических газов в атмосфере являются вулканы. Они вносят основной вклад естественных выбросов в атмосферу серосодержащих (H2S, SO2, CS2)

23

и галогенсодержащих (HCl, HF, HBr) соединений. В процессе извержений выде-ляются также значительные количества H2O, CO2, CO, CH4, Hg, других газов, ле-тучих соединений и аэрозольных частиц. Однако современный состав атмосферы невозможно представить без биогенных процессов. С ними связано поступление в атмосферу почти всего О2, а также значительных количеств СО2, N2,H2S,CH4 и многих других газов. Атмосфера Земли сформировалась в ходе длительной эволюции планеты в результате действия эндогенных и экзогенных процессов. На раннем этапе развития её состав определялся планетарной дегаза-цией водорода, азота, водяных паров, метана, аргона, оксидов углерода, соеди-нений серы и других компонентов, рассеиванием гелия. С появлением фотосинтезирующих организмов началось накопление кислорода, что привело к постепенной смене восстановительной обстановки в атмосфере окислительной. Живое вещество стало главным фактором, поддерживающим постоянство соста-ва атмосферного воздуха на протяжении эры явной жизни (фанерозоя).

Вода, играющая чрезвычайно важную роль в тепловом балансе Земли, присутствует в воздухе в газообразном, жидком и твёрдом состоянии. Концен-трация её паров изменчива. В среднем пары воды занимают менее 2 % от обще-го объёма атмосферы. Помимо перераспределения тепловой энергии, происходящего при поглощении и рассеяния солнечного излучения парами во-ды, при испарении и конденсации, вода в атмосфере участвует в газофазных и гетерофазных химических и фотохимических реакциях, а в аэрозольном жидко-капельном состоянии растворяет многие газообразные, жидкие и твёрдые сле-довые вещества и тем самым обеспечивает действие одного из основных меха-низмов самоочищения атмосферы.

Особое значение имеет присутствие в атмосфере озона (О3). Распределён он неравномерно: у поверхности Земли его содержание обычно не превышает 10–6 %, а наибольшая концентрация наблюдается на высоте 20–25 км. Мощ-ность озонового слоя при нормальных условиях составляет2–4 мм. Несмотря на столь незначительное содержание, роль атмосферного озона в развитии живых организмов чрезвычайно велика. Для него характерна сильная абсорбция света с длиной волн 100–300 нм, т. е. губительных для организмов (разрушающих клетки) ультрафиолетовых лучей. Озоновый слой делает возможным суще-ствование биосферы.

1.2.2 Антропогенное воздействие на химический состав атмосферы

В последнее столетие все возрастающее влияние на химический состав ат-

мосферы оказывают различные техногенные процессы. Влияние антропогенных

24

процессов на изменение состава газов атмосферы стало не только сопоставимым с природными процессами, но по ряду параметров уже превосходит их. В современный период антропогенные выбросы ряда газообразных и аэрозольных продуктов достигают уровня, при котором механизмы естественного самоочище-ния уже не справляются с возросшим количеством поступающих в атмосферу продуктов, нарушающих её глобальный химический и тепловой баланс. Выделя-ют два направления воздействия антропогенных факторов на атмосферу:

1) извлечение определённых газов; 2) поступление в атмосферу различных веществ. Атмосферный воздух является основным источником получения в сво-

бодном состоянии О2, N2, Ne, Ar, Kr, Xe. Благодаря довольно быстрому пере-мешиванию воздуха и обычно комплексному его использованию, этот процесс часто не отмечается вообще. Но в условиях полупустынных ландшафтов и при преимущественном извлечении кислорода (на металлургических комбинатах) рассматриваемая техногенная деятельность оказывает существенное влияние на уменьшение содержанияО2 в составе атмосферы. В настоящее время человече-ством ежегодно извлекается из атмосферы около1013 кг свободного кислорода, переходящего в связанное состояние.

Техногенные источники загрязнения атмосферы могут быть объединены в три группы:

1. Источники, образующие загрязняющие вещества в результате сжига-ния топлива – авиация, автомобильный, морской (речной) и частично железно-дорожный транспорт. Считается, что в настоящее время при сжигании топлива наибольшее загрязнение атмосферы связано с автомобильным транспортом. Основные загрязняющие вещества, находящихся в выхлопных газах: СО, окси-ды азота, углеводороды, свинец, альдегиды, бенз(а) пирен (и другие канцеро-генные полиароматические углеводороды), сажа и т. д.

Основные загрязняющие вещества, поступающие в атмосферу при сжига-нии топлива: углекислый газ (СО2); оксид углерода (СО); несгоревшие углево-дороды или окисленные вещества (альдегиды и кислоты); сернистый (SO2) и серный (SO3) ангидрид, переходящий в присутствии воды или её паров в кис-лоту (H2SO4); оксиды азота (NO и NO2); сажа – несгоревшие частицы топлива; дымы (аэродисперсные системы); пыль.

2. Промышленные предприятия. Все промышленные выбросы делят на: разнообразную пыль (химические элементы в минеральной форме); дымы (дис-персная форма); запахи; газообразные соединения и отдельные химические элементы; компоненты с фотохимическим эффектом. В составе пыли чаще все-го преобладают SiO2, Al2О3, СаО, С, К2О, Na2O, PbO, ZnO, As2O3, MgO, Fe2O3.

25

Дымы, а точнее аэросуспензии, чаще всего представлены отрицательно заря-женными частицами СаО, ZnO, MgO, Fe2O3 и положительно заряженными SiO2, P2O5, С.

Газообразная составляющая выбросов часто содержитСО2, СО, SO2, SO3, NO, NO2, NH3, реже встречаются повышенные концентрации НCl, HF. Непри-ятные запахи, характерные для предприятий нефтяной промышленности, часто обусловлены присутствием в газах меркаптанов (тиоспиртов): СН3SН (метил-меркаптан), С2Н5SН (этилмеркаптан). Могут быть запахи, связанные с фенолом (С6Н5ОН), акролеином СН2= СН – СНОи т. д.

3. Источников загрязнения, связанные с процессами утилизации бытовых и промышленных отходов: зоны захоронения отходов и мусоросжигающие ус-тановки. От последних в атмосферу поступает наибольшее количество загряз-няющих веществ: альдегиды, углеводороды, органические кислоты, СО, NO, NO2, SO2, SO3, NH3, сажа, пыль и т. д.

В загрязнении воздуха участвуют различные источники из этих групп. Их загрязняющее воздействие во многом зависит от ландшафтно-геохимических особенностей регионов.

В результате антропогенного воздействия возникли проблемы глобально-го характера: возможное изменение климата; экологические последствия даль-него распространения загрязняющих веществ и закисления природной среды; возможное нарушение озоносферы.

Возможное потепление климата многие учёные связывают с ежегодным увеличением содержания углекислого газа на 0,2 %. Предполагают, что к сере-дине XXI века содержание его в атмосфере удвоится, что вызовет так называемый «парниковый эффект» и, как следствие, повышение температуры в приземном слое на 3–6 оС, что окажет заметное влияние на всю биосферу. Тепловой эффектна 3/5 объясняется накоплением в атмосфере углекислого газа. Вторым по важности является метан, возрастает и роль фреонов в потеплении климата. Пыль, попада-ющая в верхние слои атмосферы, также нарушает отражательную способность планеты. Парниковый эффект представляет большую опасность для природных систем, чем для здоровья человека. Парниковый эффект повлияет на климат, из-менив такие характеристики, как осадки, ветры, образование облаков, океаниче-ских течений, размеры полярных ледников. Удлинятся тёплые сезоны года, климат станет более засушливым. Глобальное потепление приведёт к появлению новых степей и полупустынь, к смещению границ существующих географических поясов к северу, исчезновению тундровых зон. Таяние ледников повысит уровень океана на десятки метров – многие территории будут затоплены – сократятся воз-можности Земли как среды обитания.

26

Проблема дальнего переноса загрязнений впервые возникла с рас-пространением на большие расстояния радиоактивных веществ. В настоящее время кроме радиоактивных веществ наблюдается распространение на большие расстояния многих загрязняющих веществ, таких как двуокись серы и продук-ты её превращений, окислы азота и продукты их превращений, тяжёлые метал-лы (особенно ртуть) и пестициды.

Из паров и газов, выбрасываемых предприятиями, образуются аэрозоли с жидкой дисперсной фазой, в т. ч. различные кислоты. Особенно много их об-разуется при переработке на металлургических предприятиях сульфидных руд, выбросах NO2 и HCl. Это приводит к выпадению кислотных осадков (дождь и снег с pH< 5,6). В результате попадания кислотных дождей в поверхностный слой почвы и водоёмы развивается подкисление, что приводит к деградации экосистем, гибели водных организмов, сказывается на плодородии почв, сни-жении прироста лесов и их усыхании. Кроме того, разрушающему воздействию кислот подвергаются различные металлические конструкции, здания, уникаль-ные памятники старины; очень чувствительна к ним растительность и, самое главное, эти вещества сильно влияют на здоровье людей.

Из тяжёлых металлов особого внимания заслуживает миграция ртути из атмосферы в водные объекты. После вымывания её с поверхности суши в водо-ёмы под влиянием микроорганизмов ртуть и её неорганические соединения трансформируются в высокотоксичные органические формы (метилртуть), ко-торые, накапливаясь в рыбе, представляют большую опасность для человека.

Наличие антропогенных примесей, прежде всего хлорфторметанов (фре-оны), может легко нарушить установившийся естественный процесс образова-ния и разрушения стратосферного озона. Общее уменьшение содержания озона в атмосфере приведёт к усилению прохождения УФ-излучения Солнца. Это может привести к перераспределению температуры в стратосфере; возникнове-нию рака кожи у людей; повлиять на продукцию сельского хозяйства.

Поступающие в атмосферу от различных техногенных источников пары и газы часто вступают в реакции между собой. В больших городах этому способ-ствует большое количество различных предприятий и обилие автотранспорта. В результате таких реакций могут образовываться новые токсичные соедине-ния, например, «лос-анджелесский смог».

Диоксид азота и альдегиды техногенного происхождения под воздействи-ем ультрафиолетового излучения начинают взаимодействовать с молекулярным природным кислородом, образуя атомарный кислород и оксид азота (О и NO). В результате взаимодействия О и NO с молекулярным кислородом образуется

27

озон (О3), раздражающий слизистые оболочки у людей, неблагоприятно воз-действующего на растения (ожоги листьев и т. п.) и ухудшающий видимость на дорогах. В дальнейшем озон может взаимодействовать с олефинами (СnН2n), практически всегда присутствующими в атмосфере крупных городов, с образо-ванием формальдегида, высших альдегидов, органических перекисей и различ-ных полимеров.

1.3 Гидросфера

Гидросфера – водная оболочка, состоящая из природных вод. Включает в

себя воды океанов, морей, рек, подземные воды, насыщающие горные породы, льды и снега полярных и высокогорных областей, а также атмосферную воду и воду, содержащуюся в живых организмах, т. е. всю химически не связанную воду вне зависимости от её состояния: жидкую, твёрдую, газообразную. Посто-янное изменение агрегатного состояния воды обеспечивает процесс влагообо-рота. Основная масса воды гидросферы сосредоточена в морях и океанах (71 % земной поверхности, или 96 % объёма гидросферы), второе место по объёму водных масс занимают подземные воды (около 2 %), третье– льды и снега по-лярных областей (главным образом ледниковые щиты Антарктиды и Гренлан-дии, около 2 %), около 0,02 % – поверхностные воды суши (реки, озера, болота). Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей мас-се гидросферы, играют важнейшую роль, как в развитии биосферы, так и в хо-зяйственной деятельности человека, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения.

1.3.1 Природная экогидрохимия

Наличие воды контролирует развитие живых организмов. Вода является

основным природным растворителем минералов, газов и техногенных соедине-ний. В гидросфере впервые зародилась жизнь на Земле. Лишь в середине палео-зойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу. Геохимическая обстановка развития жизни в Мировом океане отличается от обстановки на континентах, т. к. водная среда содержит большинство химических элементов в наиболее доступной для организмов форме – в ионных растворах. Кроме ионов в океанической воде растворены га-зы, минеральные и органические коллоиды и отдельные молекулы различных веществ. Наибольшее значение для живых организмов имеют молекулы кисло-рода, поступающие в воды из атмосферы, а также за счёт фотосинтеза водных

28

растений. Расходуется кислород при дыхании живых организмов, а также при окислении различных веществ, главным образом органического детрита. Отно-сительное насыщение верхнего слоя океанических вод кислородом – от 10 до 90 %. Содержание в воде азота, Ar, He, Ne всегда близко к насыщению и не за-висит от глубины. Средняя общая концентрация СО2 в морской воде – 2,3 ммоль/л.

Для одних и тех же атомов Н и O вода не является постоянной формой нахождения. Растения в процессе фотосинтеза разлагают воду, выделяя кисло-род в биосферу. Разложение воды происходит в условиях биосферы и при про-цессах химического выветривания минералов. Например, изменения в условиях биосферы плагиоклазов можно выразить следующей реакцией:

2Ca [Al2Si2O8] + 6Н2О=Al4 [Si4O10](OH) 8 + 2Са2+ +4ОН–. Выветривание других силикатов, а также сульфидов, карбонатов, сульфа-

тов тоже идёт с разложением воды. Обозначив металлы через «Me», эти реак-ции можно представить так:

Me2SiO4 + 4H2O →H4SiO4 + 2Me (OH) 2; МеСО3 +2Н2О→ Ме (ОН) 2 + Н2О + СО2;

2MeS2 + 7О2 + 2H2O → 2 (Me) SО4 + 2H2SO4; 2MeSО4 + О2 + 2Н2О →2 Ме (ОН) 2 + 2H2SO4.

Большое влияние на растворимость минералов оказывает широко распро-странённая в биосфере углекислота. Но и в её присутствии продолжается раз-ложение воды:

MeS + СО2 + Н2О + 2О2→2МеСО3 + H2SO4 ит. п. Этот процесс идёт и при образовании (за счёт выветривающихся минера-

лов магматических пород) карбонатов, гидрослюд, глин. Количество раз-ложившейся, а затем связанной воды составляет для глин не менее 15–20 % их массы. Довольно распространёнными процессами разложения воды являются радиолиз и гидратация, которая может идти с участием бактерий.

Процессов синтеза воды в биосфере меньше, чем приводящих к её разло-жению. Выделение воды происходит при разложении органических веществ путём окисления (вода выделяется в объёме, равном объёму воды, разложив-шейся при фотосинтезе этих веществ). Однако значительная масса органиче-ских соединений (примерно 3 ⋅ 1015 т – такая масса органики покроет сплошным слоем мощностью 20 м всю поверхности Земли) захоронена в лито-сфере не окислённой, а это существенно нарушает теоретический баланс вод.

Некоторое количество воды выделяется при определённых восстанови-тельных реакциях, но в условиях биосферы для многих из них также необходи-мо органическое вещество:

29

2Fe2O3⋅3Н2О + C→4FeO + СО2 + 3Н2О. Получается, что в пределах биосферы, существование которой невозмож-

но без воды, преобладают процессы её разложения. Но вода постоянно посту-пает из глубинных частей Земли. Содержание H2O в магме – около 4 %, а в изверженных породах, составляющих земную кору – около 1 %. Таким обра-зом, только при кристаллизации магмы 3 % её массы выделяются в виде воды, поступающей в конечном счёте, в биосферу. Если исходить из мощности зем-ной коры 40 км, то рассматриваемый процесс вполне объясняет образование современного количества воды в биосфере. Поступление же магматической во-ды с парами горячих источников, вулканов и фумарол продолжается. Значи-тельное количество воды поступает в биосферу и из зоны метаморфизма за счёт Н2О и ОН–, связанных минералами.

На основании данных о поступлении химических элементов в Мировой океан различными способами (вынос с континентов, подводные гидротермы и извержения вулканов) было высказано мнение, что катионы преимущественно поступают с материков, а анионы– при извержении вулканов, как через атмо-сферу, так и непосредственно в морскую воду.

Для сравнения распределения элементов в земной коре и водах Океана широко используются данные о талассофильности элементов – отношении кларковых содержаний элементов в Океане и земной коре. Для Сl оно равно 111, Вr – 30, Na – 0,42, Fe – 4,3 .10–8. Элементы с высокой талассофильностью дольше находятся в водах Мирового океана: Сl, попав в Мировой океан, нахо-дится в растворе более 300 млн лет, Na около 190 млн, а Fe менее 600 лет.

Океаническая вода представляет собой ненасыщенный раствор, поэтому выпадение в осадок из пересыщенных растворов не может быть основным ме-ханизмом, поддерживающим определённую концентрацию химических элемен-тов. Считается, что преобладает осаждение в результате механического опус-кания частиц, сорбции и биогенной аккумуляции. Эти три основных вида извле-чения химических элементов (их соединений) из вод тесно переплетены между собой и не являются постоянными во времени и пространстве. Поэтому в зави-симости от времени, глубины водного слоя и местоположения в Мировом оке-ане концентрация одного и того же элемента может изменяться в широких пределах (для С, N, О, Р, S и Si они достигают трёх порядков).

1.3.2 Антропогенное воздействие на гидросферу

Пока наибольшие техногенные изменения элементного состава характер-

ны для пресных вод континентов. На жизнь обитающих там организмов сильно влияют техногенные соединения, не имеющие природных аналогов.

30

Пресную воду (с содержанием солей менее 1 г/л) люди используют не только для питья, но и в разнообразных техногенных процессах. Около 70 % воды, используемой человеком, приходится на долю сельского хозяйства. В по-давляющем большинстве случаев орошение проводится без учёта ландшафтно-геохимических особенностей орошаемых участков, что часто приводит к засо-лению земель и накоплению в них тяжёлых металлов. Значительное количество воды требуется для разведения рыб и водоплавающих птиц, а также для водо-снабжения. Более 20 % воды используется промышленностью. Очень большое количество воды требуется для охлаждения атомных реакторов. Значительное количество пресных вод, включая питьевую, расходуется на удовлетворение бытовых нужд населения. Несмотря на ограниченность запасов пресных вод, человечество практически ещё не начало эксплуатировать их основную часть – полярные льды и снега, айсберги. Используются в основном воды рек, озёр и водохранилищ, а они составляют всего около 3 % объёма пресных вод.

Техногенное воздействие на природные воды не ограничивается водоза-бором. Чрезвычайно остра проблема их загрязнения, происходящего в основ-ном за счёт поступления в водные объекты загрязнённых вод (производствен-ных, бытовых и атмосферных).

В производственных водах предприятий обычно содержатся нерастворённые минеральные вещества (SiO2, Fe2O3, Al2O3 и т. д.), различные нефтепродукты и тя-жёлые металлы. В число особо токсичных веществ производственных вод входят цианиды, Сr6+, фенолы (загрязнение рек фенолами достигло таких величин, при ко-торых начинается массовое образование диоксинов). В последние десятилетия ста-ла увеличиваться концентрация в производственных водах Ag, Cd, Sn и ряда рассеянных элементов. Бытовые воды отличаются повышенным содержанием раз-личных органических соединений и коллоидов.

Загрязнение атмосферными водами происходит в основном за счёт ве-ществ, смываемых дождевыми и снеговыми водами с поверхности природных и техногенных ландшафтов. Особое загрязнение вызывается водами, поступа-ющими с сельскохозяйственных угодий. С ними поступает большое количество пестицидов, а также удобрений, вызывающих эвтрофикацию рек, водохранилищ, озёр и т. д., а затем – возникновение геохимических барьеров, на которых проис-ходит накопление Сu, Сr, Mo, Uи других элементов. Возрастает количество взве-сей (значительную часть которых составляют коллоидные частицы), выносимых реками в Мировой океан. Огромную роль в процессе самоочищения гидросферы играет зоопланктон, фильтрующий воды Мирового океана. Нефтяное загрязне-ние и ядохимикаты убивают планктон и подавляют процесс очищения.

31

Таким образом, в результате антропогенной деятельности изменяется состав вод, поступающих с континентов; изменяется природное протекание всех основных процессов извлечения химических элементов из океанических вод, т. е. происходит изменение концентраций химических элементов в водах океана – кларковых содержаний, определяющих состав воды.

1.4 Педосфера

Почва – верхний слой литосферы, обладающий особым свойством – пло-

дородием – обеспечивает существование жизни на суше. Почва, по выражению В. И. Вернадского, является биокосным телом природы, т. е. имеет общие свойства и с живой и с неживой природой; является результатом преобразова-ния поверхностных слоёв литосферы совместным воздействием воды, воздуха и организмов; состоит из генетически связанных горизонтов, образующих поч-венный профиль и отражающих эволюцию почвообразования. Располагаясь на границе соприкосновения и взаимодействия планетарных оболочек – литосфе-ры, атмосферы, гидросферы – и развиваясь в результате их взаимодействия, почва играет специфическую роль в системе земных сфер, формируя особую геосферу – педосферу, или почвенный покров Земли. Почва является компонен-том биосферы; обеспечивает постоянное взаимодействие большого геологиче-ского и малого биологического круговоротов на земной поверхности; регулирует химический состав атмосферы и гидросферы; регулирует биосфер-ные процессы (в частности, плотность жизни на Земле); аккумулирует активное органическое вещество и связанную с ним химическую энергию.

1.4.1 Природная экопедохимия

Химические элементы в почвах содержатся в живых организмах (биоген-

ная форма нахождения), минералах, водных (почвенных) растворах, в сорбиро-ванной форме, в газовых смесях. Кларковые содержания элементов в почвах – это усреднённые значения кларков этих же элементов в горных породах.

Основные факторы почвообразования: климат, материнская порода, жи-вые организмы, рельеф, время и деятельность человека.

Климат влияет на выветривание горных пород, определяет тепловой и вод-ный режимы почвы, обусловливая проходящие в ней процессы и их интенсивность и, в значительной степени, определяет характер растительного покрова и животно-го мира. Материнская порода в процессе почвообразования превращается в почву. От её гранулометрического состава и структурных особенностей зависят физиче-

32

ские свойства почвы: водо- и воздухопроницаемость, способность к удержанию влаги и т. д. Минералогический состав материнской породы определяет минерало-гический и химический состав почвы и первоначальное содержание в ней элемен-тов питания растений. Несмотря на большую важность почвообразующих пород, ведущую роль в почвообразовании играет биологическая деятельность. Почвооб-разование на Земле началось только после появления жизни и её выхода на сушу. Любая горная порода, как бы глубоко разложена и выветрена она не была, ещё не будет почвой. Только длительное взаимодействие с растительными и животными организмами создаёт специфические качества, отличающие почву от горных пород. Растения в процессе своей жизнедеятельности синтезируют органическое вещество и определённым образом распределяют его в почве в виде корневой массы, а после отмирания надземной части – в виде растительного опада. Корни растений рыхлят и оструктуривают почвенную массу, извлекают из неё минеральные элементы. При естественных процессах разложения корневого и наземного опада микроорганиз-мами, минеральные и органические вещества поступают в почву и на её поверх-ность, способствуя накоплению перегноя и приобретению характерной темной окраски верхнего горизонта почвы. Растения аккумулируют отдельные химические элементы, в небольшом количестве содержащиеся в почвообразующих породах, но необходимые для нормальной жизнедеятельности растений. После отмирания рас-тений и разложения их остатков эти элементы остаются в почве, постепенно обо-гащая её. Не менее важное значение имеют микроорганизмы. Благодаря их деятельности происходит разложение органических остатков до соединений, усвоя-емых растениями; синтез гумусовых веществ из продуктов распада и микробных метаболитов; ассимиляция атмосферного азота. Высшие растения и микроорганиз-мы образуют определённые комплексы, под воздействием которых формируются различные типы почв. Животные организмы (главным образом беспозвоночные), которых в почве огромное количество, перерывают почву, способствуя её переме-шиванию, лучшей аэрации и быстрейшему развитию почвообразовательного про-цесса; обогащают почву продуктами своей жизнедеятельности; ускоряют разложение органических веществ и способствуют формированию органомине-ральных почвенных агрегатов, т. е. почвенной структуры.

Деятельность человека на протяжении столетий влияет на факторы поч-вообразования. Непосредственно человек влияет на почву путём механической обработки, мелиорации, внесения минеральных, органических удобрений и т. п. Косвенно человеческая деятельность (например, вырубка лесов) приводит к смене биоценозов – соответственно, меняются и почвообразующие процессы.

33

Почва состоит из твёрдой, жидкой, газообразной и живой частей. Соот-ношение их неодинаково не только в разных почвах, но и в различных горизон-тах одной и той же почвы. Содержание органических веществ и живых организмов и интенсивность преобразования компонентов материнской породы уменьшаются от верхних горизонтов почвы к нижним. В твёрдой части преоб-ладают минеральные вещества. Первичные минералы (кварц, полевые шпаты, роговые обманки, слюды и др.) вместе с обломками горных пород образуют крупные фракции; вторичные минералы (гидрослюды, монтмориллонит, као-линит и др.), формирующиеся в процессе выветривания – более тонкие. Рых-лость сложения почвы обусловливается полидисперсностью состава её твёрдой части, включающей частицы разного размера (от коллоидов почвы, измеряемых сотыми долями мкм, до обломков диаметром в несколько десятков см). Основ-ную массу почвы составляет обычно мелкозём – частицы менее 1 мм. Грануло-метрический состав определяется относительным содержанием в ней частиц различной величины, объединяемых в группы – гранулометрические фракции. По гранулометрическому составу почва может быть: песком рыхлым и связ-ным; супесью; суглинком лёгким, средним или тяжёлым; глиной лёгкой, сред-ней или тяжёлой. Твёрдые частицы в естественном залегании заполняют не весь объём почвенной массы, а лишь некоторую его часть; другую часть со-ставляют поры – промежутки различного размера и формы между частицами и их агрегатами. Суммарный объём пор называется пористостью почв. От пори-стости зависят водные свойства почвы (водопроницаемость, водоподъёмная способность, влагоёмкость) и её плотность. В порах находятся почвенный рас-твор и почвенный воздух. Соотношение их непрерывно меняется вследствие поступления в почву атмосферных осадков, оросительных и грунтовых вод, а также расхода влаги – почвенного стока, испарения, отсасывания корнями рас-тений и т. д. Освобождающееся от воды поровое пространство заполняется воз-духом. Эти явления определяют воздушный и водный режимы почвы.

Минералогический состав твёрдой части почвы во многом определяет её плодородие. Органических частиц (растительных остатков) содержится немно-го, и только торфяные почвы почти полностью состоят из них. В состав мине-ральных веществ входят: О, Si, Al, Fe, К, N, Mg, Ca, С, Р, S; значительно меньше содержится микроэлементов: Cu, Mo, I, В, F, Pb и т. д. Большинство элементов находится в окислённой форме. В засоленных почвах содержится много хлоридов и сульфатов (реже нитратов и бикарбонатов) кальция, магния, натрия, что связано с исходной засоленностью материнской породы или с по-ступлением этих солей из грунтовых вод и в результате почвообразования.

34

В состав твёрдой части почвы входит органическое вещество, основная часть которого (85–90 %) представлена сложным комплексом гумусовых ве-ществ. Органическое вещество состоит также из соединений растительного, жи-вотного и микробного происхождения, содержащих клетчатку, лигнин, белки, сахара, смолы, жиры, дубильные вещества и т. п. и промежуточные продукты их разложения. При разложении органических веществ в почве содержащийся в них азот переходит в формы, доступные растениям. В естественных условиях они являются основным источником азотного питания растительных организмов. Многие органические вещества участвуют в создании органоминеральных структурных отдельностей (комочков). Органоминеральные соединения пред-ставлены солями, глинисто-гумусовыми комплексами, комплексными и внутри-комплексными хелатными соединениями гумусовых кислот с рядом элементов (в т. ч. Al и Fe). Именно в этих формах последние перемещаются в почве.

Жидкая часть, т. е. почвенный раствор – активный компонент почвы, осуществляющий перенос веществ внутри неё, а также снабжение растений во-дой и растворенными элементами. Содержит ионы, молекулы и коллоиды.

Газообразная часть, или почвенный воздух, заполняет поры, не занятые водой. Количество и состав почвенного воздуха, в который входят N2, O2, CO2, летучие органические соединения и т. д., не постоянны и определяются харак-тером множества протекающих в почве химических, биохимических, биологи-ческих процессов. Газообмен между почвенным воздухом и атмосферой происходит в основном путём диффузии CO2 из почвы в атмосферу и O2 в про-тивоположном направлении.

Живая часть почвы состоит из почвенных микроорганизмов (бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли и т. д.), представителей многих групп беспо-звоночных животных (простейших, червей, моллюсков, насекомых и их личи-нок) роющих позвоночных и т. д.

Важнейшее свойство почвы – её поглотительная способность (свойство обменно- или необменно поглощать различные твёрдые, жидкие и газообраз-ные вещества или увеличивать их концентрацию у поверхности содержащихся в почве коллоидных частиц).

1.4.2 Антропогенное воздействие на почвенный покров

Почвенный покров принимает на себя давление потока промышленных и

коммунальных выбросов и отходов, выполняя важнейшую роль буфера и деток-сиканта. Почва аккумулирует тяжёлые металлы, пестициды, углеводороды,

35

детергенты, другие химические загрязняющие вещества, предупреждая тем са-мым их поступление в природные воды и очищая от них атмосферный воздух. В почве многие химические загрязняющие вещества претерпевают глубокие из-менения. Углеводороды, пестициды, детергенты и другие соединения могут быть минерализованы и трансформированы в вещества, не оказывающие ток-сичного воздействия на микроорганизмы и растения, животных и человека. Эти же вещества или их производные, а также тяжёлые металлы, фтор, оксиды азота и серы в первоначальном или преобразованном виде интенсивно связываются минеральными и органическими веществами почвы, что резко снижает их до-ступность растениям и соответственно общий уровень токсичности. Наибольшей буферной ёмкостью и способностью снижать негативное влияние загрязняющих веществ на живые организмы обладают почвы с высоким содержанием гумуса, тяжёлым гранулометрическим составом, высокой ёмкостью поглощения, обога-щённые известковыми материалами (карбонатами). Но природная сопротивляе-мость почв, их естественная буферность не беспредельны. По разным причинам в мире было потеряно около 2 млрд га сельскохозяйственных почв. Потери зе-мель, вызванные только ирригацией, за последние 300 лет составили около 100 млн га, и примерно такая же площадь сейчас занята почвами с пониженной вследствие засоления продуктивностью. Эрозия почв– наиболее широко распро-странённый процесс разрушения почвенного покрова, включающий вынос, пе-ренос и переотложение почвенной массы. В зависимости от главного фактора разрушения эрозию делят на водную и ветровую (дефляция). Эрозию, связанную с земледелием, называют ускоренной. Интенсивность размыва пахотных почв на два – три порядка выше, чем целинных в аналогичных геоморфологических условиях. Эрозия наблюдается во всех частях света. Темпы эрозии при нерацио-нальном природопользовании особенно велики в горных, интенсивно увлажняе-мых или, наоборот, аридных районах. Очень велики потери гумуса, от которого зависят практически все важнейшие свойства почв и их устойчивость к неблаго-приятным ситуациям. Особенно быстро эти негативные явления протекают в по-следние десятилетия.

Наиболее сильное техногенное давление испытывают почвы в районах рас-положения крупных промышленных предприятий, больших городов, транспорт-ных артерий. На территориях, непосредственно примыкающих к промышленным зонам различных предприятий, особенно химической и металлургической про-мышленности, нередко образуются техногенные пустыни. В ближайшей к пред-приятию зоне содержание тяжёлых металлов часто значительно превышает предельно допустимые концентрации; вследствие суммарного воздействия кислот-ных дождей и выпадений тяжёлых металлов гибнет растительность, поверх-

36

ность почвы обнажается, не защищённая растительным покровом почва под-вергается эрозии и дефляции, почвенный покров разрушается практически не-обратимо. Почвы значительных по размерам селитебных ландшафтов можно рассматривать как крупные техногенные литохимические аномалии, образо-вавшиеся преимущественно за счёт осаждения коллоидных частиц из атмо-сферного воздуха. Основными источниками этих частиц являются различные промышленные предприятия и транспорт. Несмотря на различные климатиче-ские и ландшафтно-геохимические условия, на преобладание в городах различ-ных предприятий, элементный состав всех изучаемых аномалий практически одинаков: Рb, Zn, Сu, Mo, Co, Cr, Ba, Ni, Mn, V, Ga, Ti, Sr.

1.5 Биосфера и ландшафты Земли

Биосфера – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмо-

сферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. В биосфере живые организмы (живое вещество) и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. Учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых ор-ганизмов (в т. ч. человека) проявляется как геохимический фактор планетарно-го масштаба и значения, создано Вернадским.

Области развития живого вещества на Земле могут ограничиваться пятью параметрами:

– количеством углекислого газа и кислорода; – наличием воды в жидкой фазе; – термическим режимом; – наличием «прожиточного минимума» – элементов минерального

питания; – сверхсолёностью вод. На поверхности Земли очень мало участков, где бы перечисленные фак-

торы препятствовали развитию живых организмов. Весь Мировой океан засе-лён организмами. Они есть и в Марианской впадине, и подо льдами Ледовитого океана, и Антарктиды. В атмосфере жизнь выявлена не только в пределах тропосферы, но и в стратосфере: жизнеспособные организмы были обнаружены на высоте около 80 км. Однако активная жизнь большинства ор-ганизмов проходит в атмосфере до высот, где существуют насекомые и птицы. Выше встречаются бактерии, дрожжевые грибки, споры грибов, мхов и ли-шайников, вирусы, водоросли и т. д. Большинство из них на таких высотах находятся в состоянии анабиоза. В пределах континентов нижняя граница био-

37

сферы проходит поменяющимся глубинам, которые контролируются в основ-ном особенностями подземных вод. Активные и разнообразные формы мик-рофлоры обнаружены на глубинах свыше 3 км, причём живые бактерии имелись в водах с температурой 100 °С.

1.5.1 Геохимическая организация биосферы

Биогенная форма нахождения химических элементов – это элементы, со-

держащиеся в животных и растительных организмах. Несмотря на сравнительно небольшое содержание живых организмов в земной коре, без учёта их деятельно-сти невозможно правильно представить геохимические процессы, протекающие на поверхности Земли. Особо отмечая это, Вернадский писал, что живое вещество в биосфере играет основную активную роль и ни с чем, ни с какой геологической силой не может даже быть сравнимо по своей интенсивности и направленности во времени. Специфические особенности живого вещества:

– оно характеризуется огромнейшей свободной энергией (в неорганиче-ском мире сопоставимыми с ним могут быть только незастывшие лавовые по-токи, но последние, очень быстро остывая, теряют её);

– в живом веществе скорость протекания химических реакций в тысячи (а иногда в миллионы) раз выше, чем в неживом, при этом незначительные начальные порции масс и энергии могут вызвать переработку гораздо больших масс и энергий (некоторые гусеницы перерабатывают в сутки в 200 раз больше пищи, чем их собственная масса);

– основные химические соединения, определяющие состав живого веще-ства (белки и т. п.), устойчивы в природных условиях только в живых организмах;

– для живых организмов характерны две формы движения: пассивная, определяемая их ростом и размножением (характерная для всех организмов), и активная, осуществляемая за счёт направленного перемещения (характерная в основном для животных). Особенность пассивного движения организмов – стремление заполнить большинство пространства (по Вернадскому – давление жизни). Его сила (т. е. скорость размножения) в целом обратно пропорцио-нальна размерам организмов. Очень большим давлением обладают бактерии, вирусы, грибы. Отдельные виды бактерий делятся через 22–23 мин. При отсут-ствии преград к размножению они больше чем за сутки заняли бы всю поверх-ность Земли. В этих же условиях гриб дождевик (каждый экземпляр даёт около 7,5 млрд спор) уже во втором поколении имел бы объём, в 800 раз превышаю-щий размеры нашей планеты. Слонам же для заселения поверхности Земли по-требуется более 1 000 лет;

38

– для организмов характерно гораздо большее морфологическое и хи-мическое разнообразие, чем для неживой природы. Так, размеры вируса и сло-на отличаются в миллиарды раз. Химический состав живого вещества определяют более 2 млн различных органических соединений, а количество природных минералов составляет около 2 000, т. е. в тысячу раз меньше;

– при огромном разнообразии химического состава организмов они по-строены в основном из белков, содержащих одни и те же аминокислоты. Пере-дача наследственной информации идёт у них по одному пути (ДНК → РНК→ белок) с использованием одного генетического кода;

– нормальное развитие организмов в природе возможно только в их со-обществе с другими организмами (биоценоз);

– живое вещество существует лишь в форме непрерывного чередования поколений и генетически связано с организмами прошлых геологических эпох;

– со сменой поколений идёт эволюция живого вещества (более характерна для высших организмов, а чем примитивнее организм, тем он консервативней).

Биоценоз – это группировка взаимозависимых живых организмов (проду-центов, консументов и редуцентов), объединённых под воздействием ряда фак-торов внешней среды; характеризуется определённым видовым составом.

– Биоценоз включает в себя всю массу живых (как макро-, так и микро-) организмов, поэтому практически невозможно изучение всех его компонентов.

– Все виды организмов в биоценозе взаимозависимы; изменения одного из них могут сказаться на всей группировке или даже привести к распаду биоценоза.

– Биоценоз – относительно устойчивое сообщество, находящееся в ста-бильном равновесии. Его изменения и даже исчезновение обычно связаны с из-менениями внешних факторов (в последнее время все более значимыми становятся антропогенные факторы).

– Особи биоценоза размножаются в пределах биотопа. Биотоп– пространство, занимаемое биоценозом и имеющее относительно

чёткие границы. Его размеры изменяются в очень широких пределах: от одного трупа животного или ствола погибшего дерева до такой громадной системы, как океан. В зависимости от размеров биоценозов биотопы разделяются на микро- (например, упавший ствол дерева), мезо- (лес, озеро) и макро- (океан). Природа биотопов может быть органической и неорганической. Мезо- и макро-биотопы относятся к биокосным системам.

Все основные виды антропогенных изменений в природе не выходят за пределы биосферы. Однако практически невозможно связать такое глобальное понятие, как биосфера, с влиянием на изменение процессов миграции и концен-трации различных веществ (в частности, токсичных) отдельных предприятий

39

и даже крупных промышленных и аграрных комплексов. Поэтому геохимиче-скую (и биогеохимическую) роль антропогенных процессов удобнее рассмат-ривать на более низком уровне организации материи – ландшафтно-геохимическом. Он включает два основных типа биокосных систем: элементар-ный и геохимический ландшафты. Одинаковые элементарные ландшафты –участки биосферы, у которых в аналогичных геоморфологических условиях на аналогичных почвообразующих (подстилающих) корах выветривания (горных породах) развиты одинаковые разности почв, покрытые одинаковыми расти-тельными сообществами. Одинаковые элементарные ландшафты должны также характеризоваться: аналогичным химическим составом подземных вод; анало-гичными особенностями миграции (концентрации) химических элементов, пе-реносимых в атмосфере; одинаковыми условиями развития (отсутствия) многолетней мерзлоты и распространения по вертикальному профилю свобод-ного кислорода. Кроме того, должны отсутствовать внутренние причины, ограничивающие площадь распространения этих элементарных ландшафтов.

Геохимические ландшафты (по определению Перельмана) – «парагене-тическая ассоциация сопряжённых элементарных ландшафтов, связанных меж-ду собой миграцией элементов».

Геохимическое сопряжение– закономерное для каждого геохимического ландшафта сочетание образующих его элементарных ландшафтов. Наибольшее значение для связи между элементарными ландшафтами, составляющими один геохимический ландшафт, имеют поверхностный и подземный стоки.

Экосистемы объединяют биоценозы с биотопами и близки к понятию «геохимический ландшафт». Важнейшие показатели, характеризующие экоси-стемы – биомасса (совокупность всех животных, растительных и микроорганиз-мов, выраженная в единицах массы) и продуктивность (биомасса, производимая биоценозом на единице площади). Большая часть биомассы и большая часть хи-мических элементов (их соединений), участвующих в биогеохимическом цикле миграции в экосистемах обычно приходится на долю растительности. Поэтому при изучении процессов миграции и концентрации элементов в экосистемах ос-новное внимание уделяется растительности. Экосистемы довольно неоднородны, обычно отмечается их вертикальная зональность с выделением отдельных яру-сов. Например, в лесах выделяются ярусы древесные, кустарниковые и травяни-стые. Экосистемы, не разделяющиеся на ярусы – консоции (труп животного, мёртвое дерево). Экосистемы и геохимические ландшафты являются не только отдельными частями биосферы, они представляют собой как бы отдельные отно-сительно самостоятельные «кирпичики», из которых и состоит сложная биокос-ная постройка, называемая биосферой. Обе выделяемые природные системы

40

имеют очень много общего, хотя понятие экосистемы более обширно, т. к. го-раздо полнее учитывает обилие живых организмов. Геохимические ландшафты имеют, в отличие от экосистем, довольно чёткие границы.

1.5.2 Общие закономерности геохимической эволюции биосферы

1. Необратимая эволюция земной коры, биосферы и ландшафтов. В ходе

геологической истории увеличивалась мощность гранитного слоя, разрастались платформы, уменьшался объём и мощность вулканогенных формаций, возрас-тала относительная роль поднятий, континентального осадконакопления. Наиболее резкие изменения произошли в биосфере. Так, в докембрии не было высших растений, только в девоне появились лесные ландшафты, в неогене – степи, в четвертичном периоде – тундры. Эволюция систем земной коры направлена в сторону увеличения сложности и разнообразия. В наибольшей степени увеличение разнообразия и сложности характерны для эволюции жиз-ни: организмы становились сложнее, число видов увеличивалось (водоросли → покрытосеменные, одноклеточные животные → млекопитающие). Разнообраз-нее и сложнее становились природные воды, почвы, илы, ландшафты.

Развитие земной коры и биосферы в сторону увеличения сложности и разнообразия, уменьшения энтропии, естественно, не происходило самопроиз-вольно. Для этого был необходим непрерывный приток энергии – солнечной, радиоактивной и т. д. Это определило неравновесность биосферы, её богатство свободной энергией.

Геохимический цикл миграции элементов (кристаллизация расплавов → выветривание с поступлением части элементов в атмосферу и гидросферу → седиментация и диагенез → эпигенетические изменения, вплоть до плавления пород) является основным путём осуществления круговорота большинства элементов в земной коре. Но в процессе миграции возникают и мелкие второ-степенные циклы. В соответствии с законом Вернадского, все элементы био-сферы или «прошли» через живые организмы, или перемещаются в среде, свойства которой обусловлены этими организмами. Это позволило особо выде-лить биологический круговорот химических элементов (БИК) – поступление в живые организмы элементов из почв, вод и атмосферы с последующим опадом части органического вещества или его полным отмиранием и переводом снова в почвы, воду, атмосферу (при этом часть элементов всегда уходит за пределы рассматриваемой системы). Биологический круговорот атомов – главный меха-низм превращения солнечной энергии в химическую.

41

Увеличение сложности и разнообразия биосферы не было монотонным – в отдельные эпохи происходили скачки в накоплении неорганической и биоло-гической информации. В «критические эпохи» вымирали большие системати-ческие группы растений и животных, существовавшие в течение десятков миллионов лет, быстро развивались отдельные систематические группы: в начале кембрия в морях резко возросло число видов беспозвоночных, в конце мезозоя вымерли крупные ящеры, в начале палеогена бурно развились млеко-питающие.

2. Периодичность развития земной коры, биосферы и ландшафтов. По-вторение в геологической истории складчатости, горообразования, влажного и сухого климата придавало геохимическим процессам разных эпох общие чер-ты. Но эти процессы развивались на фоне общего необратимого прогрессивного развития земной коры и биосферы, поэтому полной повторяемости не было.

Продолжительность каледонского, герцинского и альпийского тектоно-магматических циклов, в общем, отвечает галактическому году – времени об-ращения Солнца вокруг центра Галактики, равному примерно 180–220 млн лет. С этими циклами коррелирует и периодичность в биосфере. Выделяют и более короткие тектонические циклы продолжительностью 88 млн; 44 млн; 22 млн; 5,5 млн лет и т. д. Установлены и периодические изменения климата: 400 000; 200 000; 50 000; 25 000; 11 000; 8 000 лет.

Каждый крупный цикл развития биосферы в фанерозое характеризовался в начальных и завершающих стадиях регрессиями морей, горообразованием, ши-роким развитием аридных и семиаридных ландшафтов, сокращением биомассы, количества органического углерода в осадках, а также карбонатонакоплением в морях. В такие эпохи усиливалась динамика подземных вод, увеличивалась мощность зоны активного водообмена, роль окислительных процессов. Роль жи-вого вещества уменьшалась. При тектонических поднятиях кора выветривания смывалась, и на земную поверхность выходили коренные породы, богатые Cа, Mg и Na, руды, содержащие тяжёлые и радиоактивные металлы. Сухой климат не способствовал выносу подвижных элементов, и организмы находили в почвах и водах значительное количество металлов, подвергались более сильному радио-активному облучению. Условия минерального питания резко менялись, и это не могло не отразиться на эволюционном процессе. Высокое содержание Cа, Р, К благоприятствовало жизни, повышенное содержание в районах рудных место-рождений Cu, Pb, Zn и других металлов могло быть вредным. Роды и виды, при-способившиеся в условиях предшествующей влажной эпохи к бедному минеральному питанию, частично вымирали, частично приспосабливались к но-вым условиям. Эпохи горообразования, развития карбонатной коры выветрива-

42

ния, вероятно, были эпохами качественных изменений эволюционного процесса, «взрыва видообразования», возникновения новых видов, родов, семейств. Это были эпохи хорошего минерального питания животных и растений, хорошего развития скелета. Вместе с тем это были эпохи резкого недостатка влаги, что также оказывало влияние на эволюцию.

Срединные стадии биосферных циклов отмечены крупными трансгресси-ями морей, сглаживанием рельефа, смягчением и увлажнением климата, ростом биомассы, накоплением органического углерода в осадках, энергичным вулка-низмом и поступлением СО2 в атмосферу. Это эпохи уменьшения мощности зоны активного водообмена, усиления роли кислых и кислых глеевых процес-сов. Организмы слабо обеспечивались Cа, К и Na, встречали в окружающей среде мало тяжёлых металлов и радиоактивных элементов. Эволюция в сре-динные стадии, очевидно, происходила качественно по-иному, чем в эпохи го-рообразования.

Между вулканизмом и геохимией биосферы существует следующая связь: поступление СО2 в атмосферу при извержениях → усиление фотосинтеза и энер-гичное разложение органических остатков → формирование мощной коры вывет-ривания и вынос из неё металлов → углеобразование в болотах → интенсивное оглеение в болотах и миграции Fe→ осаждение сидеритов и образование белых каолиновых глин → накопление карбонатных осадков в морях.

Таким образом, земная кора и верхняя мантия представляют собой сложную динамическую систему с обратными связями; непрерывное поступ-ление в систему солнечной энергии, а также глубинной энергии определяет направленное развитие тектоносферы и биосферы, в ходе которого увеличи-ваются их сложность и разнообразие, неравновесность, накапливается сво-бодная энергия, уменьшается энтропия. Это прогрессивное развитие осуществляется через систему последовательных геохимических циклов – тектономагматических и биосферных – закон прогрессивного развития верх-ней оболочки нашей планеты (А. И. Перельман).

3. Катастрофические космические факторы в истории биосферы. Совре-менный облик нашей планеты сформировался не только за счёт медленных эво-люционных процессов, но и вследствие относительно кратких по продолжительности, однако чрезвычайно мощных катастроф. Катастрофические метеоритно-кометные удары могли быть причиной резких внезапных изменений биосферы Земли в течение всего времени её существования. В толщах осадочных пород находятся свидетельства гигантских природных катаклизмов. Так, начиная с позднего палеозоя, т. е. в течение последних 250 миллионов лет, в эволюции жи-

43

вых организмов заметны некоторые «сбои». Палеонтологи установили, что 247,220 и 65 миллионов лет назад на Земле погибло около 95 % всего живого (в последний раз, например, вымерли динозавры). Столкновение Земли с астероидом диаметром 10 км должно было привести к сильному запылению атмосферы, рез-кому кратковременному похолоданию и вымиранию фауны.

Известны ещё несколько случаев массового вымирания. 1.5.3 Организмы и антропогенная деятельность

Жизнь людей, как и жизнь всех организмов, ограничивается многими

внешними условиями, характерными для биосферы. Существование людей не-возможно без взаимосвязи между собой и с другими организмами. Чисто био-логические особенности такой связи обычны для всех организмов и в этом смысле не отличаются от взаимосвязей, изучаемых в экологии животных. Но в отличие от других животных, жизнедеятельность людей включает в себя и так называемые техногенные процессы. По отношению к организмам их делят на:

1. Непосредственное уничтожение определённых видов. Все развитие че-ловечества связано с уничтожением определённых животных организмов. С техногенным вмешательством людей исчезновение определённых видов жи-вотных происходит катастрофически быстро, и это нарушает существующее хрупкое равновесие в природе. В итоге наступит какое-то новое природное равновесие, но оно не будет лучшим (или вообще возможным) для существова-ния людей. Процесс непосредственного техногенного уничтожения раститель-ных организмов ещё более нагляден. В последние десятилетия он стал вполне сравним с крупнейшими природными катастрофами. Рассмотрим, например, основные геохимические последствия только одной части этого процесса – уничтожение лесов. Только в надземной части дубравы содержится около 6 т/га неорганических веществ. Вся эта биомасса при сплошной рубке не только вы-водится с места её произрастания, но и частично переходит в другие формы нахождения химических элементов. Рубка леса, особенно сплошная, приводит к резкому изменению многих природных условий. Так, даже на крутых склонах гор Северного Кавказа после неё образуются болота с бескислородной обста-новкой, практически полной заменой растительных и животных организмов. Ещё большие изменения происходят после лесных пожаров, при которых прак-тически полностью уничтожаются целые биокосные системы (почвы и др.), а жизнь восстанавливается только через несколько лет. Но самым тяжёлым по-следствием уничтожения лесов является нарушение БИК и процесса фо-тосинтеза с выделением в атмосферу кислорода. Процесс глобального

44

уничтожения лесов охватил Россию и многие страны Африки, Южной Амери-ки, Азии. Непосредственное антропогенное уничтожение определённых орга-низмов катастрофически быстро нарушает хрупкое природное равновесие между организмами и людьми, в условиях которого существует человечество; значительно изменяет геохимическую обстановку и даже БИК.

2. Создание необычных внешних условий существования организмов (в т. ч. необычных по концентрациям и формам нахождения химических эле-ментов), также приводящих к мутациям и уничтожению отдельных видов. Этот процесс также характерен для всей истории развития человечества. Однако лишь в последние десятилетия началось глобальное техногенное изменение условий существования организмов. Оно происходит и при уничтожении опре-делённых видов, но в ещё большей мере изменяются условия существования живых существ за счёт техногенного изменения ландшафтно-геохимической обстановки. Число различных техногенных процессов, приводящих к таким из-менениям, чрезвычайно велико. Для живых организмов к числу важнейших по-следствий рассматриваемого изменения относится невозможность существова-ния определённых видов в изменившихся условиях. При этом данные виды или погибают, или начинается процесс их существенного изменения – мутация. Наиболее высокоорганизованные виды погибают скорее, а менее организован-ные, включая вирусы и бактерии, часто, изменяясь, приспосабливаются к но-вым условиям. Гибель определённых организмов из-за изменившихся условий имеет те же последствия, что и непосредственное антропогенное уничтожение. Все последствия мутации пока невозможно даже предположить, но изменения вирусов и бактерий могут также привести к болезням и гибели более вы-сокоорганизованных растений и животных, включая человека.

3. Искусственное выведение и переселение новых видов живых организ-мов также непрерывно сопровождали все развитие человечества. Однако лишь с подключением к нему генной инженерии начинают возникать проблемы, свя-занные с выживанием человечества.

Контрольные вопросы

1.Охарактеризуйте место экологической геохимии среди других наук, её связи с ними. Что общего у экологической геохимии с геохимией и экологией?

2.В чем разница между «химическим» и «геохимическим» мышлением? 3.Какой уровень наиболее удобен для изучения биосферы и почему? 4.Что подразумевается под геохимической оценкой условий существова-

ния организмов?

45

5.Кем впервые были определены средние содержания химических эле-ментов в земной коре? Как называются эти величины?

6.Расскажите о вкладе В. И. Вернадского в развитие науки. 7.Дайте краткую характеристику оболочек земного шара. Какие из них

образуют биосферу? 8.Что называется земной корой? Каковы особенности её строения? 9.Сходства и отличия в строении континентальной и океанической коры. 10.Расскажите о строении и рельефе океанической коры. 11.В чем заключаются особенности состава поверхности океанической

коры? 12.Каково строение океанической коры? 13.Из чего сложена поверхность континентальной коры? 14.Что понимается под формой нахождения химических элементов?

Назовите важнейшие из них. 15.Охарактеризуйте самостоятельные минеральные виды как природную

форму нахождения химических элементов. 16.Что такое «кларк»? Значение этого понятия для экологической геохи-

мии. Разновидности кларков. 17.Назовите девять наиболее распространённых элементов земной коры. 18.Чем «редкие» элементы отличаются от «редких рассеянных»? Приве-

дите примеры тех и других. 19.Какие элементы называют дефицитными, а какие – избыточными? 20.Какова связь кларков со строением атома? 21.Чем отличаются кларки космоса от кларков земной коры и почему? 22.Что вы знаете о магматических расплавах как форме нахождения хи-

мических элементов? 23.Что вы знаете о состоянии рассеяния? Сформулируйте закон Кларка -

Вернадского, следствия из этого закона. 24.Как называется и в чем состоит процесс приспособления к условиям

биосферы минералов и горных пород, сформировавшихся в глубине Земли? 25.Охарактеризуйте различные типы горных пород, приведите примеры. 26.Каковы критерии выделения геохимических аномалий? 27.Какая величина считается аномальной? Дайте определение положи-

тельных и отрицательных аномалий. 28.Дайте определение понятию «месторождение полезных ископаемых».

Какую роль в их поисках играют геохимические индикаторы? 29.На какие группы делятся месторождения? Каково их влияние на жи-

вые организмы?

46

30.Что называют узлами и районами месторождений полезных ископае-мых? Назовите их отличие от соседних участков земной коры.

31.Расскажите об ассоциациях химических элементов, находящихся в по-вышенных концентрациях над различными месторождениями. Что называется вторичным геохимическим полем?

32.Понятие геохимических полей концентрации и перераспределения элементов. Основные особенности таких участков.

33.Что характеризует понятие «техногенез»? 34.Что показывает величина технофильности? 35.Что представляют собой изоморфные смеси? Роль этой формы хими-

ческих элементов в хозяйственной деятельности. 36.Какие экологические проблемы возникают при антропогенных про-

цессах, связанных с производством и использованием техногенных соединений, не имеющих природных аналогов?

37.Дайте характеристику галогеносодержащим органическим соединениям. 38.Каковы основные особенности синтетических полимеров? 39.Водные растворы как форма нахождения химических элементов. Роль

водных растворов в хозяйственной деятельности человека. 40.Процессы разложения и образования воды в биосфере. 41.Состояние воды в биосфере и состав природных растворов. 42.Каковы особенности геохимической обстановки в Мировом океане? 43.Для чего используется величина талассофильности? 44.Охарактеризуйте геохимические особенности пород и осадков дна

Мирового океана. 45.Приведите общие сведения о газовых смесях. Как происходит образо-

вание газов в биосфере? 46.Расскажите о газах биосферы и составе природных газовых смесей. 47.Расскажите об особенностях коллоидной и сорбированной форм

нахождения химических элементов. 48.«Ландшафт – это подлинное царство коллоидов». Прокомментируйте

это высказывание А. И. Перельмана. 49.Что представляет собой процесс адсорбции молекул и ионов? Расска-

жите об ионном обмене в водных растворах. 50.Какой процесс получил название старения коллоидов? Как он связан с

миграцией химических элементов, находящихся в коллоидной форме? 51.Дайте определение и приведите примеры биокосных систем. Есть ли

сходство между такими биокосными системами, как почва и ил? 52.Под влиянием каких факторов идёт формирование почв?

47

53.Расскажите об органическом веществе почв. Каков состав гумуса? 54.Типы почв, их классификация и распространение. 55.Охарактеризуйте солоди, солончаки, солонцы. В чем их различие? 56. Что включает в себя биогенная форма нахождения химических

элементов? 57.Назовите ряд специфических особенностей живого вещества. 58.Каковы функции вирусов и бактерий в биосфере? 59.Какова роль растений и процесса фотосинтеза в существовании био-

сферы? 60.Концентрация химических элементов растениями. Дайте определение

растений-концентраторов и деконцентраторов. 61.Какова геохимическая функция, выполняемая животными? 62.Что такое биомасса? Из каких величин она складывается? 63.Дайте определение экосистемы. Какие показатели её характеризуют? 64.Как антропогенная деятельность влияет на живые организмы? 65.Расскажите об общих закономерностях геохимической эволюции

биосферы.

48

2. МИГРАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В БИОСФЕРЕ

Все химические элементы, находящиеся в биосфере, образуют различные, относительно устойчивые системы, т. н. «формы нахождения». Составляющие их элементы могут совместно перемещаться как в самой биосфере, так и выхо-дить за её пределы. Формы нахождения могут распадаться с объединением хи-мических элементов в новые формы совместного нахождения. Таким образом, можно считать, что химические элементы в биосфере находятся почти посто-янно в состоянии движения, которое и является их миграцией. Перемещение элементов в биосфере можно представить в виде почти замкнутого цикла. При этом часть элементов не только постоянно поступает из мантии и космоса в биосферу, но и мигрирует из неё в глубинные зоны земной коры и в космос.

Любое перемещение какой-либо массы вещества происходит за счёт за-траченной энергии, формы которой могут быть довольно разнообразны: тепло, свет, электричество и т. д. Источники энергии, расходуемой на Земле, можно разделить на четыре группы:

1. Энергия гравитационных сил проявляется в расслоении Земли на обо-лочки, когда преимущественно лёгкие атомы слагают верхние оболочки, а тя-жёлые – ядро. Эта энергия также вызывает механическое перемещение вещества на поверхности планеты.

2. Космическая энергия. Практически вся космическая энергия, попадаю-щая на Землю, может быть сведена к энергии солнечных лучей, в основном определяющей тепловой режим океана и атмосферы, следовательно, и пе-ремещения огромных масс воды и газовых смесей. С энергией Солнца связан и процесс фотосинтеза. В результате взаимодействия космического излучения с газами атмосферы возникают нейтроны, участвующие в ядерных реакциях. Так, под воздействием космических лучей азот атмосферы превращается в уг-лерод и радиоактивный изотоп водорода тритий (3Н или Т). В процессе ядер-ных реакций, вызванных космическим излучением, образуются радиоактивные изотопы 10Be,22Na, 26Al, 36С1.

3. Энергия радиоактивного распада, с которой многие учёные связывают большинство тектонических движений. Вернадский предполагал, что вся или почти вся внутренняя теплота Земли имеет радиоактивное происхождение. Не-смотря на относительно небольшие количества существующих сейчас в горных породах радиоактивных элементов, суммарного количества выделенной ими энергии за геологическую историю Земли достаточно для расплавления массы горных пород.

49

4. Теплота глубин земного шара. Энергию остаточной теплоты глубин земного шара одни учёные связывают с радиоактивными процессами, другие – с остаточной теплотой звезды. Верхние оболочки Земли получают тепловую энергию из глубин планеты, и с ней связаны очень многие геологические про-цессы, приводящие к миграции химических элементов.

Иногда отдельно выделяют энергию живого вещества, но правильнее го-ворить о проявлении ранее накопленной живым веществом энергии.

2.1 Геохимические циклы миграции химических элементов

Из магматических расплавов при их кристаллизации часть элементов от-

деляется в виде газовых смесей и водных растворов. Затем эти элементы могут непосредственно перейти в атмосферу и гидросферу или образовать новые ми-нералы, или в виде изоморфных примесей и газово-жидких включений войти как в новые, так и в ранее существовавшие минералы.

В результате тектонических подвижек и эрозии, образовавшиеся на глу-бине породы попадают в поверхностную обстановку, где составляющие их элементы и соединения перераспределяются агентами выветривания. При этом в результате жизнедеятельности и разложения организмов в атмосферу попа-дают диоксид углерода и метан, а за счёт процессов фотосинтеза – кислород. Продолжающийся в поверхностных условиях процесс распада радиоактивных элементов приводит к поступлению в атмосферу гелия и аргона. Из-за различ-ной растворимости соединений в воде происходит перераспределение элемен-тов: легко растворимые соединения переходят в гидросферу, находясь в форме истинных и коллоидных растворов. На континентах большая часть продуктов выветривания переходит в осадки в стадии седиментации и диагенеза, минуя растворение и переход в гидросферу.

Из атмосферы ряд компонентов удаляется в течение всего геологического времени. В первую очередь это – кислород (процессы окисления железа, мар-ганца, соединений серы; образование воды и т. д.), диоксид углерода (образова-ние угля, нефти, рассеянного в осадочных породах органического вещества, карбонатов), азот (за счёт жизнедеятельности ряда бактерий и образований ок-сидов азота), водород и гелий (удаление из гравитационного поля Земли). Из атмосферы удаляются и коллоидные частицы (аэрозоли), попавшие в неё из космоса (космическая пыль), литосферы и гидросферы. Компоненты, удалён-ные из атмосферы, образуют соединения, входящие в состав осадочных пород.

В космическое пространство попадают в значительном количестве водо-род и гелий. Гелия в атмосфере осталось меньше 0,1 его количества, выделив-шегося при радиоактивном распаде в течение геологического времени.

50

Вещества, поступившие в растворы при выветривании горных пород из атмосферы, космоса, при подводных извержениях и кристаллизации магмати-ческих расплавов, постепенно вместе с обломочным материалом переходят в осадки, образующие новые горные породы. Осадки отлагаются в открытых морских водоёмах, озёрах, а также выпадают из подземных вод. Наиболее ин-тенсивное выпадение веществ в осадок наблюдается при смене геохимических условий. В случае диагенетических изменений идёт не только уплотнение, но и перераспределение веществ, при котором может происходить как концентра-ция, так и рассеяние элементов.

Во вновь образовавшихся породах также продолжаются процессы мигра-ции элементов, результатом которых являются такие эпигенетические измене-ния пород, как перекристаллизация, старение коллоидов, гидратация и дегидратация, рост конкреций, возникновение новых, устойчивых в данных условиях минералов. Ранние эпигенетические изменения происходят под влия-нием изменившихся термодинамических условий, а также под воздействием растворов и газов, проникающих в породы при кристаллизации магмы.

Дальнейшие изменения пород, вплоть до метаморфизма, могут происхо-дить как без изменения валового химического состава пород, так и с привнесе-нием вещества (контактовый метаморфизм). При этом возможны как концентрация элементов, так и их рассеяние. Значительное повышение темпе-ратуры и давления может вызвать плавление пород, с образованием при после-дующей кристаллизации расплавов, различных типов изверженных пород и газогидротермальных растворов. Переход пород в расплавленное состояние возможен и в результате их растворения во внедрившихся расплавах.

Этот цикл (кристаллизация расплавов → выветривание с поступлением части элементов в атмосферу и гидросферу → седиментация и диагенез →эпигенетические изменения, вплоть до плавления пород) можно считать ос-новным, поскольку таким путём осуществляется круговорот большинства элементов в земной коре. Но в процессе миграции могут возникать и мелкие второстепенные циклы (БИК). Участвуя в них, часть элементов может мино-вать отдельные «ступени» основного цикла.

Связь между глубокими частями земной коры и биосферой ранее счита-лась прямой: полагали, что магматизм, складчатость, горообразование влияют на выветривание, осадкообразование, деятельность подземных вод и прочие эк-зогенные процессы. Обратное влияние экзогенных процессов на эндогенные не рассматривалось. Однако сейчас установлено, что биосфера влияет на состав гидротерм, магматизм (многие граниты образовались за счёт переплавления

51

осадочных пород; сера части гидротермальных сульфидов имеет осадочное происхождение). Общие геохимические черты биосферы и земных глубин поз-воляют рассматривать земную кору как целостную систему. Концепция геохи-мического цикла рассматривает тектонические процессы, магматизм, осадкообразование и эволюцию жизни как звенья общего процесса. Как и дру-гие круговороты, геохимический цикл – это форма поступательного развития.

Земная кора – это большая и сложная динамическая система, имеющая положительные и отрицательные обратные связи.

– Примером служит связь вулканизма с биосферой: вулканизм постав-ляет СО2в атмосферу и гидросферу, а фотосинтез и карбонатообразование изы-мают СО2, связывают С в карбонатах и органических соединениях. В результате содержание СО2 в атмосфере и гидросфере уменьшается, система саморегулируется и стабилизируется. При осадкообразовании поглощаются не только СО2 (в известняках и других карбонатных породах), но и Н2О (в гли-нах),О, N (в органических веществах), которые снова превращаются в газы при погружении осадочных толщ, их метаморфизме, переработке магматизмом и вулканизмом. Таково грандиозное «дыхание земной коры».

В геохимическом цикле участвует не только земная кора, но и мантия, за-сасывающая осадочные породы, химические элементы которых при магматиз-ме и горообразовании снова поступают в земную кору и биосферу.

– СО2 и Н2О в биосфере участвуют в синтезе органического вещества, С и Н являются геохимическими аккумуляторами солнечной энергии. Они «заряди-лись» ею в ландшафтах и верхних горизонтах моря. При участии микроорганиз-мов эти элементы окисляются до СО2 и Н2О, других соединений, т. е. геохимические аккумуляторы «разряжаются» и отдают заключённую в них энер-гию. Часть её рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на геохимические процессы.

– Согласно гипотезе Н. В. Белова и В. И. Лебедева, Al и некоторые другие металлы глинистых минералов также могут аккумулировать солнечную энергию. В характерных магматических минералах – полевых шпатах Al находится в цен-тре кислородных тетраэдров, а расстояние Al – О составляет 0,16–0,175 нм. В гли-нистых минералах часть Al находится в шестерной координации, в которой расстояние Al – О уже 0,18–0,20 нм. Таким образом, в биосфере расстояние между Al и О в кристаллической решётке увеличилось. На это должна была затратиться энергия, и, следовательно, солнечная энергия аккумулировалась при превращении полевых шпатов в глины. Поэтому с энергетической точки зрения глины являются аналогами углей и других органических веществ. Опускаясь на большие глубины и расплавляясь, глинистые минералы превращаются в магму, из которой снова кри-

52

сталлизуются полевые шпаты. При этом Al переходит из октаэдров в тетраэдры, расстояние между ним и О уменьшается, энергия выделяется. Так энергия, погло-щённая в биосфере, выделяется в магматических очагах и наряду с радиоактивной энергией может служить причиной горообразования и других эндогенных процес-сов. Глинистые минералы выступают в роли своеобразных «горючих ископае-мых», которые в отличие от угля отдают заключённую в них энергию лишь при высоких температурах плавления пород. Если данная гипотеза верна, то геохими-ческий цикл вещества дополняется переносом энергии, который также связывает процессы земной поверхности и магматизма.

2.2 Типы и виды миграции

В зависимости от форм нахождения (часто определяющих доступность

химических элементов организмам) выделяют три основных типа миграции. Iтип миграции – изменение формы нахождения элементов без их значи-

тельного перемещения, например, переход элемента из минеральной формы в водные растворы. Для его характеристики используют коэффициенты перехода элементов из одной формы в другую. Впервые такой коэффициент был приве-дён Полыновым для биогенной формы:

КБП =Р / П, где КБП– коэффициент биологического поглощения;

Р– содержание элемента в золе растения; П– содержание элемента в почвах (породах), на которых произрастает

растение. Рассматриваемый процесс (несмотря на практическое отсутствие пере-

мещения) часто играет значительную роль в природной и техногенной мигра-циях элементов. В случае если КБП> 1, идёт выборочное «перекачивание» элементов из почв. При последующем отмирании растений минеральная часть опада в подстилке лесов будет иметь более высокую концентрацию этих эле-ментов, чем нижележащие почвенные горизонты.

IIтип миграции – перемещение элемента без изменения формы его нахождения. Например, перемещение аэрозолей в атмосфере, обломков мине-ралов в поверхностных водах или элементов, находящихся в растворе, при движении поверхностных и подземных вод.

IIIтип миграции объединяет два предыдущих и состоит в перемещении эле-ментов с изменением форм их нахождения: перемещение элементов в подземных водах, растворяющих минералы на месторождениях; переход из минеральной

53

формы в биогенную при мощном чехле рыхлых отложений и т. д. Этот тип ми-грации является преобладающим в биосфере.

Выделяют также четыре основных вида миграции химических элементов: 1. Механическая миграция (механогенез) – механическое перемещение

химических элементов без изменения форм их нахождения. Так, например, пе-ремещаются обломки минералов в поверхностных водах и атмосфере, воды рек, газы атмосферы и т. д.

Перенос с поверхностными водами связан в основном с постоянными во-дотоками (реками), где преобладает второй тип миграции– перемещение (воло-чение по дну) обломков минералов и взвеси без изменения форм нахождения. Особо велика роль миграции в виде взвеси (мельчайших обломков и уже осев-ших коллоидов). В поверхностных водных потоках в виде механической взвеси переносится основная часть тяжёлых металлов. Их осаждение происходит на механических барьерах и определяется геоморфологическими особенностями пути миграции. Перемещение в поверхностных водах коллоидов в основном контролируется щёлочностью вод. V, Cr, Ni, Co, Be, Ga и Zn в поверхностных водотоках практически не образуют растворов. У таких элементов, как Fe, Mn, P, Pb, Ba, Cu, Sr, роль растворов в переносе реками увеличивается с уменьше-нием расчленённости рельефа. Соотношение в водном потоке растворенной и взвешенной частей определяется для каждого элемента составом горных пород и почв бассейна водосбора и климатическими условиями.

Аэрозольный перенос относится к числу важнейших биосферных процес-сов миграции. В воздухе (без техногенной составляющей) находятся тысячи тоннZn, Cu, Mn, Cr, Pb, V, Ni, As; сотни тонн – Se, Hg, Sb. Практически все они связаны с аэрозолями. Основной источник природных аэрозолей − континенты (почвы). Основная часть аэрозолей находится на высоте до 2км над поверхно-стью Земли. Пыль в среднем держится в атмосфере 4–7 суток, а вообще про-должительность нахождения большинства аэрозолей колеблется от 1 до 40 суток. Небольшое количество аэрозолей, поднявшихся на высоты более 7 км, попадает в струйные воздушные потоки, которые переносят частицы на расстояния свыше 5 тыс. км. Коллоиды, попавшие в стратосферу, могут не оса-ждаться на поверхности Земли несколько лет, но количество таких аэрозолей сравнительно мало. Накопление в биосфере коллоидов пропорционально интен-сивности и длительности протекания в геохимических ландшафтах биологи-ческого круговорота химических элементов. В результате в ландшафтах зрелых стадий влажных тропиков почти 100 % почв и кор выветривания состоят из коллоидов. Однако из ландшафтов влажных тропиков вынос коллоидов в атмо-сферу минимален. В пустынях же, где вынос аэрозолей мог бы быть очень

54

большим, коллоидов меньше, хотя в результате пыльных бурь из пустынь вы-носится довольно большое количество эолового материала.

Несмотря на общую относительную равномерность глобального природно-го процесса переноса коллоидных частиц в атмосфере над континентами, выде-ляются участки преимущественного отложения эолового материала, представленного пылевидными глинистыми частицами, составляющими основу аэрозолей природного генезиса. Протяжённость участков отложения таких аэро-золей может достигать сотен километров при мощности эоловых толщ десятки метров. Таким образом, в отдельных районах роль эолового переноса и отложения веществ становится ведущей в природном процессе миграции элементов.

2. Физико-химическая миграция включает миграцию и сопровождающие её химические реакции для таких форм нахождения химических элементов, как водные растворы, газовые смеси (диффузия, процессы радиоактивного распада, изоморфизм, процессы сорбции).

Инфильтрационная миграция химических элементов – преобладающий способ перемещения растворенных веществ в литосфере. Происходит при «свободном просачивании» растворов по ослабленным зонам. Дальность ми-грации ионов (при прочих равных условиях) прямо пропорциональна их радиу-сам и обратно пропорциональна энергетическим коэффициентам Ферсмана.

Диффузионная миграция химических элементов возможна в газах, жидко-стях, коллоидах, твёрдых телах и представляет собой перемещение частиц (коллоидов, молекул, атомов, ионов) в направлении убывания их концентрации. Особый интерес при развитии антропогенных процессов представляет диффу-зия в твёрдых телах. Это связано с созданием поверхностных и подземных накопителей различных загрязняющих (в первую очередь жидких) веществ.

В твёрдых телах выделяют тривида диффузии: 1. Поверхностная – всегда сопровождает инфильтрацию, которая проте-

кает более быстро и превосходит диффузию по массе мигрирующих веществ. Сама диффузия во многом зависит от сорбции минералами веществ из ми-грирующего потока, от «рельефа кристаллов».

2. Вдоль внутренних граней – происходит при больших давлениях. 3. Диффузия сквозь кристаллические решётки – возможна в том случае, ес-

ли решётки имеют дефекты, а также при наличии элементов с малыми радиусами. Скорость и дальность диффузии обратно пропорциональны размерам

диффундирующих частиц и прямо пропорциональны температуре среды, дав-лению и разнице концентраций. Роль диффузии в миграции элементов возрас-тает при высоких температурах и давлениях. В условиях литосферы большое влияние на данный процесс оказывают структурно-тектонические особенности

55

(рассланцевание, слоистость и т. п.) горных пород, в которых происходит ми-грация. Так, по сланцеватости скорость диффузии на порядок выше, чем в крест её. Но если диффундирующий раствор взаимодействует со средой, происходит (независимо от повышения температуры) уменьшение скорости диффузии. Во-обще же она мала.

Миграция элементов может сопровождаться электрохимическими про-цессами. Они происходят в илах, увлажнённых почвах, горных породах. Их роль резко возрастает в районах захоронения бытовых и промышленных отхо-дов. Природные электрохимические явления наиболее изучены для участков, содержащих сульфиды. Один из сульфидов становится катодом, а другой − анодом. За счёт разницы потенциалов в системе сульфид I – сульфид II (обяза-тельно в присутствии подземных вод) происходит перенос электронов с анода на катод: на аноде: MeS – 2е→Me2+ + S0; на катоде: MeS + 2е→Me0 + S2–.

При этом в кислых водах (при рН < 5) анионы серы, соединяясь с водоро-дом, образуют сероводород, который при наличии в воде растворенного кисло-рода становится источником серной кислоты. В восстановительной обстановке (при рН >10) образуется анион HS–, который также может стать источником серной кислоты. Ионы и атомы металлов, появившиеся в результате электро-химических реакций, могут поступать в раствор или оставаться на катоде.

Изоморфизм – закономерное замещение аналогичных элементов (даже их «блоков») друг другом в кристаллических решётках минералов. Усилению изо-морфизма способствуют повышение температуры, давления, концентрации элемента, изоморфно входящего в кристаллическую решётку. Процесс протека-ет более интенсивно, если в среде минералообразования понижена концентра-ция «главного», т. е. замещаемого элемента. Изоморфные примеси в минералах (особенно переменного состава) отражают особенности химизма среды мине-ралообразования, т. е. расплавов и растворов, из которых и в которых они обра-зуются. Изоморфная примесь может указывать и на особенности среды, в которой находились минералы после их образования, в т. ч. в пределах биосфе-ры (эпигенетический изоморфизм).

Сорбция – концентрирование веществ на поверхности раздела фаз – ад-сорбция, или поглощение всем объёмом тела – абсорбция (например, растворе-ние газа в жидкостях). Поглощение одного вещества другим, сопровождающееся химическими реакциями, называют хемосорбцией (например, поглощение влаги и кислорода металлами с образованием оксидов и гидроксидов, поглощение ди-оксида углерода оксидом кальция). При сжижении паров в микропористых сор-бентах происходит капиллярная конденсация (следствие более низкого давления

56

паров над вогнутым мениском жидкости в смачиваемых ею узких капиллярах, чем давление насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости при той же температуре). Физическая адсорбция – процесс обратимый и уменьшается с повышением температуры.

Важнейшая особенность процесса сорбции – его селективность. Избира-тельное поглощение ионов и молекул из растворов определяется составом дис-персной фазы, щёлочностью среды и зарядом коллоидных частиц. Глинистые коллоиды лучше сорбируют металлы в щелочной среде (в кислой сорбирован-ные металлы вытесняются Н+). Из растворов преимущественно сорбируются ионы, имеющие общую с сорбентом атомную группировку. Лучшую способ-ность сорбироваться из растворов проявляют поливалентные ионы, а среди ионов одинаковой валентности – имеющие большой радиус. Чем больше сор-бируемые вещества понижают поверхностную энергию раздела фаз, тем боль-ше их сорбируется. Чем ближе по своей природе адсорбент к растворителю, тем меньше сорбируется на нем веществ, растворенных в этом растворителе (уголь и сажа гораздо лучше сорбируют растворенные вещества из водных растворов, а глинистые вещества и силикагель – из углеводородных растворителей).

Сорбция – чрезвычайно значимый процесс для биосферы. В почвах кон-центрация многих элементов (в первую очередь тяжёлых металлов) в несколько раз выше в высокодисперсных глинистых и гумусовых частицах, чем в других её компонентах. Твёрдые почвенные частицы энергично сорбируют газы и па-ры, особенно водяной пар (гигроскопическая влажность). При ионной адсорб-ции на минеральных адсорбентах часто происходит ионный обмен, или обменная адсорбция ионов (твёрдые частицы дисперсной фазы обладают не только обычной для коллоидов способностью поглощать из водных растворов катионы или анионы, но и одновременно выделять в раствор эквивалентное ко-личество ионов других элементов). Коллоиды почв, минералов и горных пород практически всегда содержат обменные катионы. Плодородие почв напрямую зависит от ёмкости катионного обмена (ёмкости поглощения) коллоидов. При-мером ионного обмена может также служить умягчение воды в присутствии алюмосиликатов. Частицы дисперсных минералов поглощают Са2+ и Mg2+ из сульфатно-кальциевых (магниевых) подземных вод, «обменивая» их на ионы Na+. Ионный обмен имеет чрезвычайно важное значение для создания баланса щелочных металлов в континентальной коре и водах океанов. В большинстве случаев ионный обмен – обратимая реакция, но иногда ионы образуют с по-верхностью коллоидных частиц прочное химическое соединение (хемосорб-ция). Тогда при кристаллизации коллоидов образуются новые минералы.

57

Процессы сорбции относятся к числу основных, очищающих воды Океа-на от многих токсичных веществ. В речных водах со взвесями связана основная масса рассеянных элементов (до 98 % Se, Nb, Ge, V, Cr, Co, Ni, Rb, Y, Ba).

В тропосфере на твёрдой поверхности аэрозольных частиц сорбция газов идёт очень быстро и часто приводит к сжижению адсорбционного слоя. Части-цы (оксиды металлов) становятся ядрами конденсации, при этом подвергаясь воздействию конденсирующейся воды и растворенных в ней хлор- и сульфат-ионов. Таким образом, в атмосфере процесс сорбции газов коллоидными ча-стицами очень часто завершается растворением, и на поверхность Земли мно-гие элементы из тропосферы поступают в виде водных растворов.

3. Биогенная миграция объединяет всю миграцию химических элементов, связанную с жизнедеятельностью организмов (растительных и животных). Ос-новная особенность миграции химических элементов в биосфере – наличие её биогенной формы. Она определяет биологический круговорот элементов, про-цессы фотосинтеза и вызываемое ими накопление свободного кислорода в ат-мосфере (включая почвенную) и гидросфере (с её значительной подземной частью). В результате создаётся окислительная кислородная обстановка, ха-рактеризующаяся присутствием свободного (атмосферного или растворенного в воде) кислорода. Осадочные породы, образовавшиеся в кислородной об-становке, окрашены обычно в жёлтую, бурую и красную окраску, в основном за счётFe (III).

Разложение организмов (вторая составная часть БИК), наоборот, приво-дит к поглощению свободного кислорода и формированию в пределах биосфе-ры восстановительных обстановок (глеевой и сероводородной). Глеевая обстановка – восстановительная бессероводородная обстановка. Её показате-лями являются углеводороды, растворенные органические соединения, Fe2+, Н2. Горные породы и почвы в глеевой обстановке принимают белую, сизую, серую и зелёную окраску. При переходе в окислительную обстановку (т. е. при досту-пе свободного кислорода) окраска изменяется на бурую, за счёт перехода Fe+2в Fe3+. Сероводородная восстановительная обстановка характеризуется наличи-ем H2S, HS–, S2–и характерным запахом сероводорода. Цвет пород – чёрный, се-рый, реже зелёный. Многие металлы образуют трудно растворимые сульфиды.

Процессы синтеза и разложения, постоянная смена отмерших организ-мов новыми, влияют на ход миграции химических элементов в биосфере. В результате, в соответствии с законом Вернадского, любое перемещение хими-ческих элементов происходит либо при непосредственном участии живого ве-щества, либо в среде, геохимические особенности которой обусловлены этим

58

живым веществом. Ходом биологического круговорота химических элементов в земной коре обуславливается своеобразная вертикальная зональность окисли-тельно-восстановительных обстановок – одна из важнейших геохимических характеристик биосферы. Окислительная обстановка в почвах ландшафтов су-ши часто с глубиной сменяется глеевой и, как правило, резко восстановитель-ной в подземных водах. В аквальных ландшафтах (прудах, заливах, озёрах, водохранилищах) водные растения, выделяя в результате фотосинтеза О2, насыщают верхние горизонты воды свободным (растворенным) кислородом и формируют в них окислительную обстановку. В нижних частях этих ланд-шафтов разлагающееся на дне органическое вещество потребляет кислород, ча-сто создавая в илах восстановительную глеевую или сероводородную обстановку. Эта тенденция характерна и для биосферы в целом. Геохимическая работа живого вещества создала преобладание резко окислительной обста-новки на земной поверхности, сменяющейся с глубиной на восстановительную.

В ходе биологического круговорота атомы поглощаются живым веще-ством и заряжаются энергией. Покидая живое существо, они отдают накоп-ленную энергию окружающей среде– закон биологического круговорота (А. И. Перельман).

За счёт фотосинтеза в подавляющей части ландшафтов суши, а также в аквальных ландшафтах идёт образование основной массы живого вещества, его разложение и минерализация. При этом часть органических веществ сохраняет-ся и захороняется. На участках, где фотосинтез отсутствует (глубоководные илы, подземные воды), образование живого вещества может продолжаться. В этих условиях оно создаётся за счёт либо отмершего органического вещества, либо деятельности автотрофных бактерий – хемосинтез. Органическое веще-ство при этом образуется из СО2 и Н2О не за счёт световой энергии, а за счёт энергии, выделяющейся при окислении:

– NH3→HNO2→HNO3 (нитрификаторы); – FeO→Fe (OH) 3 (железобактерии); – Н → Н2О (водородоокисляющие бактерии); – S2–→SO4

2–(тионовые бактерии). На таких участках, как правило, минерализация преобладает над образо-

ванием живого вещества, но и там часть его сохраняется и захороняется. Это органическое вещество – геохимический аккумулятор солнечной энергии. Об-щее количество органики, накопившейся в осадочных отложениях, составляет около 3,8 ∙ 1015т. Если осадочный слой равномерно распределить по поверхно-сти Земли, то его мощность составит 1 000м. 20 м этого слоя будет представлено

59

органическим веществом; из них около 5см – углём и чуть больше 1мм – нефтью. Основная часть органического вещества тонко рассеяна в глинах, из-вестняках и песчаниках.

Значительная часть органических веществ, содержащихся в осадочных горных породах, первично накапливалась в почвах – в основном в виде гумуса. На его долю приходится 85–90 % общего запаса органических веществ почв. В состав гумуса входят гуминовые кислоты, фульвокислоты, их гуматы и гу-мин. 10–15 % органических веществ почв составляют белки, аминокислоты, уг-леводы, органические кислоты, жиры, смолы, лигнин, пигменты. От количества органических веществ во многом зависит плодородие почв; с ним образуют до-вольно устойчивые соединения и совместно мигрируют тяжёлые металлы. Ор-ганические вещества из почв выносятся реками в моря. По пути миграции часть растворенного гумуса служит питанием для водных организмов. Массовое оса-ждение растворенного и взвешенного органического вещества начинается на геохимических барьерах в зоне смешивания пресных вод континента с морски-ми. На этих же барьерах отмечается концентрация Сu, Zn, Ni, Cr, Pb, поэтому предполагают, что металлы мигрируют с континентов преимущественно в виде комплексных соединений с органическим веществом.

4. Техногенная (социальная) миграция вызвана деятельностью людей. В первую очередь это громадное перемещение продуктов сельскохозяйственно-го и промышленного производства. Человечество стало мощной геохимической силой. Роль техногенной миграции непрерывно возрастает, и во многом она определяет поведение химических элементов в биосфере. Техногенная миграция –наиболее сложный вид миграции, важность геохимического изучения которой была установлена В. И. Вернадским и А. Е. Ферсманом в начале ХХ столетия. Однако огромное практическое значение такого подхода выявилось только во второй половине XXвека, когда резко возросло влияние техногенеза на природ-ную среду. Осуществляя техногенную миграцию, человечество ещё плохо знает её законы, новые явления, которые возникли на нашей планете.

Часть планеты, охваченная техногенезом, представляет собой особую си-стему – техносферу. Здесь происходит грандиозная миграция атомов. Ежегодно перемещаются миллиарды тонн угля, нефти, руд и стройматериалов. В течение немногих лет рассеиваются месторождения полезных ископаемых, накопленные природой за миллионы лет. С продукцией сельского хозяйства и промышленно-сти атомы мигрируют на огромные расстояния. С экспортом и импортом зерна в мире ежегодно мигрируют миллионы тонн К, сотни тысяч тонн Р и N, что лишь в 10–100 раз меньше ионного стока рек в океан. Вывоз N, Р и К с зерном только с территории степной зоны России и Казахстана соответствует ионному стоку

60

этих элементов в Каспийское море. Часто масштабы многих процессов техноге-неза превышают природные: ежегодно из недр извлекается больше металлов, чем выносится с речным стоком: Рb – почти в 70 раз, Cr – в 35, Cu – в 30, Р – в 20, Fе, Мn – в 10, Zn – в 5, Аl – в 3 раза и т. д. Только при сжигании угля осво-бождается больше металлов, чем выносится с речным стоком (V – в 400, Мо – в 35, С – в 20 раз и т. д.).

Как и в биосфере, в техносфере используется текущая солнечная энергия, но огромное значение приобретает также солнечная энергия, заключённая в ис-копаемом топливе – углях, горючих газах, сланцах, нефти. Используется и энергетический источник, чуждый биосфере – атомная энергия. Часть исполь-зуемой в ноосфере энергии производит работу, другая в соответствии со вто-рым законом термодинамики неизбежно обесценивается и выделяется в виде тепла. Пока эффект техногенного разогрева невелик – в 25 тыс. раз меньше солнечной радиации. Однако в крупных городах техногенное тепло уже дости-гает 5 % от солнечного излучения. Главная причина – отопление жилых домов и промышленных предприятий. По М. И. Будыко, увеличение производства энергии от 5 до 10 % в год приведёт к тому, что через 100–200 лет техногенное тепло будет соизмеримо с величиной радиационного баланса земной поверхно-сти. При этом могут произойти громадные изменения климата.

Месторождения угля, нефти и газа отрабатываются за десятки лет. В ре-зультате углерод снова соединяется с кислородом и входит в состав СO2. Еже-годное потребление угля и нефти добавляет в атмосферу до 9 ⋅ 109 т СO2. При современных темпах через50 лет содержание СO2 удвоится, и температура зем-ной поверхности за счёт парникового эффекта может повыситься на 4 °С. К техногенным парниковым газам относятся также метан, закись азота, фрео-ны, озон и др. В результате парникового эффекта возможно частичное растоп-ление льдов Антарктики и Арктики, затопление приморских низменностей и другие последствия. Громадная скорость процессов ставит сложные пробле-мы глобального воздействия на атмосферу с целью стабилизации климата. С распашкой почв, дроблением пород, руд и т. д. связано запыление атмосфе-ры, которое может способствовать похолоданию климата. В этом же направле-нии действует вулканизм, но наиболее опасна возможность ядерной войны, которая помимо роста радиации чревата т. н. «ядерной зимой».

В первобытном обществе эффект техногенеза был незначительным, но уже в государствах античного мира, коренным образом изменивших ландшафт долин Нила (Египет), Амударьи (Хорезм), Тигра и Евфрата (Шумер, Вавилон), Хуанхе (Китай), техногенез стал важным геохимическим фактором. В ХХ в. техногенез стал главным геохимическим фактором на поверхности Земли. Ежегодно добы-

61

вается около 100 млрд т минерального сырья и каустобиолитов, горные и строи-тельные работы перемещают не менее 1 км3 горных пород, что соизмеримо с де-нудационной работой рек. Диспергирование и эолизация вещества суши ведут к возрастанию геохимической роли поверхностной энергии, сорбции. Мощность производства удваивается каждые 15 лет. Поэтому существенное отличие техно-сферы от биосферы – огромное ускорение геохимических процессов.

Загрязнение окружающей среды – важное и нежелательное следствие техногенеза, серьёзнейшая геоэкологическая проблема. Ярким примером слу-жат т. н. «кислотные дожди». Они связаны с работой сернокислотных супер-фосфатных, медеплавильных заводов, котельных ГРЭС, ТЭЦ, бытовых топок, которые выбрасывают в воздух много SO2. Последний, окисляясь и растворяясь в атмосферных осадках, даёт серную кислоту. «Кислые дожди» увеличивают число лёгочных заболеваний, осложняют земледелие, разрушают памятники архитектуры. Принос ветрами в Скандинавию SO2 из Англии и Германии при-вёл к вымиранию лососей (рыба исчезала в тех водоёмах, рН которых понизил-ся до 4). В канадской провинции Онтарио из-за кислых дождей, поступающих из США, стали безжизненными более многие озера. Кислые дожди характерны и для отдельных регионов России.

Выделяют два геохимических типа техногенной миграции: 1. Техногенная миграция, унаследованная от биосферы, но изменённая в

техносфере. Так же, как и в биосфере, в техногенных ландшафтах протекает БИК, элементы мигрируют в водах и атмосфере. Это позволяет устанавливать ряды миграции, типоморфные элементы, коэффициенты биологического по-глощения, применять к техногенезу такие понятия, как «биомасса», «ежегодная продукция» и т. д.

2. Техногенная миграция, чуждая биосфере. В техносфере протекают и хи-мические реакции, находящиеся в резком противоречии с природными условия-ми. Характерное для ноосферы металлическое состояние Fe, Аl, Cu, Zn и других металлов не соответствует физико-химическим условиям земной коры. Человек здесь уменьшает энтропию и тратит много энергии, чтобы получить и содержать металлы в свободном состоянии. Во все большем количестве производятся хими-ческие соединения, в биосфере не существовавшие, обладающие свойствами, не-известными у природных материалов (искусственные полимеры, пластмассы, ядохимикаты и т. д.). Новым является производство атомной энергии, получение радиоактивных изотопов. Наконец, чужды биосфере экспорт-импорт и др. виды миграции, подчиняющиеся социальным законам. Для характеристики подобных процессов недостаточно старых понятий и методов, необходимы новый понятий-ный аппарат и новые подходы к исследованиям.

62

Ежегодно в мире создаётся около 20 млрд т промышленных отходов, столько же сельскохозяйственных и до 4 млрд т бытовых. В среднем количество мусора ежегодно возрастает на 2–3 %. Среди источников загрязнения особенно важно учитывать источники промышленных узлов и городов. Наиболее опасная экологическая ситуация складывается в крупных промышленных центрах, где происходит кумулятивное воздействие на природную среду и человека различ-ных производств, транспорта, муниципальных и других отходов.

2.3 Факторы миграции химических элементов в земной коре

Все причины миграции А. Е. Ферсман условно разделил на внутренние,

связанные со свойствами атомов и их соединений, и внешние, определяющие обстановку миграции.

2.3.1 Внутренние факторы

1. Электростатические (кристаллизационные) свойства ионов учитыва-

ют только при миграции элементов в виде свободных ионов (в водных раство-рах, магматических расплавах, газовых смесях, живом веществе).

1.1Атомные (Ra) и ионные (Ri) радиусы выражают размеры радиусов не-сколько идеализированных шаровидных атомов и ионов. На основе ряда специ-альных измерений были установлены размеры F–, О2– и ещё нескольких ионов, что позволило определить ионные радиусы других элементов. Ими успешно пользовались при различных геохимических построениях и для объяснения разнообразнейших процессов основоположники геохимии В. М. Гольдшмит и А. Е. Ферсман, а вслед за ними подавляющее большинство геохимиков. Хотя радиусы ионов и не являются точными физическими константами, все развитие науки геохимии подтверждает выводы её основателей об огромном значении этих величин. В то же время существуют ограничения в их использовании для интерпретации структур с ковалентной связью и т. д. Величины радиусов ионов закономерно изменяются в зависимости от положения элементов в таблице Менделеева: в пределах групп они возрастают с увеличением порядкового но-мера; в периодах с увеличением валентности катиона уменьшаются, а с увели-чением валентности аниона возрастают; по диагонали имеют близкие размеры. Величины ионных радиусов зависят также от степени поляризации и координа-ционного числа. Ионные радиусы взяты за основу при вычислении многих важнейших геохимических показателей. Они во многом определяют структуру и энергию кристаллических решёток минералов, особенности распределения

63

элементов, их миграционную способность и зональность концентрации. С уве-личением радиусов ионов повышается растворимость соединений, состав-ленных этими ионами, и при этом понижаются их твёрдость, прочность, температуры плавления и кипения. При свободной миграции с увеличением ра-диуса иона дальность миграции возрастает, а при диффузии, наоборот, уменьшается. Изучая последовательность отложения элементов в процессе их свободной миграции, нужно учитывать, что многие минералы образуются из ионов нескольких элементов. В этом случае «основной ион» как бы вызывает осаждение других, дальность миграции которых в данных условиях большая или которые в небольших количествах ещё находятся в растворах. Последова-тельность осаждения сохраняется только в случае свободного перемещения (инфильтрации) ионов. При их просачивании через почвы (чрезвычайно разви-тый в природе процесс) последовательность осаждения ионов нарушается, т. к. их осаждение объясняется процессами сорбции.

1.2Координационное число характеризует количество ионов, непо-средственно взаимодействующих с данным ионом в кристаллической решётке. Как правило, оно равно 3, 4, 6, 8. Обычно это число тем больше, чем меньше различаются радиусы взаимодействующих ионов. При одинаковых радиусах ионов в металлических решётках оно равно 12. Но и размеры ионов в конкрет-ных кристаллических решётках также зависят от координационного числа. От координационного числа зависят поляризационные свойства ионов.

1.3Поляризация (поляризуемость) характеризует деформируемость ато-мов или ионов в электрическом поле. Активная поляризация – способность ионов деформировать «чужие» электронные оболочки, которые при этом испы-тывают пассивную поляризацию. При поляризации уменьшаются межузловые расстояния в кристаллической решётке минералов (т. е. уменьшаются ионные радиусы), увеличивается энергия решётки, следовательно, уменьшается раство-римость соединений. Поляризация делает соединения менее доступными для животных и растительных организмов и усиливает в соединениях ряд свойств, значительно влияющих на условия существования организмов: уменьшается прозрачность и увеличивается цветность минералов, усиливается металличе-ский блеск, увеличивается электропроводимость минералов.

1.4Ионный потенциал (потенциал Картледжа) – отношение заряда иона (валентности) Zк его радиусу Ri, выраженному в ангстремах (или к радиусу, умноженному на 10, если он выражен в нм). По величине ионного потенциала можно установить химический характер ионов, а, следовательно, и их поведение в биосфере (рис. 2, 3). По значению этого показателя химические элементы (их ионы) объединяются в три группы, отличающиеся по способности образовывать

64

комплексные соединения, истинные растворы, соединяться с молекулами воды, т. е. по доступности для живых организмов. При значениях потенциала Картле-джа меньше 3 (щелочные и щёлочноземельные металлы) комплексные ионы не образуются, а катионы легко переходят в природные водные растворы, т. е. ста-новятся наиболее доступными для организмов. При значениях от 3 до 12 (Al, Fe (III), Cr (III), V (III), Mn (IV), Ti, Mo, Sn, Zr, V (V) и т. д.) образуются сложные комплексные ионы, плохо растворимые гидролизованные соединения. Если по-тенциал Картледжа больше 12 (H, B, C, P, N, S) образуются комплексные кисло-родосодержащие и хорошо растворимые анионы типа СО3

2– и SО42–.

Рисунок 2. Величины ионных потенциалов

и связанные с ними свойства ионов

Si и Mo часто выделяют в промежуточную группу (9,5<Z/Ri< 12). Ионы с большим потенциалом являются более активными поляризаторами других ионов; для них более характерен процесс гидратации.

1.5Энергетические коэффициенты(ЭК), введённые в науку Ферсманом, базируются на величинах радиусов ионов и относятся к важнейшим понятиям в геохимии. Их величины определяют по формулам:

65

ЭКан= W2/2Ri;ЭКкат= [0,75 (Ri + 0,2) ]W2/2Ri, где W– валентность иона;

Ri – радиус иона (А).

Рисунок3. Химический характер ионов в зависимости

от величины ионного потенциала

Можно считать, что ЭК – это определённый пай энергии (энергетическая константа иона), который вносится каждым ионом при формировании кристал-лических решёток. ЭК являются (как и ионные радиусы, используемые для их расчёта) как бы «полуколичественными» показателями. Их использование необходимо для понятия сути геохимических процессов. Однако применение ЭК ограничивается ионной формой, а во многих случаях даже есть возмож-ность решения обратной задачи: если с помощью ЭК и ионных радиусов невоз-можно объяснить некоторые процессы, то элементы в них, как правило, участвуют не в виде ионов. Последовательность кристаллизации минералов из растворов и расплавов, как правило, контролируется энергией их кристалличе-ских решёток. Она зависит от ЭК ионов, значение которых возрастает с увели-чением валентности и уменьшением ионного радиуса. Ионы с большими значениями ЭК раньше выпадают из растворов и обычно первыми образуют со-единения в ходе кристаллизации магмы. В процессе выветривания они, как ме-нее подвижные, чаще накапливаются в элювии.

66

1.6 Сродство к электрону характеризует величину энергии, выделяемой (поглощаемой) при соединении нейтрального атома с электроном. Обычно его абсолютные значения приводятся в таблицах величин потенциалов ионизации, т. к. они равны энергии, необходимой для отделения одного электрона от иона с зарядом (–1) (с обратным знаком).

1.7Потенциал ионизации атомов – величина энергии, необходимой для отрыва электрона от атома, т. е. энергии образования катиона. Определяют также потенциал ионизации ионов, т. е. энергию, требуемую для отделения по-следующих электронов от уже положительно заряженного (+1) иона. Эти вели-чины во многом определяют возможность изовалентного изоморфного за-мещения ионов: изоморфное замещение происходит только при близких значе-ниях потенциалов ионизации замещаемого и замещающего ионов. Отношение величин потенциалов ионизации двух элементов – индекс анионного сродства. При его значениях до 1,2 обычно ограничений для процесса изоморфизма нет. Знание рассматриваемых потенциалов необходимо и при нахождении величины электроотрицательности. С увеличением значения потенциала ионизации резко уменьшается возможность образования чисто ионных кристаллических решё-ток. В этом случае будут преобладать атомно-ионные и атомные решётки. Они отличаются большей устойчивостью и, следовательно, образующие их элемен-ты будут менее доступны живым организмам.

1.8Электроотрицательность – это энергия, с которой притягиваются данным атомом валентные электроны при соединении с другими атомами. Су-ществует ряд методов определения относительных и абсолютных величин электроотрицательности, например,

ЭО=Jn/n + F, где Jn – потенциал ионизации атома до определённого валентного состояния;

n– валентность иона; F – сродство к электрону. По разнице величин электроотрицательности ионов определяется степень

ковалентной и ионной связи в образуемом ими соединении. Чем больше разни-ца электроотрицательностей двух элементов, образующих соединение, тем больше доля ионной связи между ними. В зависимости от этого меняется ряд свойств соединения, в т. ч. и доступность составляющих его элементов для ор-ганизмов. Сами величины электроотрицательности закономерно изменяются в зависимости от положения элемента в таблице Менделеева: в начале периодов они малы (типичные металлы), а в конце велики (типичные неметаллы), в пре-делах отдельных подгрупп они уменьшаются с ростом заряда ядра.

67

2. Свойства связи соединений характеризуют способность соединений проти-востоять усилиям, направленным на их разрушение. Чем ярче они выражены, тем устойчивее минералы и тем позже проявятся собственные миграционные особен-ности каждого из элементов, входящих в рассматриваемые соединения. Связь эле-ментов зависит от ряда факторов, к которым относятся особенности внутреннего строения соединения и энергия его кристаллической решётки. Свойства связи определяют податливость минерала к химическому выветриванию, его механиче-скую прочность. Наибольшей механической прочностью обычно обладают соеди-нения с большой энергией кристаллической решётки, плохо выраженной спайностью и повышенной твёрдостью. С учётом способности минералов проти-востоять механическому и химическому разрушению был составлен относитель-ный ряд дальности миграции минералов во фракции больше 0,1 мм: малую дальность миграции имеют: киноварь, пирит, оливин, флюорит, роговая обманка; высокую – гематит, топаз, платина, циркон, корунд, алмаз и т. д. Использование этого ряда при рассмотрении механического перемещения минералов позволяет судить об их относительной удалённости от коренного источника.

Так как связь элементов в соединении зависит от температуры среды, все элементы можно разделить по термическим свойствам на шесть групп:

1 – летучие, легкомигрирующие газы (Не, Аr, О и др.) с низкими темпера-турами фазовых переходов;

2 – подвижные металлоиды (Р, CI, F, S, J), образующие легколетучие со-единения с другими элементами;

3 – щелочные и щёлочноземельные металлы с труднолетучими оксидами и соединениями галогенов;

4 – летучие металлы (Hg, In, Tl, Bi); 5 – обычные металлы (Fe, Pb, Co, Ni и др.), нелетучие в условиях земной ко-

ры, но иногда образующие довольно легколетучие соединения с металлоидами; 6 – труднолетучие в свободном состоянии, но дающие некоторые летучие

соединения (Pt, W). Связь миграционных свойств элементов с температурой может использо-

ваться при изучении не только природных, но и техногенных процессов, например, при прогнозе изменений в окружающей среде ещё на стадии плани-рования промышленных предприятий.

3. Химические свойства соединений могут в значительной мере влиять на миграцию, но при их рассмотрении всегда необходимо учитывать геохимические и термодинамические особенности среды, в которой идёт миграция. Так, на зем-ной поверхности кислородные соединения (оксиды, карбонаты, многие сульфа-ты) более устойчивы, чем сульфиды.

68

4. Гравитационные свойства атомов оказывают влияние на перемеще-ние элементов при кристаллизации, выветриваниии седиментации: каждый атом притягивается с силой, пропорциональной его массе.

5. Радиоактивный распад ядер атомов приводит к образованию новых элементов, отличающихся друг от друга и от исходных элементов миграцион-ными свойствами. В земной коре известно17 долгоживущих радиоактивных изотопов. Природные промышленные рудные скопления образуют только 238U и 232Th. В результате радиоактивного распада образуются:

– новые радиоактивные изотопы (промежуточные продукты) – при распаде238U появляются радиоактивные изотопы Th, Ra, Rn, Bi и др.;

– стабильные изотопы (конечные продукты распада). В рядах природно-го распада 235U,238U и 232Th конечными продуктами являются изотопы Pb и He. Heбыстро мигрирует на большие расстояния в форме газовых смесей; Pb отно-сится к труднорастворимым металлам с невысокой миграционной способностью.

Процессы радиоактивного распада оказывают влияние на многие химиче-ские элементы и их соединения, образующие различные формы нахождения, в т. ч. и биогенную. Но в этом случае радиоактивный распад рассматривают уже как внешний фактор миграции.

2.3.2 Внешние факторы

Внешние факторы миграции обусловлены средой, окружающей мигри-

рующие элементы. 1. Радиационные изменения среды. В биосфере радиоактивное излучение

приводит к взаимодействию частиц или фотонов с атомами химических эле-ментов, образующих разнообразные формы нахождения. Течение этого процес-са зависит от: 1) массы, заряда и энергии проникающих частиц;2) плотности, потенциала ионизации облучаемого вещества и атомного номера составляющих его элементов.

Тяжёлые заряженные частицы (α-частицы – ядра гелия, протоны и т. д.), тормозясь в результате взаимодействия с электронными оболочками атомов об-лучаемого вещества, ионизируют и возбуждают атомы и образуемые ими молекулы.

Электроны ионизирующих излучений(β-частицы) испытывают рассея-ние на электронах и ядрах облучаемого вещества. При этом они теряют энер-гию, ионизируют атомы и вызывают тормозное рентгеновское (электромагнитное) излучение.

Фотоны гамма-и рентгеновского излучения поглощаются облучаемым веществом, что также сопровождается ионизацией.

69

Поток нейтронов взаимодействует с ядрами атомов, вызывая их деление и ядерные реакции.

Ядра отдачи (остатки атомов, образующиеся в результате радиоак-тивного распада) вызывают ионизацию и возбуждение молекул. При посте-пенном охлаждении могут вступать в обычные химические реакции.

В связи с развитием атомной промышленности последствия радиоактивного излучения приобретают все большее значение и требуют детального изучения.

Важнейшим примером действия радиоактивного излучения является ра-диолиз воды (разложение её на Н и О). Образовавшийся атомарный водород даже при комнатной температуре восстанавливает многие оксиды металлов, непосредственно соединяется с S, N, F. За счёт кислорода, выделившегося при радиолизе, происходит существенное окисление нефти, идёт гематитизация (образование Fe2O3) горных пород. Радиоактивное облучение воды приводит также к образованию перекиси водорода, гидроксильных групп (ОН–) и гидрок-сония (Н3О+). В результате в природных водах возникает резко неравновесная обстановка с сильными окислителями и восстановителями. При этом в подзем-ных водах образуются атомарные Cl, Br, I. Растворенный в водах азот образует нитриты, нитраты, аммиак. В залежах калийных солей накапливается свобод-ный водород. Наибольший выход продуктов радиолиза происходит при высо-кой плотности ионизации, связанной с потоком α-частиц. Появление значительного количества продуктов радиолиза в подземных водах может про-изойти в районах урановых месторождений за сотни и тысячи лет. Радиолиз во-ды и связанные с ним процессы (в первую очередь изменение окислительно-восстановительных условий) относятся к важным внешним факторам миграции химических элементов.

Радиолиз органических соединений приводит к разрыву связей между уг-леродом (С – С), углеродом и водородом (С – Н), а также углеродом и функци-ональными группами. Обязательными продуктами этого процесса являются водород и метан. В природных залежах газа при облучении образуются СО2 и такие токсичные вещества, как СО, формальдегид, синильная кислота. Из бен-зола образуется фенол. Радиолиз органических соединений – процесс, широко развитый в биосфере (например, в палеозойских отложениях Днепровско-Донецкой впадины преобразовано 5 % органических веществ).

Радиационные процессы в минеральных образованиях связаны с ионизацией и возбуждением молекул. В кристаллах происходит нарушение структуры– обра-зование дислокаций и вакантных мест внедрения. Под воздействием излучения увеличивается скорость растворения минералов, возрастает их способность к ад-сорбции и образованию коллоидов. Все это влияет на миграцию элементов.

70

Воздействие ионизирующего излучения на живые организмы связано с ионизацией и возбуждением атомов. В зависимости от дозы и длительности облучения выделяются острые поражения (при однократном облучении высо-кими дозами) и хронические (при длительном облучении более низкими доза-ми). При острых поражениях возникает лучевая болезнь, приводящая к смертельному исходу, при хронических– также возможна лучевая болезнь и поражение отдельных органов. Особо выделяются отдалённые эффекты, прояв-ляющиеся через продолжительное время после облучения (злокачественные опухоли и генетические нарушения, передаваемые по наследству). Поражение определяется суммарной накопленной дозой, независимо от того, за какой срок она получена: за сутки или десятилетия.

В ландшафтах, подверженных ионизирующему облучению, происходят изменения сообществ организмов. Основной причиной этих изменений являет-ся различная чувствительность к облучению различных видов животных и рас-тительных организмов. Так, папоротники, мхи, лишайники, почвенные грибы выдерживают дозы до 10 000 Гр (1 Грей=1 Дж/кг), а древесная растительность (особенно хвойные) погибает при дозе 12 Гр. Среди животных организмов большой устойчивостью к облучению обладают насекомые. Мухи-дрозофилы выдерживают дозы до 850 Гр, а важнейшие сельскохозяйственные животные от 3 до 15 Гр; птицы – до 25–30 Гр. Различная устойчивость к облучению различ-ных видов животных и растительных организмов приводит к тому, что при ядерных взрывах, крупных авариях на АЭС и т. д. определённые виды угнета-ются и исчезают. Оставшиеся же виды могут начать бурно развиваться. Это объясняется, во-первых, уничтожением конкурентов, а во-вторых, тем, что у отдельных видов растений облучение в пределах определённых доз стимулиру-ет ряд биохимических процессов. Радиоактивное облучение способно полно-стью изменить состав организмов в геохимических ландшафтах, а, следовательно, изменить в них ход важнейшего вида миграции элементов– биологического круговорота.

2. Температура. С ростом температуры повышается миграционная способ-ность элементов, находящихся в растворах, повышается скорость течения химиче-ских реакций и взаимная растворимость элементов при изоморфных замещениях. Но в случае биогенной миграции усиление миграции элементов происходит только в определённом температурном интервале.

3. Давление оказывает значительное влияние на миграцию элементов в расплавах, растворах и газовых смесях. С изменением давления может проис-ходить изменение фазового состояния вещества без изменения температуры;

71

возможно изменение скорости и даже направления течения химических ре-акций. Повышение давления способствует изоморфному вхождению элементов в чужие кристаллические решётки. Но в верхней части земной коры (в биосфе-ре) существенного изменения давления не происходит. Этот фактор миграции учитывают при рассмотрении гидротермальных, магматических и метаморфи-ческих процессов.

4. Степень электролитической диссоциации влияет на миграцию элемен-тов в расплавах и растворах; зависит от свойств растворителя и растворяемого вещества, температуры и концентрации раствора; определяет последователь-ность выпадения веществ в осадок (элементы, находящиеся в ионной форме, быстрее переходят в твёрдую фазу).

5. Концентрация водородных ионов характеризует кислотность (щёлоч-ность) среды и во многих случаях контролирует осаждение из растворов хими-ческих соединений и коагуляцию коллоидов. Изменение рН среды влияет и на поступление элементов в растения. С увеличением концентрации водородных ионов (кислая среда) уменьшается катионообменная ёмкость и повышается анионообменная. Изменение рН влияет на подвижность многих металлов. Большинство их, растворяясь в кислых растворах, образуют катионы, но с по-вышением рН они обычно выпадают в осадок в форме гидроксидов или основ-ных солей. С подобным явлением сталкиваются при миграции растворов от сульфидных рудных тел. В щелочной среде элементы, обладающие амфотер-ными свойствами, могут снова перейти в растворимое состояние и образовать комплексные анионы. Щёлочностью среды во многом определяется миграция глинозёма и кремнезёма: при рН = 5…9 первый практически нерастворим, а второй становится подвижным. С изменением кислой среды на щелочную многие окислительно-восстановительные реакции меняют своё направление.

6. Окислительно-восстановительная обстановка. Миграция многих эле-ментов зависит от окислительно-восстановительной обстановки, определяемой режимом серы и кислорода. Окислительная(кислородная) обстановка способ-ствует накоплению катионогенных элементов переменной валентности (Fe, Mn, Со) и увеличению растворимости анионогенных (V, Mo, Se, S, U). В бескисло-родной глеевой обстановке ускоряется разложение минеральной части почв: алюмо- и ферросиликатов; увеличивается миграционная способность катионо-генных и уменьшается– анионогенных элементов. В восстановительной серово-дородной обстановке H2S вступает в реакцию с металлами, обычно вызывая их осаждение из растворов. Часто происходит смена обстановок по вертикальному профилю почв. В целом изменение режима кислорода – серы приводит к образо-ванию геохимических барьеров (кислородного, глеевого, сероводородного).

72

7. Поверхностные силы природных коллоидных систем имеют большое значение при миграции элементов в водной среде. Ими объясняется высокая сорбционная способность коллоидных систем. Важная особенность процессов сорбции – селективность: определёнными коллоидами поглощаются преиму-щественно определённые ионы и молекулы.

8. Жизнедеятельность организмов. Миграция элементов в зоне гипергенеза тесно связана с жизнедеятельностью организмов, в результате которой освобожда-ются из соединений кислород, азот, диоксид углерода, влияющие на миграцию многих элементов, включая металлы. Органические кислоты, выделяемые корнями растений, разрушают кристаллические решётки многих минералов (даже глин), способствуя переходу элементов из минеральной формы в растворы. Различные растения выборочно аккумулируют химические элементы, которые затем накапли-ваются в гумусовом горизонте. В результате биогеохимических процессов может происходить разделение изотопов, накопление и рассеяние элементов.

Особое влияние на миграцию элементов оказывают микроорганизмы. Например, бактерии рода Ferrobacillus способны переводить ионы Fe (II) в ио-ны Fe (III), а выпадающие из раствора гидроксиды Fe (III) уменьшают в нем (за счёт процессов сорбции) содержание As, Sb, V и других элементов. Бактерии рода Thiobacillus окисляют сульфиды многих металлов.

9. Комплекс типоморфных элементов или ионов в почвах и водах. Ктипо-морфным относятся распространённые элементы, наиболее интенсивно мигри-рующие и накапливающиеся в ландшафте. Ведущие (типоморфные) элементы определяют условия миграции и концентрации подавляющего большинства других элементов в различных геохимических системах. Геохимическое раз-нообразие биосферы в целом определяется кислородом, углекислым газом и се-рой. В океане типоморфными являются О2, растворенный в воде, Na+, Сl–; в та-ёжных болотах – Fe2+, H+, Мп2+; в зонах засоления, связанных с орошением земель – Са2+, Na+, Сl–SO4

2– и т. д. Геохимическая особенность системы определяется ведущими элемента-

ми, имеющими высокие кларки, активно мигрирующими и накапливающимися в этой системе (А. И. Перельман).

10. Геоморфологические особенности ландшафтов часто определяют, в ка-кой форме (минеральная, истинные или коллоидные растворы) на конкретном участке происходит преобладающая миграция рассматриваемых элементов.

2.4 Эволюция процессов миграции химических элементов

На протяжении истории Земли шла постепенная эволюция процессов ми-грации химических элементов. Во многом она связана с изменением роли отдель-

73

ных внешних факторов. В первую очередь с изменением роли радиоактивного распада, являющегося одним из важнейших энергетических факторов миграции химических элементов. Общее количество теплоты, выделяемое при радиоактив-ном распаде, постепенно уменьшается – в основном за счёт распада части 235Uи 40К. Ряд радиоактивных изотопов к настоящему времени относится к «вымер-шим». За 4,6млрд лет количество 235U уменьшилось в 30 раз, а 40К – в 12. Предпо-лагается, что на Земле существовали ряды радиоактивного распада, родоначальниками которых были нептуний (Np) и эйнштейний (Es). Учёные до-пускают возможность существования природных ядерных реакций, при которых могло выделяться громадное количество тепла. В 1972 г. на урановом месторож-дении Окло в Экваториальной Африке по аномальным соотношениям изотопов 235U и 238U и продуктам ядерной реакции (изотопам Хе, Nd, Sm, Ru) было установ-лено, что около 2 млрд лет назад в урановых рудах началась природная ядерная реакция. Она продолжалась около 500 тыс. лет и предположительно протекала без взрывов. Этот «природный ядерный реактор» выделил столько же тепла, сколько получается его за год на современной мощной АЭС. Сколько было подобных «природных реакторов» в истории Земли, пока остаётся загадкой.

Один из первых процессов перемещения элементов в Земле – их верти-кальная дифференциация в зависимости от массы. Вероятно, именно она при-вела к формированию ядра и оболочек, обволакивающих друг друга. Их плотность увеличивается с глубиной.

Первые живые организмы развивались и приспосабливались к условиям с преобладанием лёгких элементов. Повышенные концентрации тяжёлых ме-таллов, как правило, для них токсичны.

Становление Мирового океана (существенное уменьшение кислотности вод), образование вместо резко восстановительной слабокислородной атмосферы и довольно быстрое развитие живых организмов привели к развитию таких фак-торов миграции, как водная растворимость, атмосферный и водный перенос. Резко возросла роль биогенных факторов. В сумме все это привело к возникно-вению кор выветривания, донных осадков, первых почв. При этом в пределах поверхности Земли возросли абсолютный и относительный разбросы химиче-ских элементов (Сmax/ Cmin), особенно таких, как Сl, В, Mo, Br, I. Это могло стать одной из причин эволюции организмов, в первую очередь – водных. С образова-нием карбонатных и глинистых пород на поверхности Земли увеличился разброс содержаний в континентальной части биосферы О, С, Н, S, Se, I, N, Hg. Эти из-менения геохимической обстановки и перечисленные химические элементы мог-ли играть важную роль в эволюции организмов в архее (3,5–2,5 млрд лет назад).

74

Появившиеся на Земле живые организмы и процессы фотосинтеза (в протерозое,2,5–1,7 млрд лет назад) привели к образованию в верхних обо-лочках такого сильного окислителя, как свободный кислород (в рифее, 1,7–0,7 млрд лет назад), и к изменению в атмосфере содержания СО2. Под воздей-ствием меняющейся геохимической обстановки в рифее появились животные.

На протяжении истории Земли происходили столкновения с крупными космическими телами. Их результатом должно было стать резкое, скачкообраз-ное увеличение роли второго типа миграции (атмосферный перенос химиче-ских элементов в минеральной и коллоидной формах). При этом вся атмосфера превращалась в пылевое облако. Оно существенно уменьшало проникновение на земную поверхность солнечных лучей. Это, в свою очередь, приводило к по-нижению температуры (вплоть до наступления оледенения) и вымиранию фау-ны. В таких условиях происходило уменьшение скорости течения химических реакций и, что особенно важно для биосферы, интенсивности процесса фото-синтеза (I тип миграции).

Существует гипотеза о «великом меловом вымирании» в результате столк-новения Земли с астероидом диаметром 10 км. Об этом свидетельствует увели-ченное в десятки и сотни раз содержание иридия в осадках, сформировавшихся 65 млн лет назад. С этой границей мезозоя и кайнозоя связана исключительно рез-кая перестройка фауны, гибель около 75 % видов животных, в т. ч. динозавров.

Иридиевые аномалии образовались также на границе венда и кембрия (570 млн лет назад), перми и триаса (248 млн лет назад), в туроне (90 млн лет назад), эоцене (40 млн лет назад). Если учесть, что в каменных метеоритах ири-дия содержится в несколько тысяч раз больше, чем в литосфере (4,8 ⋅ 10–5 % и 2 ⋅ 10–8 % соответственно), то становится возможным связать эти аномалии с крупными космическими катастрофами.

Изменения приоритетов в типах и видах миграции химических элементов могли приводить к относительно медленному (миллионы лет) вымиранию и мутациям флоры и фауны. Если состав метеоритов резко отличался от состава земной коры, то скорость вымирания и мутация определённых видов должны были возрастать, как от получения ядов в больших количествах. Последствия-ми таких катастроф могли быть изменения в развитии животных и раститель-ных организмов, аналогичные изменениям, отмечаемым в пределах аномалий, отвечающих рудным районам, месторождениям и отдельным рудным телам. Это, в зависимости от размеров катастрофы, а, следовательно, и размеров гео-химических аномалий, могли быть исчезновения отдельных видов организмов (иногда только локальные), их мутации, появление организмов-концентраторов и деконцентраторов определённых химических элементов.

75

Бомбардировка земной поверхности метеоритами происходила на протя-жении всей истории Земли, её следами служат астроблемы – кольцевые струк-туры типа кратеров, обнаруженные в штате Аризона (США), в Австралии, в Восточной Сибири и других регионах. Образовавшиеся при ударе породы (импактиты) нередко также обогащены иридием. Ударные кольцевые структу-ры хорошо выявляются космическими съёмками.

XX век и особенно его последние десятилетия ознаменовались резко воз-росшей техногенной (социальной) миграцией химических элементов. Она стала соизмеримой с другими видами миграции, происходящими в биосфере. В ре-зультате образовались локальные геохимические аномалии с концентрациями определённых химических элементов, в тысячу раз превышающими их кларко-вое содержание, и региональные геохимические аномалии, захватывающие сотни тысяч квадратных километров (например, сельскохозяйственные угодья). В региональных аномалиях содержание химических элементов пока гораздо ниже, чем в локальных (не более чем вдвое превосходит фон). Последствия ан-тропогенной миграции химических элементов, с учётом изложенного прибли-жаются к последствиям космических катастроф.

Таким образом, эволюция процессов миграции на протяжении истории Земли в итоге оказала и продолжает оказывать значительное влияние на эво-люцию организмов.

Контрольные вопросы

1. Значение атомных и ионных радиусов для геохимии. Какие геохими-ческие показатели можно охарактеризовать, используя эти величины?

2. Понятие ЭК, его роль в геохимических расчётах, ограничение в применении.

3. В чем состоит отличие поляризации от поляризируемости? Как влияет поляризация на доступность химических элементов живым организмам?

4. Как связаны основные свойства минералов с кристаллохимическими показателями?

5. В чем отличие диффузионной миграции элементов от инфильтраци-онной?

6. Назовите типы геохимических обстановок в зависимости от окисли-тельно-восстановительных условий среды. Какой цвет и почему в них прини-мают участие различные горные породы и минералы?

7. Что показывает коэффициент биологического поглощения? 8. Расскажите об основном геохимическом цикле миграции элементов. 9. Какие виды миграции Вы знаете? Охарактеризуйте каждый из них.

76

10. Какие типы миграции можно выделить в связи с перемещением хими-ческих элементов?

11. Какие факторы определяют миграцию элементов в земной коре? 12. Какие факторы миграции называются внутренними? 13. Что называют внешними факторами миграции? 14. Как влияют процессы радиоактивного распада на миграцию химиче-

ских элементов? 15. Какое значение имеет концентрация водородных ионов в процессе

миграции химических элементов в почвах и в водах? 16. Как влияет режим серы и кислорода на миграционную способность

химических элементов? 17. Расскажите о роли живых организмов в создании условий миграции

химических элементов в зоне гипергенеза. 18. Чем определены особенности миграции химических элементов в био-

сфере? Под влиянием каких факторов они формируются? 19. Распределение окислительно-восстановительных обстановок в биосфере. 20. Расскажите об особенностях миграции в поверхностных водах. 21. Назовите основной природный источник аэрозолей в биосфере. 22. Расскажите про диффузионную миграцию химических элементов. 23. Расскажите про электрохимические процессы и миграцию элементов. 24. Расскажите об эволюции процессов миграции элементов в биосфере.

77

3. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ И КОНЦЕНТРАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХЭЛЕМЕНТОВ

Геохимические барьеры – это те участки земной коры, на которых на ко-

ротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции хи-мических элементов и, как следствие, их концентрация. Выделяют два основных типа геохимических барьеров– природные и техногенные. И те, и другие распо-лагаются на участках изменения факторов миграции. В первом случае смена факторов и смена одной геохимической обстановки другой вызвана природными особенностями конкретного участка биосферы. Во втором – такая смена геохи-мических обстановок происходит в результате антропогенной деятельности.

Оба типа геохимических барьеров подразделяются на четыре класса: фи-зико-химические, биогеохимические, механические и социальные.

Накопление химических элементов (соединений) на геохимических барье-рах часто приводит к их аномальным концентрациям. При определённых усло-виях концентрация и общее содержание элементов на барьере резко возрастают, образуются месторождения полезных ископаемых. До недавнего времени эти процессы были только природными. Сейчас техногенные процессы достигли та-ких масштабов, что и на природных, и на техногенных барьерах возможно накопление определённых элементов в промышленных концентрациях.

Геохимические барьеры могут существенно отличаться друг от друга не только концентрациями определённых элементов и их общим количеством на ба-рьере, но и величиной самих барьеров. Выделяют макро-, мезо- и микробарьеры.

Макробарьеры – геохимические барьеры шириной до первых километров и длиной тысячи километров (современные и древние зоны смешивания прес-ных речных вод с солёными морскими).

Мезобарьеры– протяжённость доходит до десятков километров при ши-рине до сотен метров (краевые зоны болот, где отлагаются многие элементы, сносимые с водоразделов).

Микробарьеры– размеры колеблются от нескольких миллиметров до пер-вых метров (возникают на отдельно разлагающихся на дне водоёма раковинах или рыбах; в родниках, на месте выхода на дневную поверхность глеевых вод, из которых в присутствии свободного кислорода воздуха отлагается окислив-шееся трёхвалентное железо Fe (OH) 3).

Иногда к одному и тому же барьеру поступают химические элементы (со-единения) из разных миграционных потоков. В этих случаях возникают много-сторонние барьеры. Часто при поступлении нескольких миграционных потоков

78

в одно место геохимический барьер образуется именно за счёт слияния этих пото-ков. Тогда возможно образование не только многосторонних, но и комплексных барьеров (пространственное наложение друг на друга нескольких разных гео-химических барьеров). Иногда барьеры разделяются в зависимости от положе-ния в пространстве поступающих к ним миграционных потоков. Если они продвигаются в субгоризонтальном направлении, например, по границе почв и подстилающих их горных пород, то формируются латеральные геохимические барьеры. При вертикальном и слабонаклонном продвижении миграционного потока (независимо от того, сверху вниз или снизу вверх) формируются верти-кальные (радиальные) барьеры.

Положение барьера относительно поступающего к нему миграционного потока может изменяться. Если барьер перемещается в направлении водного потока, но медленнее фильтрации вод, то перед барьером в водах повышается концентрация химических элементов. Сам же миграционный поток также мо-жет передвигаться, обычно перпендикулярно или под углом к геохимическому барьеру (когда русла рек постепенно меняют своё положение при впадении в моря и озера, на барьерах формируется своеобразная зональность распределе-ния химических элементов).

3.1 Количественные характеристики геохимических барьеров

Градиент барьера определяется по формуле:

G = dm / dl или G = (m1– m2) / L, где m1 – величина одного из показателей, определяющих изменение геохими-ческой обстановки на барьере, установленное в миграционном потоке перед ба-рьером (рН, Т, Eh, количество растворенного в воде О2, H2S и т. д.);

m2 – величина этого же показателя в миграционном потоке сразу после барьера;

L – мощность (ширина) барьера. Величина градиента барьеров может быть выражена в рН/м; Eh/м и др. Контрастность барьера:

S = m1/m2. Так как в итоге на геохимическом барьере в большинстве случаев форми-

руются геохимические аномалии, то о контрастности барьера можно судить и по контрастности образовавшихся геохимических аномалий:

К = Сa/Cф, где Сa – среднее содержание рассматриваемого компонента в аномалии;

79

Сф – фоновое содержание в ландшафте (определённом типе горных по-род, почв, осадков, вод, растений и т. д.), аналогичном ландшафту, в котором расположен рассматриваемый барьер.

Обычно интенсивность накопления химических элементов (соединений) усиливается с возрастанием градиента и контрастности геохимических барьеров.

Концентрация элементов на барьере: h = K (С1 – С2) / (Al – а2),

где h– содержание элемента, концентрирующегося на барьере; К – коэффициент, зависящий от «инертной» массы (почв, осадков, живого

вещества и т. д.), на которой происходит накопление рассматриваемого вещества; С1и С2 – содержание рассматриваемого вещества в миграционном потоке

соответственно до и после барьера; Al и а2 – общее содержание всех веществ, мигрирующих в потоке до и по-

сле барьера. Для концентрации какого-либо элемента на барьере не обязательно его

высокое содержание в мигрирующих потоках. Если данный участок является барьером только для одного или немногих элементов (соединений), а у боль-шинства остальных элементов (соединений) на этом участке интенсивность ми-грации не изменяется, то даже при низкой концентрации рассматриваемого элемента в мигрирующем потоке его концентрация на барьере может со време-нем стать очень высокой, вплоть до образования рудных тел.

В миграционных потоках содержится ряд химических элементов, способ-ных вступать в реакции между собой и осаждаться на образующихся геохимиче-ских барьерах. Некоторых элементов в системе может быть настолько много, что их хватает для реализации всех возможных реакций. Эти элементы в данной си-стеме являются избыточными. Например, на поверхности Земли таким элементом является кислород. Его содержание не лимитирует протекание реакций окисле-ния, и он продолжает оставаться одним из основных газов в атмосфере. В систе-мах кислых магм избыточен SiO2. Его хватает для реализации всех реакций и после этого он ещё остаётся, выделяясь в виде кварца. К дефицитным в данной системе элементам относятся те, низкое содержание которых не позволяет реали-зовать все термодинамические возможные реакции. Элементы, избыточные в од-ной природной системе, могут быть недостаточными в другой. Так, в глубинах Земли становится дефицитным О2, а в основных магмах – SiO2. Перельман сфор-мулировал принцип торможения химических реакций, учитывающий наличие в системе избыточных и недостаточных химических элементов: если в системе один из реагентов присутствует в количестве, недостаточном для реализации всех возможных реакций, то осуществляются лишь те реакции, для которых ха-рактерно максимальное химическое сродство.

80

3.2 Физико-химические барьеры

Физико-химические барьеры связаны с изменением физико-химической обстановки. К настоящему времени детальная классификация разработана только для этого класса барьеров, для случая осаждения химических элементов, мигрирующих в ионной форме в водах с различными окислительно-восстановительными и щелочно-кислотными условиями.

Среди физико-химических барьеров выделяют: кислородный, сероводород-ный, глеевый, щелочной, кислый, испарительный, сорбционный, термодинамиче-ский. В зависимости от того, в каких условиях (окислительно-восстановительных и щелочно-кислотных) химические элементы подходят к барьеру, определённая часть их осаждается на барьере. Зная класс барьера, направление мигрирующего потока и условия миграции перед барьером, можно уверенно прогнозировать осаждение на конкретном барьере определённых элементов. Возможно решение и обратной задачи: по комплексу сконцентрировавшихся элементов определить класс барьера и условия миграции элементов.

3.2.1 Сероводородные барьеры

При резком понижении величины Ehвозникают восстановительные гео-

химические барьеры. Если на таких барьерах осаждение химических элементов происходит с участием H2S (в виде газа или водного раствора), то барьер счита-ется сероводородным.

Обычно H2Sполучают действием разбавленных кислот на сульфиды: FeS + 2HCl = FeCl2 + H2S↑.

Сам H2S чрезвычайно ядовитый бесцветный газ с характерным запахом гниющего белка. Он намного тяжелее воздуха, горит голубым пламенем:

2H2S + 3О2 = 2Н2О + 2SО2. Его раствор в воде обладает свойствами кислоты. Сероводород может

находиться в природных водах в свободном состоянии, в виде раствора и в дис-социированном состоянии. Обычно диссоциация идёт по следующей схеме:

H2S↔H+ + HS–. Реже диссоциация идёт до образования ионов серы:

HS↔ Н+ + S2–. В сильнокислых водах чаще преобладает H2S, в нейтральных и слабоще-

лочных (рН 6,5–8,5) – HS–, а в сильнощелочных (рН>8,5) – ион S2–. В результате взаимодействия растворенных солей металлов с сероводо-

родом часто образуются труднорастворимые сульфиды: 81

CuSО4+ H2S = CuS↓ + H2SО4. Сульфиды образуются и при взаимодействии сероводорода (растворенно-

го и газообразного) с самородными металлами, например с CuилиAg. Реакция протекает в присутствии растворенного или газообразного кислорода:

4Ag + 2H2S + О2 = 2Ag2S + 2Н2О. Сероводород может образовываться и в результате непосредственного

взаимодействия водорода и серы, однако реакция идёт только при высоких температурах: Н2 + S = H2S.

При понижении температуры (например, в лавовых озёрах вулканов) и в присутствии SО2 происходит реакция разложения сероводорода с осаждением самородной серы. Этот процесс можно рассматривать как осаждение серы на сероводородном барьере:

2H2S + SО2↔3S (TB) + 2Н2О. Диоксид серы, необходимый для этой реакции, также может образовы-

ваться из сероводорода в присутствии паров воды: H2S + 2Н2О ↔3Н2 + SО2.

Сероводород, образовавшийся при высоких температурах в глубинах Земли, может участвовать в создании сероводородных барьеров биосферы. В гранитной и базальтовой оболочках выход H2Sиз мантии на поверхность воз-можен по разрывным нарушениям. Какое-то количество H2S глубинного проис-хождения выделяется в биосфере из включений в разрушающихся на поверхности минералах магматических пород. При температурах 150–200°С уг-леводороды, сохранившиеся в уже сформировавшихся породах, могут окислять-ся сульфатами, приносимыми горячими парами-растворами (гидротермами):

СН4+SO42–+2Н+= СО2+2Н2О+H2S.

Образовавшийся H2S может вызывать осаждение металлов из гидро-терм. Такие барьеры формируют многие месторождения, относимые к гидро-термальным.

В целом же значение этих барьеров, также как и роль H2S, поступающего из глубинных слоёв Земли, невелико. Гораздо большее значение в биосфере имеют барьеры, связанные с процессами жизнедеятельности сульфатредуци-рующих бактерий. Такие бактерии, разлагая органическое вещество и сульфаты (они являются основным источником S для сероводорода), выделяют углекис-лый газ и сероводород. При этом они отбирают у сульфатов кислород (он идёт на окисление органики), а выделяющаяся энергия идёт на поддержание жизне-деятельности бактерий:

3Na2SО4+C6H12О6→ 3Na2CО3 +3H2O+3CО2+3H2S+Q (кДж).

82

В зонах сероводородного заражения (H2S может находиться в них в виде раствора и газа) происходит реакция взаимодействия H2S с растворенными со-лями и металлами в самородном состоянии. Её результатом является образова-ние труднорастворимых сульфидов.

Объединив сероводородные барьеры по отношению к породам (осадкам), в которых они образуются и где происходит отложение сульфидов, можно вы-делить осадочно-диагенетические, эпигенетические и магматические барьеры.

Осадочно-диагенетические сероводородные барьеры возникают в осадках при бактериальном разложении в них органического вещества. Процесс бакте-риального восстановления сопровождается изотопным эффектом: скорость вос-становления лёгкого изотопа 32S в сульфат ионе выше на 2–4 %, чем тяжёлого34S. В результате сульфидная сера обогащается (по отношению к сере исходного сульфата) лёгким изотопом 32S, а исходный сульфат– тяжёлым изо-топом 34S. Развитие этого процесса в верхнем слое океанических (морских) осадков приводит к тому, что изотопный состав океанической серы оказывается утяжелённым на 20 % по отношению к среднему составу серы в Земле. Доволь-но быстрое перемешивание океанических вод выравнивает изотопный состав сульфатной серы по всему океану. Сульфиды, образующиеся в верхнем слое осадка, обогащены лёгким изотопом серы, а сохранившийся на некоторой глу-бине от поверхности сульфатный раствор обогащён тяжёлым изотопом серы.

Эпигенетические сероводородные барьеры возникают в уже сфор-мировавшихся горных породах благодаря жизнедеятельности сульфатредуци-рующих бактерий. Основным источником серы для этих барьеров продолжают оставаться растворенные сульфаты. В горных породах они появляются за счёт растворения гипсовых (ангидритовых) отложений, окисления сульфидной серы пород, остаточных растворов и просачивающихся поверхностных (грунтовых) вод. Особым случаем образования H2S на эпигенетических барьерах является термическое разложение (при температурах более 100 °С) углеводородов (в частности, метана) в присутствии сульфатов:

CaSО4 + СН4→CaCO3+ Н2О + H2S↑. Магматический сероводородный барьер находится за пределами биосфе-

ры, и мы можем изучать лишь образовавшиеся на нем сульфиды. Сероводородный барьер является одним из основных барьеров, на кото-

рых формируются различные месторождения, т. е. участки с аномально вы-сокими концентрациями и большими запасами Pb, Zn, Cu, Cd, Ag, Mo, Hg, As, Sb, Bi, Ni, Fe. Концентрации металлов в этих случаях являются токсичными для большинства организмов.

83

Примеры сероводородных барьеров: 1. Дельты крупных рек, где в илах накапливаются сульфиды тяжёлых ме-

таллов. Концентрация тяжёлых металлов в донных отложениях зависит от со-держания их в водах реки, т. е. от количества промышленных сбросов в реку. Таким образом, на природном сероводородном барьере формируется антропо-генная геохимическая аномалия тяжёлых металлов.

2. Образование в нижнем палеозое-докембрии черных углеродистых сланцев, обогащённыхCu, Ni, Mo, Au. Содержание металлов в сланцах относи-тельно низкое, но общие запасы грандиозны. Часто такие сланцы называют ру-дами будущего.

3. Сероводородные илы соляных озёр степей и пустынь, часто используе-мые под названием «лечебные грязи».

4. Чёрное море – громадный природный сероводородный барьер. Из-за дея-тельности бактерий с глубины примерно 200 м и ниже в водах появляется H2S.

5. Поступление термальных сероводородных вод из глубоких горизонтов (термальные источники Горячего ключа, Пятигорска, Мацесты и т. д.). При низ-ких температурах источником H2S являются процессы, связанные с бактериаль-ным разложением сульфатов, при высоких – взаимодействие углеводородов и сульфатов термальных вод. Часто такие сероводородные источники используют-ся в лечебных целях. В зонах их разгрузки идёт отложение сульфидов (чаще все-го пирита FeS2) из-за наличия в водах повышенных концентраций Fe.

6. Известны случаи выхода сероводородных гидротерм на дне океанов, в рифтовых зонах. При этом иногда образуются так называемые «чёрные ку-рильщики» – конусы высотой в десятки и диаметром в сотни метров, состоящие из сульфидов, аналогичных по составу полиметаллическим рудам.

3.2.2 Кислородные барьеры

Образуются при попадании миграционных потоков с бескислородными

водами (глеевыми или сероводородными) в зоны со свободным кислородом. Поскольку такими зонами являются практически вся атмосфера (в т. ч. значи-тельная часть почвенной атмосферы) и верхние горизонты большинства по-верхностных вод (включая воды океана), то формирование кислородных барьеров на земной поверхности происходит при наличии миграционного по-тока бескислородных вод.

Окислительный барьер может также возникнуть при смене резко-восстановительных условий слабо-восстановительными и слабо-окислительных–

84

резко-окислительными. В этих случаях резко увеличивается значение Eh. Из ме-таллов на кислородных барьерах осаждаются Fe и Мn с переменной валентно-стью и совместно с ними, но гораздо реже Со. Железо концентрируется на подавляющем большинстве барьеров из глеевых вод и редко – из сильнокислых (рН < 3) сероводородных. Если в пределах кислородного барьера в водах появля-ется свободный О2, но величина Eh недостаточна для осаждения марганца, то Мn2+ продолжает миграцию, aFe3+ концентрируется. В кислых глеевых водах Fe и Мn мигрируют, как правило, в виде Fe (Mn) (HCО3) 2 и органоминеральных со-единений. При попадании таких вод в обстановку со свободным кислородом происходит совместное осаждение минералов Fe и Мn: гематита (Fe2О3), гидро-гематита (Fe2О3 ⋅ Н2О), гетита (HFeО2), гидрогетита (HFeО2 ⋅ Н2О), пиролюзита (MnО2) и т. д. В глеевых нейтральных и щелочных водах Fe малоподвижно, а Мn хорошо мигрирует. Из таких вод на кислородном барьере осаждаются в основ-ном минералы Мn: пиролюзит (MnO2), псиломелан (mMnO∙ MnO2⋅nН2О), манга-нит и др. Кроме трёх перечисленных металлов на кислородных барьерах могут концентрироваться сера и селен (когда к кислородному барьеру подходит поток сероводородных вод).

Примеры кислородных барьеров: 1. На многих сероводородных источниках видны образование и осаждение

своеобразных «хлопьев» серы. Это явление связано с окислением (часто с уча-стием серобактерий) сероводорода до свободной серы:2H2S + О2 = 2Н2О +2S. Данный процесс можно представлять как аналог формирования более древних месторождений серы. Изредка на рассматриваемых барьерах совместно с серой и селеном может концентрироваться железо.

2. В результате окисления глеевых вод, поступающих на поверхность по разрывным нарушениям, на поверхности образуются «железные шляпы» (лин-зообразные тела размером до 10 × 100 м), вытянутые вдоль зон разломов и со-стоящие в основном из гематита и гидрогетита (лимонита). Особенно много таких образований встречается в районах с породами, обогащёнными органиче-ским веществом и железом (на глубине создаются условия для формирования глеевых вод, обогащённыхFe2+).

3. Многочисленные родники с выходами на поверхность глеевых вод. Дно таких родников обычно сплошь покрыто оседающими рыхлыми гидрокси-дами железа («железистые» или «железные» воды).

4. Своеобразные кислородные микробарьеры в луговых и болотных поч-вах – трубчатые железистые стяжения, формирующиеся вокруг отмерших кор-ней растений, по которым атмосферный кислород проникал в оглеенные горизонты («роренштейны»).

85

3.2.3 Глеевые барьеры

Возникают в тех случаях, когда на участки с восстановительной бессеро-водородной обстановкой попадает поток кислородных или глеевых вод. Если на барьер поступают глеевые воды, величина Еh понижается, и слабоглеевая обстановка сменяется сильноглеевой. Глеевые условия возникают на участках разложения органических веществ без доступа кислорода или при его недоста-точном поступлении, а также в зонах поступления водорода по разломам из глубинных слоёв. Показателями глеевой обстановки может служить наличие углеводородов (чаще всего СН4), а в водных потоках, кроме того, растворенных органических соединений, Fe2+, H2. Горные породы глеевой обстановки имеют белую, сизую, серую и зелёную окраски. При переходе Fe2+ в Fe3+ окраска резко меняется, становясь ржаво-бурой.

Пример глеевых барьеров – краевые части болот. Из поверхностных кис-лородных вод в этих частях, при смене окислительной обстановки глеевой начинается осаждение Сu, Mo, U, Ag, Cr, V, As. На глеевых барьерах, как пра-вило, чётко выражена их двусторонность. Кроме рассмотренного потока кис-лородных вод, из глеевой зоны идёт встречная миграция элементов, подвижных в бескислородной обстановке. К их числу относится Со, концентрирующийся за пределами глеевой зоны на кислородном барьере.

3.2.4 Щелочные барьеры

Формируются на участках, где кислая среда сменяется щелочной, сла-

бощелочная – резкощелочной или сильнокислая – слабокислой, т. е. возникают при резком скачкообразном увеличении значений рН. Из водных растворов на щелочных барьерах осаждаются многие минералы, относящиеся к карбонатам, гидроксидам, фосфатам, арсенатам, ванадатам.

Примеры щелочных геохимических барьеров: 1. Формирование природных кислых растворов часто связано с окислением

сульфидных руд (рН 2,6–3,0). Если недалеко от рудных тел есть карбонатные по-роды, то в результате их взаимодействия рН растворов, мигрирующих от суль-фидных руд, резко повышается. На небольшом расстоянии кислые воды становятся нейтральными и даже слабощелочными. Кислые воды сульфидных по-лиметаллических месторождений, как правило, обогащены Cu, Zn, Fe, Pb. Так, в водах полиметаллических месторождений Джунгарского Алатау концентрации Pb и Znдостигают 90–100 мкг/л. При поступлении таких вод в карбонатные породы и смешивании их с т. н. «фоновыми водами» на щелочных барьерах происходит

86

отложение сульфатов Zn, Fe, Pb. На этих же участках в донных осадках накапли-ваются Cu, Cd, Ga, Сr, Al и другие рудные элементы (часть из них осаждается в результате сорбции образующимися сульфатами).

2. Щелочные геохимические барьеры образуются в результате встречного движения потоков кислых и слабощелочных вод. Из кислых вод, проникающих сверху, в карбонатном горизонте (месте встречи двух потоков с результирую-щей величиной рН = 8) концентрируются Mo, Mn, Co, Pb, Sr (рис. 4).

Рисунок 4. Накопление химических элементов на щелочном барьере

(по Н. С. Касимову): 1 – карбонатизация; 2 – огипсовывание; 3 – направление движения кислых и слабокислых

растворов; 4 – направление движения слабощелочных растворов

4. Довольно часто щелочные геохимические барьеры формируются в районах с шахтной отработкой месторождений полезных ископаемых. Подав-ляющее большинство шахтных вод имеет кислую реакцию. Это может быть связано с разложением сульфидов и в первую очередь с окислением широко развитого в земной коре сульфида железа:

2FeS2 + 7О2 + 2Н2О → 2FeSО4 + 2H2SO4 4FeSО4 + О2 + 10Н2О → 4Fe (OH) 3 + 4H2SО4.

В шахтных водах кислоты образуются при окислении самородных метал-лов, силикатов, сульфидов и при бактериальном разложении органических ве-ществ. В последнем случае образуются органические кислоты. Откачиваемые из штолен и шахт воды представляют собой техногенный поток кислых растворов

87

ряда химических элементов. При смешивании этих растворов с нейтральными и слабощелочными поверхностными и подземными водами биосферы, а особенно при взаимодействии шахтных вод с карбонатными породами образуются щелоч-ные барьеры. На них, в зависимости от минералогических и геохимических осо-бенностей отрабатываемых месторождений, осаждаются многие тяжёлые металлы, особо токсичные в высоких концентрациях: Рb, Cd, Zn, Hg, As, Co и др.

Так как кислые воды оказывают угнетающее действие на многие расти-тельные и животные организмы, а осаждающиеся на барьерах тяжёлые металлы токсичны для организмов, целесообразно на пути потоков шахтных вод созда-вать техногенные щелочные геохимические барьеры.

3.2.5 Кислые барьеры

Формируются в тех случаях, когда нейтральные и щелочные условия

скачкообразно меняются на слабокислые и кислые, а также при резкой смене слабокислой обстановки на сильнокислую, или даже при резкой смене сильно-щелочных условий слабощелочными, т. е. возникают при резком уменьшении величины рН.

На кислых барьерах чаще концентрируются анионогенные химические элементы, как, например, Si, Ge, Mo и др. Такие барьеры характерны как для условий биосферы, так и для гидротермальных систем.

Пример кислого геохимического барьера – осаждение химических эле-ментов из потока содовых вод. Такие воды чаще всего образуются за счёт об-менных реакций и выветривания натриевых силикатов. В рассматриваемых водных потоках легко растворяются и часто находятся в повышенной концен-трации Мо, V, Se, U, Si, Zr, Ag, Sc, Be, Cu, Al, Cr. Своеобразным кислым барье-ром на пути содовых вод могут стать даже стволы деревьев в аллювиальных отложениях. На участках гниения деревьев вода подкисляется, и возникают ло-кальные кислые микробарьеры, на которых осаждается SiO2. При этом осажда-ющийся кремнезём метасоматически замещает древесину.

3.2.6 Испарительные барьеры

Это участки, на которых увеличение концентрации химических элементов

происходит в результате процессов испарения. Наиболее распространены в ре-гионах с засушливым климатом (пустынях, сухих степях и саваннах), но встре-чаются и в чернозёмных степях и лесостепях. В сухие периоды их временное появление возможно даже в тайге и тундре. Но в этом случае в дождливый пери-

88

од идёт промывание почв, и аномальные концентрации химических элементов на испарительных барьерах могут исчезнуть.

Если грунтовые воды располагаются достаточно глубоко и их уровень не подвержен большим колебаниям, возникает своеобразная солевая зональность: наиболее труднорастворимые соли концентрируются в нижних частях барьера, а легкорастворимые– в верхних. В результате образуются следующие го-ризонты испарительного барьера (снизу вверх):

1. карбонатный – отлагаются труднорастворимые карбонаты; 2. сульфатный, гипсовый – вместе с гипсом осаждаются Sr и Мо; 3. хлоридно-сульфатный – отлагаются Mo, Zn, Cu, Pb, Ва, Sr. При близком к поверхности залегании грунтовых вод возможно совме-

щение всех трёх горизонтов. Примеры испарительных барьеров: 1. Наиболее простой и очень распространённый случай – засоление почв

в результате поднятия уровня грунтовых вод (рис. 5). Грунтовые воды вместе с растворенными в них солями по капиллярам достигают поверхности почв. С поверхности идёт атмосферное испарение вод, а растворенные соли накапли-ваются в почвах. Чем выше концентрация растворимых в воде солей, тем более мощной будет зона барьера и быстрее произойдёт засоление почв. Глубина, с которой возможно капиллярное поднятие вод к поверхности и засоление почв – критический уровень залегания грунтовых вод.

Рисунок 5. Формирование испарительного геохимического барьера в результате подъёма уровня грунтовых вод (по В. А. Алексеенко): 1 – почвы; 2 – первоначальный уровень грунтовых вод; 3 – уровень грунтовых вод,

при котором началось засоление; 4 – высота капиллярного подъёма вод; 5 – испарение воды с поверхности; 6 – зона испарительного геохимического барьера

89

Поднятие уровня грунтовых вод может быть как природным, так и антро-погенным, тогда сформировавшиеся барьеры относятся к техногенным. Техно-генные испарительные барьеры образуются в результате чрезмерного орошения почв, создания водохранилищ в равнинных регионах. К настоящему времени из-за засоления полностью потеряно для сельского хозяйства около 20–25 млн га плодородных земель. На десятках миллионов гектаров в результате засоления значительно понижены урожаи. Особые бедствия связаны с содовым засолени-ем, которое переходит в ранг мировых проблем. Это связано с тем, что сода (Na2CО3 и NaHCО3), концентрирующаяся на содовых испарительных барьерах, вызывает многочисленные изменения в структуре и составе минеральной и ор-ганической частей почв. Величина рН может достигать 11, условия приближа-ются к абиотическим.

2. Испарительные техногенные барьеры с чрезвычайно опасными концен-трациями многих тяжёлых металлов образуются около промышленных отстой-ников, в которые сбрасывают жидкие отходы предприятия химической промышленности. К сожалению, большинство отстойников расположено в поймах рек. На таких участках в периоды паводков и дождей происходит рас-творение солей на барьерах и вынос токсичных веществ в реки, а также загряз-нение пойменных почв (несмотря на ежегодное промывание в период снеготаяния и половодья), приводящее к повышенному накоплению тяжёлых металлов в сельскохозяйственных растениях и увеличению заболеваемости населения.

3.2.7 Сорбционные барьеры

Формируются на участках встречи водного или газового потока с сорбен-

тами. Примеры таких барьеров: 1. Участки, на которых водные растворы, как правило, с концентрацией

ионов, далеко не достигающей насыщения (в этих случаях не идёт осаждение их собственных минералов), встречаются с природными сорбентами: глинами, гу-мусовыми веществами, гидроксидамиFe и Mn. Сорбционные барьеры характер-ны для краевых зон болот (сорбентом является торф), гумусовых и глинистых горизонтов почв, кор выветривания. Содержание в почвах сорбированных гуму-сом и глинистыми частицами элементов часто бывает чрезвычайно высоким (так, в каолините концентрация сорбированной меди может доходить до 0,8 %)

90

2. Сорбционные процессы, происходящие в океане и речных водах – одни из основных процессов, очищающих воды от многих токсичных элементов – также можно рассматривать как формирование громадного сорбционного макробарьера.

3. Сорбционные барьеры таких же громадных размеров формируются в атмосфере. Многочисленные аэрозоли природного и техногенного происхож-дения сорбируют молекулы определённых газов. В результате миграция этих газов существенно ограничивается, т. к. контролируется перемещением сорби-ровавших их аэрозолей и временем нахождения последних в атмосфере. Таким образом, идёт формирование подвижного сорбционного барьера для целого ря-да газов. В свою очередь, сорбированные молекулы газов создают вокруг аэро-золей своеобразную воздушную адсорбционную оболочку. Это позволяет аэрозолям (включая тонкую пыль), адсорбировавшим газы, находиться в возду-хе не 5 суток, как обычно, а до 40 суток. Увеличение срока нахождения в атмо-сфере пыли способствует увеличению дальности её переноса от места поступления до места концентрации на механических барьерах. В итоге могут появиться геохимические аномалии (и в первую очередь техногенные), ото-рванные от источников загрязнения.

4. В атмосфере одновременно с процессами сорбции происходит сталкива-ние и соединение разноимённо заряженных частиц. Эти процессы также приво-дят к образованию в атмосфере сорбционных макробарьеров. Однако в отличие от барьеров, связанных с сорбцией газов, дальность миграции частиц в атмосфе-ре в этом случае не увеличивается, а резко уменьшается, так как происходит укрупнение частиц и увеличение их массы. Скорость осаждения коллоидных ча-стиц в воздухе в 600 раз больше, чем в воде. Следовательно, укрупнение аэрозо-лей приводит к их более локальному осаждению в ландшафтах суши. Чем больше разноимённо заряженных частиц находится над городом, тем чаще они сталкиваются, соединяются и оседают. Это, с одной стороны, уменьшает гло-бальные последствия переноса техногенных аэрозолей, но, с другой стороны, на небольшой территории, обычно с максимальной плотностью населения, оседает максимум загрязняющих веществ, т. е. токсическое действие резко возрастает. Последствия формирования данного техногенного сорбционного барьера отно-сятся к глобальным техногенным явлениям в биосфере.

3.2.8 Термодинамические геохимические барьеры

Формируются при довольно резком изменении давления и температуры в

конкретных геохимических системах. К настоящему времени природные тер-модинамические барьеры преобладают над техногенными. Пример термодина-

91

мического барьера– образование из растворов, продвигающихся по трещинам в горных породах, травертина (карбонат кальция). Процесс проходит при быст-ром падении давления, связанном с раскрытием трещин или приближением (выходом) на поверхность подземных гидрокарбонатно-кальциевых вод. Реак-ция осаждения кальцита может быть представлена следующей схемой:

Са2++2НСО3–= СаСО3↓ + Н2О + СО2↑.

Наиболее известны травертины, образовавшиеся на термодинамических барьерах крупнейших курортов, связанных с минеральными водами (районы Эльбруса и Казбека, горы Горячей в Пятигорске, Карловых Вар).

3.3 Механические барьеры

Механические барьеры – участки резкого уменьшения интенсивности ме-

ханической миграции. Они в основном связаны со вторым типом миграции хи-мических элементов. Перемещение коллоидов и минералов может происходить в воздушной и водной средах, а также на границе сред (скатывание обломков по склонам). Сами барьеры всегда представляют механическую преграду для веществ, перемещающихся в миграционном потоке, их делят в зависимости от форм нахождения мигрирующих веществ и элементов потока, в котором эти вещества перемещаются.

3.3.1 Барьеры для веществ, перемещающихся в водных потоках

На механических барьерах осаждаются переносимые водными потоками

минералы с находящимися в них изоморфными примесями, коллоиды с сорбиро-ванными ими веществами, живые и отмершие животные и растительные ор-ганизмы, техногенные соединения, не имеющие природных аналогов. Осаждение минералов происходит практически на всем протяжении водных потоков, посто-янных и временных, которые могут быть на суше (реки, ручьи и т. д.) и в Океане (течения, прибой). На природных барьерах идёт дифференциация в зависимости от массы перемещаемых обломков. У обломков одного размера дифференциация происходит по удельному весу. Большое влияние могут оказывать ландшафтно-геохимические особенности места расположения барьера.

За счёт дифференциации на природных барьерах, осаждающих минералы, могут формироваться высокие концентрации отдельных минералов. В случае их промышленных запасов образуются россыпные месторождения самородных Аu и Pt, алмазов, гранатов, цирконов и т. д. Иногда промышленную ценность представляют изоморфные примеси, содержащиеся в основных минералах рос-сыпей (примером может служить Hf, извлекаемый из циркона).

92

Протяжённые россыпи образуются в прибрежных зонах морей благодаря гидродинамической деятельности морских вод. Многие из таких россыпей имеют большое промышленное значение.

Как правило, природные концентрации химических элементов на меха-нических барьерах, осаждающих минералы, не представляют опасности для живых организмов, так как элементы находятся в труднорастворимых ми-нералах. Техногенные барьеры, осаждающие минералы, в основном связаны с гидротехническими сооружениями. Чаще всего это плотины, перегораживаю-щие реки. Поскольку они преграждают путь как мелким, так и крупным облом-кам, то дифференциация веществ на этих техногенных барьерах гораздо меньше, чем на природных. Промышленных скоплений каких-либо элементов на таких техногенных барьерах пока не выявлено. При большой скорости от-ложения обломочного материала происходит быстрое заполнение водохрани-лищ терригенным материалом, и строительство плотин теряет смысл.

Строительство плотин в нижних частях рек и возникновение на них ме-ханических барьеров препятствуют выносу терригенного материала в моря. Это приводит к разрушению пляжей. Т. к. практически все крупные реки севе-ро-западной части бассейна Чёрного моря перегорожены плотинами, для предотвращения разрыва пляжей в прибрежных ландшафтах этой части моря создаются (с учётом морских течений) специальные железобетонные соору-жения, которые не только предотвращают размыв, но и способствуют восста-новлению пляжей. Таким образом, создаются новые механические техногенные барьеры. На техногенных барьерах, связанных с плотинами (осо-бенно в водохранилищах на равнинах), происходит интенсивное отложение глинистых коллоидных частиц.

Концентрация живых организмов, переносимых водными потоками, на механических барьерах относительно невелика. Гораздо больше на механиче-ских барьерах отлагается отмерших организмов (например, при формировании морских пляжей).

Механические барьеры, осаждающие техногенные соединения, начали развиваться только в последнее время, когда значительная масса твёрдых тех-ногенных соединений стала попадать в водные потоки. Концентрация соедине-ний, не имеющих природных аналогов, происходит как на техногенных, так и на природных механических барьерах. Размеры и масса отдельных обломков колеблются в очень больших пределах (от обломков различных механизмов и автомобильных покрышек до пробок от бутылок и синтетических пакетов), они осаждаются на барьерах практически по всей протяжённости загрязнённых по-

93

стоянных и временных потоков, а также на пляжах. Масса техногенных ве-ществ, накапливающихся на механических барьерах, возрастает, и их ликвида-ция становится одной из важнейших экологических задач.

3.3.2 Барьеры для веществ, перемещающихся в воздушных потоках

Из воздушных потоков на механических барьерах осаждаются обломки

минералов, растворенные газовые смеси и пары, твёрдые коллоидные частицы, животные и растительные организмы, техногенные соединения. Как правило, эти барьеры относятся к природным.

При переносе в воздушных потоках паров воды барьерами обычно служат горные системы. Классическим примером является район города Рио-де-Жанейро (Бразилия), зажатый между горами и Атлантическим океаном. Выпа-дение на барьере из облаков осадков в виде дождя приводит к экологическим бедствиям, гибели сотен людей, огромному экономическому ущербу. Ката-строфические наводнения в этом районе, связанные с продолжительными лив-нями, происходят довольно часто. Подобных барьеров на земном шаре много, однако из-за высокой плотности населения (в районе проживает более 10 млн человек) особо выделяется именно этот участок.

Осаждение обломков минералов (песка), переносимых в воздушных потоках, часто происходит на мезобарьерах. Пример такого, но перемещающегося барьера – дюны. Скорость их передвижения в разных районах колеблется от 18 до 35 м в год. Обломки минералов переносятся и в агроландшафтах во время сильных пыльных бурь. В этом случае (при уменьшении силы ветра) началом формирующегося меха-нического барьера могут стать деревья, кусты, телеграфные столбы и т. д.

Широко распространены механические барьеры, на которых отлагаются коллоидные частицы, перемещающиеся в воздушных потоках. Часто на таком барьере откладываются и мелкие обломки минералов, но основную часть обычно составляют коллоиды (пыль). После пыльных бурь высота валов пы-ли, отложившейся на механических барьерах (Краснодарский край, 1969 г.), доходила до 5 м. В этих условиях огромное значение имеет создание полеза-щитных лесополос.

Концентрация на механических барьерах относительно крупных орга-низмов происходит совместно с мелкими обломками минералов, а споры и пыльца растений и бактерии часто прекращают миграцию вместе с неорганиче-скими коллоидными частицами. Хотя по массе количество живых организмов, осаждающихся на барьерах, чрезвычайно мало, но роль таких барьеров в разви-тии биосферы значительна.

94

Осаждение на механических барьерах техногенных соединений, мигри-рующих в воздушных потоках, все возрастает, приводя к ухудшению состояния окружающей среды.

3.4 Биогеохимические барьеры

Биогеохимические барьеры – накопление химических элементов расти-тельными и животными организмами. Связаны в основном с первым типом ми-грации и относятся к числу наиболее распространённых в биосфере. Концентрация химических элементов на биогеохимических барьерах является частью биологического круговорота этих элементов. На биогеохимических ба-рьерах происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов под воздействием организмов. Это может быть относительно крат-ковременное накопление химических элементов растительными и животными организмами. После их отмирания сконцентрировавшиеся элементы практиче-ски сразу вовлекаются в процесс миграции и в первую очередь в биологический круговорот. Возможны и захоронения отмерших организмов. Тогда нако-пившиеся в них элементы могут быть связанными сотни миллионов лет. В та-ких случаях они находятся в залежах угля, торфе, органическом веществе, рас-сеянном в осадочных породах.

Биомасса растений примерно в 1 000 раз больше зоомассы, поэтому большая масса веществ накапливается на биогеохимическом барьере, представ-ленном растениями. Выделяемую отдельно зоомассу можно рассматривать как своеобразный подвижный барьер, влияние которого на миграцию элементов и на биологический круговорот в биосфере гораздо меньше, чем барьеров, свя-занных с растениями. Однако на жизнь людей процесс накопления химических элементов животными организмами и его последствия оказывают чрезвычайно большое влияние, т. к. животные относятся к числу основных продуктов пита-ния. Установлено, что 90–95 % наземной зоомассы приходится на долю беспо-звоночных организмов. Отношение зоомассы травоядных к зоомассе плотоядных всегда близко к 100.

Наибольшая масса веществ концентрируется за год на природных био-геохимических барьерах в ландшафтах лесов. Агроландшафты являются зона-ми развития техногенных биогеохимических барьеров. Бóльшая (по сравнению с природными барьерами) выборочность концентрации определённых элемен-тов объясняется развитием монокультур и подбором растений, концентрирую-щих определённые вещества.

95

Концентрация веществ на биогеохимических барьерах в океане ещё более неравномерная. В прибрежных районах и на участках поднятия глубинных вод, обогащённых питательными веществами, она гораздо выше, чем в удалённых от суши водах экваториального пояса (в десятки или сотни раз).

Накопление химических элементов на различных биогеохимических барь-ерах можно рассматривать как концентрацию элементов в различных животных и растительных организмах. Суммарное количество каждого из элементов, со-ставляющих живые организмы, определяется сложным сочетанием целого ряда факторов, которые условно можно объединить в три большие группы:

Внутренние биохимические факторы, определяемые биологическими особенностями конкретного вида организмов:

1. Для разных видов растений и животных характерны различные концен-трации элементов. Содержание одного и того же элемента в разных видах рас-тений, произрастающих в одинаковых условиях, может различаться в 5 раз. Эта особенность у растений сохраняется и даже усиливается в условиях катастро-фического загрязнения почв − обычное содержание элементов превышается в десятки и сотни раз. Концентрация элементов в различных видах животных (особенно в их скелетах) отличается ещё больше, иногда на несколько поряд-ков. Так, скелет ряда фораминифер состоит практически из СаСО3, большин-ства радиолярий – из SiO2, а радиолярий отряда Acantharia – из SrSO4. Существуют организмы концентраторы и деконцентраторы определённых эле-ментов (обычно тяжёлых металлов). Во-первых, данный элемент всегда (неза-висимо от содержания в питательной среде или продуктах питания) находится в резко повышенных концентрациях, а во-вторых – в пониженных.

2. Концентрация элементов различна в разных органах растительных и жи-вотных организмов. Иногда в одном и том же организме она может изменяться в десятки раз, возможно даже образование минералов (неорганических кристаллов кальцита, арагонита, гидроксиапатита; сульфатов, оксалатов, кремнезёма и даже магнетита) с очень высокими концентрациями ряда элементов.

3. В одном и том же органе концентрация химических элементов суще-ственно изменяется в зависимости от фазы развития органа и возраста организ-ма (например, содержание свинца в васильке в зависимости от фазы развития изменяется в 3–4 раза; в старых берёзах содержание цинка в 1,5–2 раза выше, чем в молодых; концентрация элементов в скелетах животных также изменяет-ся в зависимости от возраста животных). При этом могут изменяться не только концентрации, но и форма нахождения элементов: из растворов и сложных ме-таллоорганических соединений они переходят в минеральную форму (обычно в скелетные образования).

96

4. Содержание многих элементов в организме зависит от биологических закономерностей связи между элементами. Изменение концентрации в орга-низме одного элемента вызывает изменение содержания другого. Это объясня-ется и биологической ролью этих элементов в организме, и особенностями строения ионов поглощаемых элементов. Так, связь между содержаниями Рb и Мо в растениях может объясняться биологическим значением этих элементов. При небольших (фоновых) поступлениях Рb в растение в нем увеличивается и содержание Мо, т. к. молибден входит в состав многочисленной группы фер-ментов энергетического обмена клеток, а свинец их ингибирует. Положитель-ная корреляция содержаний этих металлов в растении является свидетельством нормальной жизнеспособности организма, отвечающего на токсичный свинец усиленным образованием ферментов. Избыточное поступление свинца в расте-ние (у разных видов пороговые значения разные) нарушает ранее существо-вавшие закономерные связи, развитие организма становится угнетённым, и ко-личество молибдена, необходимого растению, уменьшается. Начинает отчётли-во проявляться отрицательная корреляция между содержаниями этих металлов. В результате такого явления появляются отрицательные биогеохимические аномалии молибдена в растениях над полиметаллическими месторождениями и над участками с техногенным загрязнением почв свинцом.

В других случаях связь между элементами в организмах объясняется хи-мическими свойствами ионов (одинаковая валентность, близкие значения ион-ных радиусов, потенциалов ионизации ит. д.). Например, в костях животных и человека не только при избытке в ландшафте стронция, но и при недостатке кальция происходит резкое, в 5–8 раз, возрастание концентрации стронция. При этом возникает тяжёлое заболевание.

5. У многих организмов ярко выражен биологический барьер накопления определённых элементов. Организмы, у которых его нет, при резком повыше-нии содержания этих элементов в среде или в продуктах питания погибают. Внешние ландшафтно-геохимические факторы, определяемые условиями среды обитания (произрастания) организмов: состав горных пород, рельеф, особенности воздушной миграции. Влияют на содержание химических элемен-тов в растениях, а через растения – на накопление химических элементов в жи-вотных организмах, включая человека. Особая роль принадлежит почвам. Так как основная часть минеральных веществ поступает через корни, то избы-ток или недостаток определённых элементов в почве сказывается на их содер-жании в растениях. На данной закономерности основан биогеохимический метод поисков месторождений полезных ископаемых: по содержанию элемен-тов в растениях определяют участки с высокой концентрацией элементов в почвах и подстилающих их горных породах.

97

Скорость накопления растениями химических элементов, загрязняющих определённые зоны, зависит и от размера загрязняющих частиц. Это ещё раз было подтверждено последствиями чернобыльской катастрофы. В тех районах, куда радионуклиды попадали в виде тонкой пыли, они накапливались растени-ями гораздо активнее, чем в зонах поражения более крупными обломками.

Внутренние кристаллохимические факторы, определяемые свойствами ионов, входящих в состав растений и животных – это энергетические коэффи-циенты химических элементов (ЭК). С увеличением ЭК резко уменьшается их относительное биологическое накопление. Для растений одним из основных показателей накопления элементов является коэффициент биологического по-глощения(КБП), показывающий, во сколько раз содержание элемента в золе определённых организмов (или вообще живых организмов) больше или мень-ше, чем в литосфере (в конкретной горной породе или почве).

3.5 Социальные геохимические барьеры

По аналогии с социальной миграцией, понятие «социальный геохимиче-

ский барьер» объединяет зоны складирования и захоронения промышленных и бытовых отходов. Социальные барьеры объединяет с природными то, что на них также прекращается перемещение ряда веществ, участвующих в опреде-лённом виде миграции – социальной (техногенной). Как и на других барьерах, здесь прекращают миграцию не все участвующие в ней вещества.

Образование социальных барьеров и состав накапливающихся на них ве-ществ являются отражением уровня развития, как определённого сообщества людей, так и всего человечества. Широкое распространение и все возрастающее негативное воздействие этих барьеров на окружающую среду и на здоровье че-ловека требуют их самостоятельного выделения и детального эколого-геохимическое изучения.

Особенности социальных барьеров: – Барьеры созданы искусственно там, где в природных условиях они не

возникали, по крайней мере, для тех веществ, которые на них концентрируются. Социальные барьеры отличаются от ранее рассмотренных техногенных по спе-цифике концентрации веществ и способу образования (вывоз и складирование).

– Концентрирующиеся на них вещества не объединяются ни одним об-щим физическим или химическим свойством (а это является обязательным условием концентрации веществ на природных и техногенных барьерах.) Все вещества на социальных барьерах объединяет только одно условие: ненужность обществу на данном этапе его развития.

98

– Химические элементы (соединения), накапливающиеся на социальных барьерах в повышенных концентрациях, не соответствуют ни одной природной ассоциации, характерной для пород, руд, организмов. Так, в одном месте могут быть обнаружены Ni и Ba, не встречающиеся вместе в минералах, или Сu и Мn, также относящиеся к запрещённой ассоциации. Это объясняется тем, что нахождение элементов на социальных барьерах никак не связано с процессами природной миграции, определяемыми внешними и внутренними факторами.

– Распределение химических элементов на барьере крайне неравномер-но. Так, уже на первых метрах содержание многих металлов изменяется в сотни и тысячи раз, приводя к их мозаичному распределению на территории, что обычно не характерно для биосферы.

– На барьерах, занимающих большую площадь (крупные свалки), неравно-мерно распределяются отдельные участки с различной геохимической обстановкой. Они отличаются режимом кислорода и серы (наряду с кислородной встречаются глеевая и сероводородная обстановки), щелочно-кислотными условиями. Все это создаёт условия с непрогнозируемыми процессами миграции химических элемен-тов, как на самом барьере, таки в окружающих его ландшафтах.

– Чрезвычайно высокая концентрация элементов в форме самых разно-образных техногенных соединений, не имеющих природных аналогов.

– Миграция химических элементов от рассматриваемых барьеров идёт в основном в виде растворов, а для ряда соединений – в газообразной форме. Скорость миграции может быть самой различной в зависимости от климата, ландшафтно-геохимических (в основном гидрологических и гидрогеологиче-ских) и температурных условий, которые часто определяются различными хи-мическими реакциями и горением свалок.

3.6 Комплексные геохимические барьеры

Комплексные геохимические барьеры образуются за счёт наложения друг на друга нескольких различных барьеров. По распространённости занимают одно из первых мест среди природных барьеров. Так, широко распространены, особенно в горных районах, кислородные барьеры – родники с выходом на по-верхность глеевых вод. Осаждающиеся из них гидроксиды Fe3+ являются хоро-шими сорбентами ряда металлов, и процесс осаждения этих коллоидов является началом формирования нового геохимического барьера – сорбционного. По-этому опробование «ржавой мути», осевшей на дне источников, даёт информа-цию о концентрации металлов в родниковой воде, т. е. о гидрогеохимической обстановке в районе распространения этих глеевых вод.

99

О массе веществ, концентрирующихся на комплексных барьерах, об их распространённости в пространстве и во времени можно судить хотя бы потому, что подавляющее большинство месторождений полезных ископаемых образо-валось именно на комплексных геохимических барьерах.

Часто появление одного геохимического барьера вызывает возникно-вение второго, а их совместное положение – третьего и т. д. Такая геохимиче-ская особенность существует в районах создаваемых техногенных и социаль-ных геохимических барьеров. Её необходимо учитывать, формируя новые барьеры. Делается это далеко не всегда. Так, при создании водохранилища обычно учитывается только возникновение механического барьера, на котором задерживается обломочный материал, переносимый реками. С этим связано «заиливание водохранилищ», а, следовательно, срок их использования. Однако у плотин происходит задерживание многих планктонных и бентосных организ-мов. Их усиленному росту обычно способствуют повышенная температура хо-рошо прогреваемых вод водохранилища и поступление удобрений. В резуль-тате у плотины возникает биогеохимический барьер.

Рисунок 6. Схема образования комплексных геохимических барьеров

во впадинах Красного моря (по данным Д. Л. Бишоффа)

Контрольные вопросы 1.Дайте определение геохимических барьеров (по А. И. Перельману). 2.Расскажите об основных типах геохимических барьеров. На какие клас-

сы они разделяются? 100

3.Какими величинами можно количественно охарактеризовать геохими-ческие барьеры?

4.Сформулируйте принцип торможения химических реакций (принцип Перельмана). Какие элементы в соответствии с этим принципом называются избыточными, какие – недостаточными?

5.Сероводородные барьеры, их распространение в биосфере. 6.Под влиянием каких факторов образуются в биосфере глеевые барьеры?

Приведите примеры. 7.На каких участках биосферы возникают щелочные барьеры? Приведите

примеры. 8.Как формируются испарительные барьеры? Почему важно изучение ис-

парительных барьеров для решения экологических проблем? 9.Расскажите о сорбционных барьерах. Приведите примеры возникнове-

ния различных сорбционных барьеров. 10.Расскажите о возникновении термодинамических барьеров. Приведите

примеры. 11.В каких условиях формируются механические барьеры для веществ,

перемещающихся в водных потоках? 12.Как возникают механические барьеры для веществ, перемещающихся

в воздушных потоках? 13.Расскажите о формировании биогеохимических барьеров. 14. Каковы отличия техногенных биогеохимических барьеров от природных? 15.Расскажите об основных факторах концентрации элементов на био-

геохимических барьерах. 16.Как происходит формирование социальных геохимических барьеров? 17.Каковы геохимические особенности социальных барьеров? 18.Расскажите о многосторонних и комплексных барьерах. Как образуют-

ся комплексные барьеры?

101

4. ГЕОХИМИЯ ПРИРОДНЫХ ЛАНДШАФТОВ

4.1 Ландшафтно-геохимические системы

По уровням организации и тесноте связей ландшафтно-геохимические системы подразделяются на элементарные и сложные (каскадные) системы.

1. Элементарные ландшафтно-геохимические системы (элементарные ландшафты). Элементарный ландшафт представляет один определённый тип рельефа, сложенный одной породой или наносом и покрытый в каждый момент своего существования определённым растительным сообществом. Все эти условия создают определённую разность почвы и свидетельствуют об одинако-вом на протяжении элементарного ландшафта развитии взаимодействия между горными породами и организмами (Б. Б. Полынов). Характерная особен-ность элементарного ландшафта – в нем нет каких-либо внутренних причин, ограничивающих его размеры. Отсюда критерий выделения элементарного ландшафта: при отнесении какого-либо участка земной поверхности к элемен-тарному ландшафту необходимо учитывать возможность (хотя бы мысленную) распространения данного элементарного ландшафта на значительно большей территории. Поэтому пятно солончака площадью 10 м2 является элементарным ландшафтом, т. к. известны солончаки размером в десятки и сотни раз больше. Элементарными ландшафтами являются такыр, ельник-зелёномошник на валун-ных суглинках, луговая степь на лёссах и т. д., размеры которых изменяются от квадратных метров до сотен и тысяч квадратных километров. Однако на земной поверхности встречаются образования, размеры которых ограничены самой их природой. Так, кочку на болоте нельзя представить увеличенной в сотни и тыся-чи раз. Это относится и к муравейнику, дереву, норе землероя – деталям ланд-шафта, входящим в состав элементарного ландшафта.

Наименьшая площадь, на которой размещаются все части элементарного ландшафта – площадь выявления. Чем сложнее элементарный ландшафт, чем интенсивнее в нем протекает миграция химических элементов, чем больше ви-довое и прочее разнообразие, т. е. чем больше в нем информации, тем больше и площадь выявления. Поэтому наименьшие площади выявления характерны для пустынь без высшей растительности (шоровые солончаки, такыры), а наиболь-шие – для лесных ландшафтов влажных тропиков с их огромным видовым раз-нообразием (биологической информацией). Площадь выявления – важная константа для классификации элементарных ландшафтов.

Мощность элементарного ландшафта – расстояние от его верхней до нижней границы. Верхняя граница находится в тропосфере и определяется зоной

102

распространения пыли земного происхождения (из данного или соседнего ланд-шафта). Нижней границей в ряде случаев является горизонт грунтовых вод (включительно). На практике при сравнении мощности нескольких ландшафтов берётся расстояние от грунтовых вод до максимальной высоты произрастающих в этом ландшафте растений. Также часто сравниваются отдельно мощности надземных и подземных частей ландшафтов. Мощность элементарного ланд-шафта колеблется в значительных пределах, и, в общем, подчиняется тем же за-кономерностям, что и площадь выявления: чем разнообразнее элементарный ландшафт, т. е. чем больше в нем информации и чем она сложнее, тем больше и мощность (мощность мала на такыре и велика в экваториальном лесу).

Вследствие миграции химических элементов элементарный ландшафт неоднороден в вертикальном направлении, что создаёт радиальную геохимиче-скую структуру(ярусы). Не все ярусы имеются в каждом элементарном ланд-шафте. В некоторых из них отсутствует водоносный горизонт (он находится за пределами ландшафта), в других он совмещён с почвой (поймы, некоторые бо-лота), в-третьих, кора выветривания совмещена с почвой и т. д. Каждый ярус отличается от другого химическим составом. Вертикальная дифференциация характерна и для отдельных ярусов. Так, горизонты одной и той же почвы об-ладают различным составом и различными физико-химическими условиями. Не менее дифференцирован и растительный покров, состоящий из ярусов (напри-мер, ярус мхов и ярус деревьев в тайге). Наиболее контрастна в вертикальном профиле элементарного ландшафта дифференциация подвижных форм химиче-ских элементов. Поэтому резкая дифференциация вещества и физико-химических условий по вертикали составляет характерную особенность эле-ментарного ландшафта, его структуру. Чем сложнее структура ландшафта, чем больше в нем ярусов, горизонтов, природных тел, тем он разнообразнее, т. е. обладает большим количеством информации.

По особенностям миграции, определяемым рельефом, выделяют три ос-новных рода элементарных ландшафтов:

Элювиальные (автономные) ландшафты – приурочены к плоским водо-разделам с глубоким залеганием грунтовых вод, не оказывающих заметного влияния на БИК. Вещество и энергия поступают из атмосферы и через атмо-сферу. Характерны прямые нисходящие водные связи. В элювиальных почвах происходит вмывание растворимых веществ и образование иллювиальных го-ризонтов. Каким бы плоским ни был водораздел, все же с него возможен смыв, поэтому в ходе своей истории почва постепенно теряет верхнюю часть гори-зонта А, и почвообразовательные процессы глубже проникают в подстилаю-щую породу. По образному выражению Б. Б. Полынова, «водораздельные почвы

103

как бы разъедают эти водоразделы и снижают их превышение над базисом эро-зии». Если формирование ландшафтов продолжается в течение геологически длительного времени, и вынос протекает непрерывно, то под почвой образуется мощная кора выветривания различного типа (латеритная, краснозёмная, каоли-новая и т. д.). Элювиальные условия определяют жизненные формы организмов и их видовой состав.

Супераквальные (надводные) ландшафты отличаются близким залегани-ем грунтовых вод. Последние оказывают существенное влияние на ландшафт, т. к. поднимаются к поверхности в результате испарения и поставляют различ-ные вещества, вымытые из коры выветривания и почв водоразделов. В су-пераквальных ландшафтах возможно значительное накопление химических элементов, обладающих наибольшей миграционной способностью. Пример су-пераквальных ландшафтов – солончаки с аккумуляциями сульфатов, соды, хло-ридов, нитратов и других солей.

Субаквальные (подводные) ландшафты характеризуются приносом матери-ала с твёрдым и жидким боковым стоком: речной или озёрный ил растёт снизу вверх и может быть не связан с подстилающей породой. В водоёмы поступают химические элементы с прилегающих водосборов, в первую очередь наиболее по-движные элементы, накопление которых типично для субаквальных ландшафтов. Местами поступает избыточное количество растворимых соединений, с которыми организмам приходится вести борьбу. Условия разложения органических остатков в элювиальных и надводных ландшафтах различны, как и получающиеся продук-ты (вместо гумуса образуется сапропель).

Продукты выветривания и почвообразования элювиального ландшафта поступают с поверхностным и подземным стоком в пониженные элементы рель-ефа и влияют на формирование надводных и подводных ландшафтов. Поэтому последние называются подчинёнными. Ландшафты водоразделов, напротив, ме-нее зависят от надводных и подводных ландшафтов, т. к. не получают от них химических элементов с жидким или твёрдым стоком. Поэтому элювиальные ландшафты водоразделов называются также автономными. Независимость ав-тономных ландшафтов от надводных и подводных весьма условна, т. к. поймы и водоёмы оказывают определённое влияние на ландшафты водоразделов через циркуляцию водяных паров, распространение туманов, перенос ветром различ-ных соединений, содержащихся в воздухе, миграцию флоры и фауны с прибреж-ных участков на водораздельные и т. д. Поэтому автономность водоразделов понимается именно в смысле отсутствия поступления жидкого и твёрдого стока от надводных и подводных ландшафтов. Таким образом, различия между авто-номными (элювиальными), надводными и подводными ландшафтами заключа-

104

ются в характере аккумулятивных процессов и водных связей: в автономных аккумуляция связана с поступлением веществ из горных пород и атмосферы, а в надводных и подводных ещё имеет место поступление из грунтовых и поверх-ностных вод.

Наряду с основными элементарными ландшафтами существуют много-численные переходные формы, приуроченные к склонам, поймам рек и т. д.

Помимо элювиальных (автономных, водораздельных) различают: – Трансэлювиальные (ландшафты верхних частей склонов); – Трансаккумулятивные (нижних частей склонов); – элювиально-аккумулятивные (нижних частей склонов и сухих ложбин); – аккумулятивно-элювиальные (местных замкнутых понижений с глу-

боким уровнем грунтовых вод). Супераквальные ландшафты делят на: – транссупераквальные (склоны надводных ландшафтов, сюда же отно-

сят пойменные ландшафты); – собственно супераквальные (замкнутые понижения со слабым водо-

обменом). Субаквальные ландшафты делят на: – трансаквальные (реки, проточные озера, водохранилища, дельтовые

болота); – аквальные (непроточные озера и моря). Это общая классификация и для природных, и для техногенных ландшафтов. 2. Каскадные ландшафтно-геохимические системы. Системообразую-

щую роль в сопряжённых почвах и элементарных ландшафтах играет миграция химических элементов. В районах со стоком водоразделы, склоны, долины, во-доёмы образуют единое целое – геохимический ландшафт – парагенетическую ассоциацию сопряжённых элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией элементов. Примером геохимического ландшафта может служить степной мелкосопочник с солёным озером в понижении и солончаками по бере-гам этого озера; участок моренного рельефа в таёжной зоне, включающий хол-мы, покрытые хвойным лесом, заболоченные понижения, озера, реки.

Характерное для каждого геохимического ландшафта закономерное соче-тание элементарных ландшафтов называется его геохимическим сопряжением. Это присущий геохимическому ландшафту тип обмена веществ, энергии и ин-формации между элементарными ландшафтами.

Для геохимического ландшафта также характерны площади выявления, мощность, структура (комплекс элементарных ландшафтов и их геохимическое сопряжение), морфологические признаки. Чем больше площадь выявления,

105

мощность, сложнее структура, пестрее окраска, тем больше разнообразия (ин-формации) в ландшафте.

Различные части ландшафта тесно связаны между собой. Изменения в определённой части (ярусе) геохимического ландшафта скажутся практиче-ски во всех его частях счёт связей между ними.

Пример – рубки лесов на Западном Кавказе: изменения, затронувшие пер-воначально только растительные сообщества, постепенно охватывают весь ландшафт. Первый результат антропогенного воздействия на ландшафт – исчез-новение леса. На его месте остаются кустарники и молодая поросль ранее произ-раставших здесь деревьев. При этом меняется количество биомассы в ландшафте, а видовой состав остаётся в целом прежним. Но одновременно с ис-чезновением леса на вырубках изменяется водный режим и начинается процесс заболачивания, при котором в почвах кислородная обстановка начинает сме-няться глеевой. При этом по обе стороны всей границы болот возникают глеевый и кислородный барьеры, на которых осаждаются соответствующие элементы. Все это происходит без непосредственного воздействия на почвы. Результат данного (вторичного) процесса – полная смена растительности. На местах сплошной вырубки дубово-буковых лесов появляются заболоченные луга с пре-обладанием щучки, осоки и т. п. Часто по краям возникают заросли зверобоя и дербенника, сменяющиеся тёрном, а потом осиной. Со временем ландшафт ду-бово-буковых лесов, постепенно саморазвиваясь, даже после одноактного и не-продолжительного антропогенного воздействия переходит в ландшафт болот, а затем снова в ландшафт лесов, но уже осиновых.

Основные следствия рассматриваемого закона: 1. Нельзя техногенным путём произвести изменения только в одной ча-

сти яруса геохимического ландшафта. Это следствие надо иметь в виду при планировании, казалось бы, незначительных изменений в окружающей среде, например, замене растительных сообществ.

2. Последствия многих антропогенных изменений, недавно происшедших только в одной части геохимического ландшафта, ещё могли не сказаться в остальных его частях. Эти последствия необходимо прогнозировать.

3. Изменения ландшафтно-геохимической обстановки, вызванные вывет-риванием месторождений полезных ископаемых, как правило, начались доста-точно давно и уже сказались во всех частях ландшафтов. Это следствие позволяет при поисках месторождений использовать и геоботанический, и лю-бой из геохимических методов поиска.

Коренные изменения ландшафтно-геохимической обстановки (смена одно-го ландшафта другим) сказываются в соседних ландшафтах, при отсутствии

106

непосредственного воздействия на них, за счёт связей между ними. Причиной первичных коренных изменений могут быть природные катаклизмы (пожары, селевые потоки и т. д.) и интенсивные антропогенные процессы (строительство водохранилищ, распахивание степей и т. д.). Один из многочисленных приме-ров действия этого закона – развитие изменений в паре супераквальный – ак-вальный ландшафт. Вырубка лесов у водохранилищ и прудов (т. е. смена лесных ландшафтов степными или сельскохозяйственными) способствует уси-ленному сносу почв и удобрений в эти водоёмы. В результате происходит их обмеление, усиленный прогрев вод и очень быстрый рост водорослей. Даль-нейший процесс эвтрофикации приводит к изменению ландшафтно-геохимической обстановки в водохранилище и появлению новых водных ландшафтов. Они могут отличаться от ранее существовавших по продуктивно-сти; окислительно-восстановительной обстановке (в донных отложениях и при-донном слое при разложении массового количества водорослей может возник-нуть бескислородная глеевая обстановка) ; изменению геоморфологической обстановки (трансаквальные ландшафты с преобладанием механического пере-носа материала могут перейти в трансаккумулятивные с преобладанием отло-жения осадков) ;составу донных отложений (в равнинных условиях возможно увеличение количества тонкой фракции осадков, а в горных – более грубых). Со временем может наступить предельная степень изменений – за счёт уско-ренного поступления материала, вызванного уничтожением прибрежных лес-ных ландшафтов, произойдёт полное заиливание водохранилищ и прудов.

Основные следствия рассматриваемого закона: 1. Нельзя заменить одни или группу геохимических ландшафтов другими,

не вызвав изменений в ландшафтно-геохимической обстановке в соседних ландшафтах, даже без непосредственного воздействия на них.

2. Революционные (катастрофические) воздействия на отдельных участ-ках биосферы постепенно вызовут эволюционные изменения в соседних участках.

Без учёта рассматриваемого закона и следствий, вытекающих из них, не-возможно рациональное использование природных ресурсов. Очень дорого стоит исправление ошибок, возникших при реализации проектов, не учитыва-ющих эти законы (создание крупных водохранилищ в равнинных частях стра-ны, сплошная рубка леса на Кавказе и т. д.)

Природные системы с однонаправленными потоками вещества называют каскадными системами. Каскадными системами являются водосборные бас-сейны. По М. А. Глазовской, каскадные ландшафтно-геохимические системы (КЛГС) – это такие парагенетические ассоциации элементарных ландшафтно-геохимических систем, целостность которых определяется потоками вещества,

107

энергии и информации от верхних гипсометрических уровней рельефа к ниж-ним. Каскадные ЛГС разнообразны по структуре, протяжённости, типам функ-ционирования: от простых водосборных бассейнов малых рек до бассейнов высоких порядков (Волги, Оби и др.).

1. Наиболее просто организованная каскадная система – катена – геохими-ческое сопряжение элементарных ландшафтов на склоне. Это не только топо-графический ряд почв и ландшафтов, но и отражение всех почвенных и склоно-вых процессов и явлений, образующих более сложные системы, чем элементар-ные ландшафты. Монолитные катены располагаются обычно в каскадных системах водосборных бассейнов 1–2 порядков, где геохимия супераквальных ландшафтов определяется миграцией веществ из автономных ландшафтов. Это геохимически подчинённые катены. В каскадных системах более высоких поряд-ков формируются в основном гетеролитные катены. Вещество в них поступает из других ландшафтов – геохимически слабоподчинённые катены.

2. Водосборный бассейн – следующий по сложности уровень каскадных систем. Наименьшие водосборы – речные долины первого порядка – представ-ляют собой каскадные системы первого порядка (КЛГС1) и в большинстве слу-чаев соответствуют геохимическим ландшафтам (но понятие геохимического ландшафта шире, т. к. он может и не включать водосборный бассейн, например, в пустынях). Каждая КЛГС1 состоит как минимум из двух склоновых катен с общим днищем. Обычно число катен в каскадных системах первого порядка несколько больше (3–7). Речным бассейнам второго, третьего и более высоких порядков соответствуют КЛГС этих же порядков. В зависимости от закрытости или открытости аккумулятивных звеньев М. А. Глазовская выделяет каскадные системы рассеяния и концентрации. Последние она именует ландшафтно-геохимическими аренами. В зависимости от порядка водосборных бассейнов выделяют микро-, мезо-, макро- и мегаарены. Региональные КЛГС речных бас-сейнов более высоких порядков (макро- и мегаарены) всегда гетеролитны.

3. Наиболее крупная каскадная система – «континент – океан». Важная её особенность – локализация миграционных процессов в бассейнах крупней-ших рек; 12 рек мира с максимальными модулями твёрдого стока поставляют в океан примерно половину всего осадочного материала континентов, составля-ющего 18,5 млрд т взвеси. Большая часть этих рек расположена во влажных тропиках. Основная масса взвешенного вещества осаждается на границе «река – море» в дельтах, авандельтах, на шельфе и у основания материкового склона. Так, одна из наиболее мощных систем «бассейн → дельта→ подводный конус» рек Ганга и Брахмапутры имеет площадь надводного бассейна более 2 млн км2, протягиваясь в Индийский океан ещё на 2–3 тыс. км (примерно столько же, как

108

на континенте). Ежегодно эти реки поставляют в океан 2177 млн т взвешенного вещества, т. е. 2/3 стока рек бассейна Индийского океана. Эта система функци-онирует уже 20 млн лет и создала осадочную толщу мощностью до 16 км.

4.2 Геохимическая классификация ландшафтов

Геохимическая классификация ландшафтов составляется на основе изу-

чения меняющихся внешних (ландшафтно-геохимических) факторов миграции элементов. Все ландшафты делятся на ландшафты суши и аквальные (вод-ные). Последние подразделяются на ландшафты океана (океанов и морей) и аквальные ландшафты континентов (рек, водохранилищ, озёр и т. д.).

В зависимости от преобладания основного вида миграции все ландшаф-ты суши объединены в три группы: абиогенные, биогенные и техногенные.

Абиогенные ландшафты отличаются отсутствием (часто только относи-тельным) непосредственного антропогенного воздействия, способного приве-сти к существенному перемещению химических элементов, и практическим отсутствием биогенной миграции элементов и их биологического круговорота. К таким ландшафтам относятся центральные части Антарктиды и Гренландии, наиболее высокие и покрытые ледниками хребты и вершины гор. В пределах данных ландшафтов преобладает механическая и физико-химическая миграция элементов, хотя в них могут присутствовать продукты биологического круго-ворота элементов соседних или ранее существовавших на их месте биогенных ландшафтов: органогенные коренные породы; сравнительно редкие бактерии в приземном воздухе, воде и на поверхности ледников; кислородная атмосфера. Кроме того, в абиогенные ландшафты все больше элементов попадает за счёт продуктов техногенеза. Так, во льдах Антарктиды существенно увеличилось содержание свинца, а дуст был обнаружен даже в печени пингвинов. Даже в самых труднодоступных частях Антарктиды и Гренландии и на высокогорных ледниках начинает все активнее проявляться техногенная (социальная) мигра-ция химических элементов, поскольку здесь увеличилось число различных временных и постоянных научных станций. Таким образом, повсеместно начи-нается переход абиогенных ландшафтов в техногенные.

Биогенные (природные) ландшафты характеризуются наличием постоян-ного биологического круговорота элементов, а главный вид миграции обычно – биогенный. Механическая и физико-химическая миграция в этих ландшафтах, как правило, играют второстепенную роль. Исключение составляют биогенные ланд-шафты с крутыми склонами, а также часть примитивно-пустынных ландшафтов, где количественно (по массе мигрирующих элементов) механическая миграция

109

может резко преобладать над биогенной. Но их все же относят к биогенным – по наличию более сложной биогенной миграции элементов.

Биогенные ландшафты объединяются исходя из особенностей биогенной миграции, определяемых количественной ролью биогенной миграции и скоро-стью перехода элементов из водных растворов, газовых смесей и минеральной формы в биогенную. Учитывается и скорость обратного перехода отмирающих организмов. Особое значение имеет разложение растений (их отдельных ча-стей), поступающих после отмирания в почву. Основными показателями для такого учёта служат величины общей биомассы (Б) и ежегодной продукции (П), измеряемые в ц/га. В биомассе и ежегодной продукции преобладают растения, зоомасса обычно составляет менее 1–2 %. Каждый из основных параметров – биомасса и ежегодная продукция – складывается из многих показателей: общая биомасса, зелёная, надземная и т. д.

По изменению отношения Б и П биогенные ландшафты разделяются на группы: 1) леса; 2) степи, луга, саванны, травяные болота;3) тундры, ле-сотундры и верховые болота; 4) пустыни; 5) примитивные пустыни. Их фор-мирование и зональность размещения в основном определяются климатом. Эти группы, в свою очередь, подразделяют в зависимости от изменения коэффици-ента К = lgП / lgБ. Ландшафты с одинаковыми значениями К, но различными величинами П и Б образуют семейства. В биогенных ландшафтах их обычно три: северное, среднее и южное.

1. Леса – ландшафты с максимальной аккумуляцией солнечной энергии, здесь биомасса в десятки и сотни раз превышает ежегодную продукцию (Б – ты-сячи, П – десятки и сотни ц/га). Преобладающая часть живого вещества, как пра-вило, расположена над поверхностью почвы. В ландшафтах наиболее резко проявляется способность организмов создавать среду своего обитания, интенсив-но преобразуя окружающую среду. Под пологом деревьев создаётся микроклимат, состав атмосферы меняется. Для этих ландшафтов характерны интенсивные пря-мые водные связи между почвой, корой выветривания, грунтовыми водами, кон-тинентальными отложениями и поверхностными водами, ярко выражен водораздельный центр. Ландшафт отличается сложностью и устойчивостью.

2. Степи, луга, саванны – ландшафты со средним накоплением солнечной энергии, биомассой в сотни и десятки ц/га, значительная часть которой ежегод-но превращается в энергию геохимических процессов. Ежегодная продукция значительна и местами аналогична таковой в лесной группе. Поэтому Б/П на порядок меньше, чем в лесах. Запасы гумуса в 10–20 раз превышают биомассу. Основная масса живого вещества часто сосредоточена под поверхностью почвы, т. е. масса корней больше массы надземных органов растений. Прямые водные

110

связи менее выражены, чем в лесной группе, в частности ослаблены связи поч-ва↔ грунтовые воды. Ярко выражена отрицательная обратная биокосная связь: почва↔растительность. Роль водораздельного центра ослаблена, в речных до-линах создаётся второй центр ландшафта, часто более важный. Самоорганиза-ция и устойчивость ландшафтов ниже, чем в лесной группе.

3. Ландшафты тундр и особенно верховых болот со средним и малым накоплением солнечной энергии и медленным превращением её в энергию гео-химических процессов. Биомасса в них составляет десятки и сотни центнеров на гектар, ежегодная продукция низкая. Способность растений улучшать среду обитания выражена слабо. По интенсивности прямых водных связей и величине Б/П тундры ближе к лесной группе, а по размерам биомассы, развитию обрат-ных биокосных связей – к степям и лугам. Большое значение имеют прямые воздушные связи. Разнообразие, самоорганизация и устойчивость− низкие и напоминают пустыни.

4. Пустыни – ландшафты среднего и малого накопления солнечной энер-гии и слабого её влияния на энергию геохимических процессов. Характерны небольшие Б и П, низкая когерентность. Прямые водные связи ослаблены, от-дельные природные тела почти независимы друг от друга (почва – грунтовые воды ит. д.). Резко выражены прямые воздушные связи. Это ландшафты с наименее совершенной, наиболее расшатанной связью. Центр ландшафта вы-ражен слабо. Пустыни характеризуются наименьшими разнообразием, самоор-ганизацией, устойчивостью.

5. Примитивные пустыни – ландшафты с крайне малым накоплением сол-нечной энергии, ничтожной биомассой. К этой группе относятся такыры, шоро-вые солончаки, скалы, покрытые лишайниками, и другие примитивные пустыни. Биомасса здесь местами меньше 1 ц/га, отношение Б/П различно. Организмы не-глубоко проникают в толщу литосферы (мощность ландшафта минимальная сре-ди всех групп). Разнообразие, самоорганизация и устойчивость −низкие.

Формирование ландшафтов 1–4групп в основном определяется климатом, в связи с чем, важнейшая закономерность их размещения – зональность (лес-ная, степная, тундровая, пустынная и прочие зоны). Однако в ряде случаев раз-витие групп обусловлено другими факторами; наблюдается не зональное размещение (например, верховые болота в таёжной зоне и др.).

Все большая часть биогенных ландшафтов испытывает постоянно воз-растающее антропогенное (техногенное) воздействие. Под его влиянием не только постоянно увеличивается техногенное поступление элементов, но идё-ти их антропогенный вынос из биогенных ландшафтов. Там, где биогенные ландшафты соседствуют с различными промышленными предприятиями

111

и сельскохозяйственными угодьями, основная часть элементов переносится с воздушным потоком. Значительная часть элементов может поступать техноген-ным путём и в виде водных растворов (при поверхностном и подземном стоках) а также в результате механического перемещения. Техногенный вынос элемен-тов из биогенных ландшафтов производится или непосредственно, или сопро-вождает отдельные техногенные процессы. Так, при частичной вырубке лесов ландшафты продолжают оставаться биогенными, хотя из них отторгается (вы-возится) часть элементов. Кроме того, после вырубки увеличиваются поверх-ностный и подземный стоки вод, содержащие элементы в виде истинных и коллоидных растворов, то есть техногенный вынос элементов из ландшафтов приводит ещё и к усилению процессов природного выноса. Техногенный вынос элементов из почв и илов биогенных ландшафтов бывает связан со сливом на поверхность кислых шахтных вод, растворяющих многие природные со-единения, в т. ч. карбонаты. Таким образом, все яснее представляется общая тенденция к постепенному переходу биогенных ландшафтов в техногенные.

Техногенные ландшафты –биологический круговорот элементов в значи-тельной мере нарушен, а определяющим видом миграции является техногенная, аналогов которой (по комплексу перемещающихся элементов, свойствам их техногенных соединений и дальности миграции) в природе нет.

Площади, занимаемые техногенными ландшафтами, непрерывно возрас-тают за счёт уменьшения территорий биогенных и абиогенных ландшафтов.

В пределах техногенных ландшафтов не только проживает подавляющая часть населения Земли, но и выращивается подавляющая часть продуктов пи-тания. Техногенные ландшафты являются источниками минерального сырья, добываемого с каждым годом все в больших объёмах. Именно состоянием тех-ногенных геохимических ландшафтов обеспечивается комфортность прожива-ния, а во многом и здоровье населения.

4.3 Экогеохимия природных ландшафтов

Протекающие в ландшафтах геохимические процессы сопровождаются

накоплением геохимической информации – формированием, транслокацией и аккумуляцией различного рода органических, органоминеральных и минераль-ных соединений – новообразований. Их элементный и химический составы, формы и уровни концентрации элементов служат индикаторами определённых ландшафтно-геохимических процессов. При всем многообразии процессов и их сочетаний в различных ландшафтных зонах могут быть выделены три главных типоморфных комплекса ландшафтно-геохимических процессов, характерных

112

для ландшафтов: а) гумидных областей; б) аридных областей; в) промежуточ-ных субаридных-субгумидных областей.

4.3.1 Общие черты геохимии гумидных и семигумидных ландшафтов

Гумидные ландшафты – это ландшафты тайги, широколиственных лесов,

влажных субтропиков и тропиков. Семигумидные ландшафты – это ландшафты лесостепи. Несмотря на температурные различия, общая особенность климата этих областей – положительный баланс влаги (преобладание суммы атмосфер-ных осадков над испарением), что создаёт в элювиальных ландшафтах промыв-ной/периодически промывной водный режим (рис. 7), а в супераквальных ландшафтах – застойный.

Рисунок 7. Схематическое изображение промывного типа водного режима

(по А. А. Роде)

Систематические нисходящие токи атмосферной влаги обусловливают закономерное перемещение химических элементов сверху вниз. В ландшафтах, где явления вымывания выражены особенно сильно, в почвах формируется элювиальный горизонт (А2 или Е), откуда вынесены все более или менее по-движные соединения (например, в подзолистых почвах) (рис. 8).

113

Рисунок 8. Схема формирования профиля автоморфных почв

гумидных ландшафтов

Под воздействием нейтральных и даже слабощелочных растворов выще-лачиваются и выносятся легкорастворимые соли (хлориды и сульфаты натрия и магния). В результате действия слабокислых растворов выносятся менее рас-творимые соли (сульфаты кальция, карбонаты). В случае сильнокислых почв (рН почвенного раствора ≤ 5) за пределы горизонта вымывания выносятся ок-сиды/гидроксиды железа и марганца. Кроме того, в результате действия грави-тационных вод перемещаются тонкодисперсные частицы. Вследствие этого горизонт вымывания приобретает белёсую окраску и резко выделяется на поч-венном профиле.

Для гумидных ландшафтов в целом характерна интенсивная водная ми-грация, ведущая роль Н+, кислая (и сильнокислая) реакция среды.

Идущие в ландшафтах процессы накопления мёртвого органического ве-щества в форме подстилок, торфов, сапропелей объединяется общим понятием –детритогенез. Формирование и накопление специфических органоминераль-ных комплексов и соединений – гуматогенез и хелатогенез. Образование и накопление минеральных веществ – минералогенез. В него входят процессы ок-сидогенеза, опалогенеза, алюмосиликатогенеза, кальцитогенеза, глеегенеза, сульфидогенеза (образующееся вещество даёт название процессу).

В тундрах, лесотундрах и таёжных равнинных или горных областях комплекс типоморфных процессов представлен пятью главными процессами, проявляющи-мися как в субаэральных, так и в супераквальных и аквальных ландшафтах: это хе-латогенез, оксидогенез, детритогенез, глеегенез, опалогенез. Соотношение между

114

процессами изменяется в различных ландшафтных зонах и существенно зависит от условий рельефа и водопроницаемости пород.

В лесотундре, северной и средней тайге максимально развиты процессы детритогенеза и хелатогенеза.

В подзоне южной тайги и областях распространения широколиственных лесов вследствие более тёплого климата и большей скорости разложения расти-тельного опада детритогенез проявляется главным образом в супераквальных ландшафтах в виде скоплений низинного торфа. В ландшафтах широколист-венных лесов преобладает выщелачивание, и автономный ландшафт верти-кальным и боковым стоком теряет многие подвижные элементы. Высокое содержание в растениях Са и его энергичное биологическое поглощение опре-деляют кальциевый химизм БИКа. В широколиственных лесах Са – типоморф-ный элемент.

Оксидогенез во всех ландшафтах выражен наиболее интенсивно в северо-таёжной подзоне, где активно идущие процессы хелато- и глеегенеза способ-ствуют местной миграции и аккумуляции гидроксидов железа и марганца в геохимически подчинённых ландшафтах.

В гумидных ландшафтах субарктического и умеренно холодного поясов развивается, кроме названных выше процессов, опалогенез. В этих ландшафтах среда благоприятна для жизни диатомовых водорослей в холодных, насыщен-ных кислородом водах преимущественно проточных олиготрофных озёр.

В озёрах таёжно-лесной зоны процессы детритогенеза проявляются в накоплении мощных отложений сапропеля. На лучше дренированных равнинах процессы глее- и детритогенеза имеют меньшее значение. Главное геохимиче-ское отличие БИКа тайги от широколиственных лесов состоит в специфиче-ском консервативном соотношении Б/П, в меньшей скорости разложения органических веществ, меньшем количестве водных мигрантов, вовлекаемых в БИК и поступающих с опадом, болеекислом характере продуктов разложения. По ряду показателей БИКа таёжные ландшафты ближе к влажным тропикам, чем к широколиственным лесам.

В гумидных ландшафтах влажных субтропиков соотношение типоморф-ных процессов, свойственных гумидным областям, изменяется. В связи с быст-рой гумификацией и минерализацией органических веществ в условиях влажного и тёплого климата существенно ослабевают процессы хелатогенеза. Разложение и минерализация органических веществ осуществляются живот-ными и микроорганизмами, главным образом бактериями и грибами, и проте-кают исключительно быстро. Поэтому в лесах практически нет лесной

115

подстилки. По этой же причине гумуса накапливается не больше, чем в почвах умеренной полосы, получающих ежегодно значительно меньше опада. В отли-чие от лесов умеренного пояса в процессе разложения растительных остатков происходит быстрый вынос К, Si, Са и относительное накопление в мёртвом органическом веществе Fe и Мn.

4.3.2 Общие черты геохимии степных и пустынных ландшафтов

Аридные и семиаридные ландшафты (степные и сухостепные ландшаф-

ты, прерии, пустыни) формируются в условиях континентального климата и недостаточного атмосферного увлажнения. Тип водного режима в автономных ландшафтах – непромывной или аридный, в подчинённых – выпотной (рис. 9).

Рисунок 9. Схематическое изображение типов водного режима (по А. А. Роде):

б – непромывной тип; в – выпотной тип

В семиаридных лесолугово-степных и степных ландшафтах широко раз-виты процессы засоления, осолонцевания, связанные с воздействием солёных грунтовых вод и развитием галогенеза в современных супераквальных ланд-шафтах. В полупустынях и пустынях повсеместно проявляются два главных геохимических процесса: кальцитогенез и галогенез (все ландшафты охвачены процессами обызвесткования и засоления). В отличие от предыдущей ассоциа-ции гумидных ландшафтов, где одним из основных информативных элементов является углерод органических остатков и органоминеральных комплексов, в аридных ландшафтах углерод входит преимущественно в состав минеральных соединений – карбонатов щелочных земель и щелочей.

116

Аридность климата определяет более слабый сток, чем в лесных ланд-шафтах, меньшее значение центра и водных связей, большую роль обратных отрицательных биокосных связей в почвах, развитие испарительной концен-трации элементов (рис. 10).

Рисунок 10. Схема формирования профиля гидроморфных почв

В результате энергичной минерализации органических остатков содержа-

ние восстановителей в почвах и водах степей низкое. В автономных ландшаф-тах среда окислительная, в целом господствует окисление, и только в болотах и солончаках местами развивается щелочная и нейтральная восстановительная обстановка. Органические кислоты здесь полностью нейтрализуются Са, Na и другими катионами. Отсюда незначительная роль Н+, преобладание нейтраль-ной и щелочной среды. В щелочной среде степей и пустынь создаются благо-приятные условия для миграции анионогенных элементов, которые малоподвижны в кислых лесных ландшафтах (Mo, Se, Сr, отчасти U). Наоборот, многие катионогенные элементы, которые легко мигрировали в кислых ланд-шафтах, здесь малоподвижны (Сu, Pb, Ва, Fe, Са, Sr и др.). Степи и пустыни – это царство низковалентных, преимущественно крупных ионов, обладающих низкими энергетическими характеристиками.

Пустыня – ландшафт с малой биологической информацией, ослабленны-ми биотическими и водными связями, но с интенсивными прямыми воздушны-ми связями (эоловый перенос и отложение веществ играет ведущую роль). Все это уменьшает централизацию и устойчивость ландшафта.

В супераквальных ландшафтах (дельты рек, низкие морские и озёрные террасы, солёные озера, такыры) галогенезу сопутствует сульфидогенез.

117

Контрольные вопросы 1. Дайте определение элементарного ландшафта (по Б. Б. Полынову).

Что следует относить к элементарному ландшафту? 2. Что такое мощность элементарного ландшафта? 3. По каким критериям выделяют роды элементарных ландшафтов?

Охарактеризуйте три основных рода. 4. Что такое геохимический ландшафт? 5. Что такое каскадные ландшафтно-геохимические системы? 6. Что такое катена? 7. Что такое геохимическое сопряжение? 8. Сформулируйте закон, устанавливающий связь между эколого-

геохимическими изменениями в пределах ландшафта. Какие следствия, име-ющие большое прикладное значение, вытекают из этого закона?

9. Как звучит закон, устанавливающий закономерности развития эколо-го-геохимических изменений в биосфере при смене одного ландшафта другим? Сформулируйте основные следствия из этого закона.

10. На чем основывается классификация геохимических ландшафтов? 11. По какому признаку ландшафты суши разделяются на абиогенные,

биогенные и техногенные? 12. По какому критерию биогенные ландшафты разделяются на группы? 13. Какие группы биогенных ландшафтов вы знаете? Охарактеризуйте

каждую из них. 14. Расскажите об основных типах водного режима. 15. Что такое коэффициент увлажнения? 16. Какие ландшафты относят к гумидным и почему? 17. Где распространены семигумидные и семиаридные ландшафты? 18. В чем состоят общие черты геохимии гумидных и семигумидных

ландшафтов? 19. Какие ландшафты относят к аридным и почему? 20. В чем состоят общие черты геохимии аридных и семиаридных ланд-

шафтов? 21. Что такое детритогенез? 22. Что такое хелатогенез и гуматогенез?

118

5. ГЕОХИМИЯ ТЕХНОГЕНЕЗА

5.1 Техногенные и природно-техногенные системы

В результате индустриализации, урбанизации и интенсификации сельско-го хозяйства возникают особые природно-техногенные процессы и ландшафты, где природные и техногенные явления тесно переплетаются. Иерархия по уров-ням организации образует ряд от техногенных почв, илов, кор выветривания, водоносных горизонтов до техногенных ландшафтов и ещё более крупных си-стем – стран, океанов и всей техносферы.

В природно-техногенных системах важную роль играет БИК, они соче-тают в себе признаки техногенных и природных систем, которые находятся в них в разных соотношениях. Это агроландшафты, парки и рекреационные зоны городов, мелиорируемые земли, аквальные ландшафты и т. д.

В техногенных системах БИК практически полностью трансформирован. Здесь сформировались искусственные тела – отвалы, хвостохранилища, ас-фальтированные поверхности городов и дорог и т. д., геохимические особенно-сти которых определяются их специфическим химическим составом и искусственным рельефом. Техногенные свойства полностью или явно преобла-дают над природными.

Техногенные ландшафты, так же как и биогенные, классифицируют с учётом особенностей ведущего вида миграции – техногенной. Отдельные тех-ногенные ландшафты объединяют в сельскохозяйственные, промышленные, ле-сотехнические, ландшафты населённых пунктов (селитебные), искусственных водоёмов, дорожные ландшафты.

5.2 Города и городские ландшафты

Наиболее сильно техногенное воздействие на природную среду и населе-

ние проявляется в крупных промышленных городах, которые по интенсивности и площади аномалий загрязняющих веществ представляют собой техногенные геохимические и биогеохимические провинции. На природном и агротехноген-ном фоне города выделяются как центры накопления веществ, поступающих с транспортными потоками и затем перерабатываемыми промышленностью и коммунальной деятельностью. Города – это мощные источники техногенных веществ, включающихся в региональные миграционные циклы. Во многих го-родах России и других стран экологическая ситуация близка к критической.

119

Селитебные ландшафты – это населённые пункты с комплексами жилых зданий, промышленных предприятий, зон отдыха и рекреации (сады, скверы, парки и др.). Отдельные части ландшафтов имеют много общего с другими группами техногенных ландшафтов: городские промышленные предприятия во многом подобны промышленным ландшафтам с аналогичными комплексами и механизмом техногенного поступления химических элементов и их соедине-ний; сады, парки, зоны отдыха близки к лесотехническим ландшафтам и т. п. Однако селитебные ландшафты объединить с какими-то другими техногенны-ми ландшафтами невозможно.

Ландшафты населённых пунктов обладают рядом присущих только им особенностей, которые определяют ход миграции химических элементов. Так, количество грунтовых вод на единицу площади в населённых пунктах выше, чем в окружающих ландшафтах. Это связано, во-первых, с техногенным по-ступлением воды (полив улиц, приусадебных участков, парков; просачивание и аварийные прорывы питьевых, промышленных и сточных вод), а во-вторых – с резким уменьшением площадей, с которых возможно непосредственное испа-рение. Селитебные ландшафты отличаются от окружающих не только количе-ством подземных вод, но и их составом, причём характерной особенностью состава подземных вод является мозаичность. Так, в подземных водах, ото-бранных в различных частях крупного промышленного центра, общая минера-лизация изменяется в 3–5 раз, содержание сульфатов – в 100–160 раз, количество суммарного Na+ и К+ – в 300 раз, а хлоридов – в 10 000 раз. Содер-жание большинства компонентов в водах в центральной части городов увели-чивается. Это особенно характерно для старых населённых пунктов, начавших формирование вокруг промышленных предприятий.

Почвы городских ландшафтов отличаются от почв соседних с ними и ра-нее существовавших на их месте ландшафтов: в старых городах первичных почв практически нет вообще (они погребены), а современные почвы – смесь привезённых почв с промышленным, бытовым и строительным мусором. Со-держание в них некоторых элементов и соединений (тяжёлых металлов, поли-циклических ароматических углеводородов и т. д.) часто повышено; распределение элементов – мозаично. Концентрация определённых элементов в почвах различных участков города зависит от количества и состава находяще-гося в них городского мусора (строительного, бытового, промышленного). За-грязняющие вещества поступают из подземных и поверхностных вод, из атмосферы (прямое выпадение из дымов и поступление с атмосферными осад-ками) и путём простого механического перемещения от зон их концентрации.

120

От соседних ландшафтов отличается и городская растительность, кото-рую обычно подбирают по принципу максимальной выживаемости в новых ландшафтно-геохимических условиях. Так, во многих южных городах основ-ными деревьями являются тополя, хотя среди соседних природных, биогенных ландшафтов тополевые леса практически не встречаются. Городская раститель-ность выделяется и по комплексу концентрирующихся в ней элементов (в золе листьев в десятки раз повышено содержание свинца и т. п.).

В атмосферу города в течение суток поступают сотни (и даже тысячи) тонн угарного газа, углеводородов, оксидов азота, сернистого ангидрида, раз-личных аэрозолей и других загрязняющих веществ.

Таким образом, селитебный ландшафт как единое целое существенно от-личается не только от соседних или ранее существовавших на его месте био-генных ландшафтов, но и от всех техногенных ландшафтов. Своеобразные условия миграции химических элементов в ландшафтах населённых пунктов привели к образованию специфического, характерного лишь для селитебных ландшафтов состава почв, вод, растений и приземной атмосферы.

Ландшафты населённых пунктов (по особенностям техногенной мигра-ции элементов) делятся на ландшафты промышленных центров государствен-ного значения; городов регионального (краевого, областного) значения, городов местного значения, поселков, железнодорожных станций; рудников, шахт, обогатительных фабрик; курортов и т. д. Размер населённого пункта (число жителей) во многом определяет баланс техногенной миграции элементов в ландшафте. Однако количество и состав ввозимого в населённый пункт сырья, способы его обработки, объём отходов, форма нахождения элементов зависят от профиля предприятий. Часто профиль основных предприятий оказывает зна-чительное влияние и на систему очистки, и способ захоронения отходов со все-го города или из его отдельных районов. Итак, вторым важным фактором, определяющим особенности техногенной миграции элементов в ландшафтах населённых пунктов, является профиль действующих там предприятий.

В ландшафтах промышленных центров государственного значения (города с населением около миллиона человек и выше) техногенная миграция элементов, связанная непосредственно с жизнеобеспечением жителей, имеет гораздо больше общего, чем специфических отличий. Состав и количество элементов, попадающих как загрязняющие в городской ландшафт в результа-те производственной деятельности, примерно одинаковы при пересчёте на одного жителя.

В ландшафтах населённых пунктов регионального значения (города с населением более 300–500 тыс. жителей) развитие определённых предприятий

121

может оказывать решающее влияние на техногенное поступление комплекса элементов, поэтому дальнейшее разделение населённых пунктов регионального значения проводят с учётом преобладающего профиля основных предприятий (например, отдельно выделяют города, где в основном распространены нефте-перерабатывающие предприятия).

Ещё большее влияние на особенности техногенной миграции оказывают крупные предприятия в ландшафтах местного значения (посёлках, станицах, железнодорожных станциях и городах с населением до 300 тыс. жителей).

В отдельные ландшафты выделяются небольшие населённые пункты, су-ществующие у рудников, шахт, обогатительных фабрик, в которых миграция определяется в значительно большей мере профилем предприятий, чем числом жителей. Сырье, добываемое и перерабатываемое на этих предприятиях, явля-ется основным постоянным источником химических элементов, поступающих как в рассматриваемые, так и в соседние ландшафты. При подразделении дан-ных ландшафтов учитывают добываемое (перерабатываемое) сырье (отдельно выделяются ландшафты населённых пунктов у редкометалльных рудников, у обогатительных фабрик, перерабатывающих полиметаллические руды, и др.).

Решение ряда важнейших экологических проблем связно с улучшением экологической обстановки в населённых пунктах. Поэтому появилась практи-ческая необходимость разделить техногенный селитебный ландшафт (ранее выделяемый как единое целое) на отдельные составные части. Они должны от-личаться друг от друга особенностями перемещения химических элементов (соединений), закономерностями их (особенно токсичных соединений) концен-трации, продолжительностью нахождения и родом занятий жителей в пределах таких участков населённых пунктов – городских геохимических ландшафтов. С учётом огромного значения селитебных ландшафтов, а также неравномерно-сти распределения в городах ландшафтов с определёнными условиями мигра-ции и концентрации элементов, отдельно была разработана классификация городских ландшафтов.

Классификация городских геохимических ландшафтов ведётся с учётом особенностей ведущего в них вида миграции химических элементов – техноген-ной. По этому признаку в первую очередь выделяются ландшафты: предпри-ятий; жилых зон; улиц; зон, занятых военными ведомствами; зон рекреации и отдыха; пустырей; кладбищ.

Ландшафты предприятий – территории, расположенные в пределах насе-лённых пунктов и занятые различными промышленными предприятиями (фаб-риками; заводами и их отдельными цехами; мастерскими; автомобильными,

122

троллейбусными и трамвайными парками; электростанциями и т. п.), карьерами и шахтами, а также территории, занятые постройками, необходимыми для экс-плуатации перечисленных предприятий.

С точки зрения миграции элементов городские ландшафты предприятий практически идентичны промышленным ландшафтам, расположенным за пре-делами населённых пунктов. Основные экологические отличия:

1. Большее влияние побочных продуктов производства на всех жителей, а не только на рабочих предприятий.

2. В городах меньше рассеяние поллютантов, особенно аэрозолей, чем за его пределами.

В результате работы многих предприятий происходит и физическое за-грязнение окружающей среды – электромагнитное, тепловое, звуковое (шумо-вое), радиоактивное. Воздействию такого загрязнения люди могут подвергаться не только на предприятиях, но и в других ландшафтах как во время работы, так и во время отдыха.

При крупномасштабных исследованиях, проводимых на территории населённых пунктов, а также при эколого-геохимической паспортизации ино-гда требуется более дробное деление ландшафтов предприятий. Основой деле-ния остаются особенности техногенной миграции и концентрации химических элементов. Выделяют ландшафты: карьеров; шахт и рудников с подземной до-бычей; отвалов горных выработок; различных фабрик и заводов; электро-станций; гаражей, трамвайных и троллейбусных парков; автозаправочных станций; предприятий по переработке мусора; базаров, а также ландшафты авто- и железнодорожных вокзалов и станций; аэро-, речных и морских пор-тов. Все они отличаются друг от друга по составу, форме нахождения и коли-честву загрязняющих веществ, как находящихся в их пределах и воздействующих на работающих там людей, так и выносимых в соседние ландшафты. Для каждого из них характерны свои особенности теплового, элек-тромагнитного, шумового и радиоактивного загрязнения.

Ландшафты жилых зон составляют основную часть населённых пунктов. Значительная часть жителей проводит в них большую часть своей жизни. По-этому оценка эколого-геохимической обстановки таких зон и её улучшение от-носятся к числу важнейших экологических проблем.

Довольно часто в ландшафтах жилых зон существенную роль играет био-логический круговорот элементов (в небольших населённых пунктах с одно-этажными домами и приусадебными участками).

Особенности поступления, перемещения, накопления и выноса многих хи-мических элементов (соединений) во многом зависят от этажности домов в жилых

123

зонах. Так, от этажности часто зависят направление, скорость и соотношение в воздушном потоке турбулентного и ламинарного перемещений. Эти показатели определяют содержание в воздухе, а, следовательно, и попадание из него в почвы, растительные и животные организмы (включая человека) многих, в т. ч. токсич-ных, веществ. От этажности зависит плотность населения в жилой зоне, а с нею связаны количество и способы утилизации различных отходов и продуктов жиз-недеятельности. Этажностью определяются водоснабжение и отопление, которые в свою очередь, контролируют привнос и вынос элементов, находящихся в раз-личных формах. Этажность жилых зон сказывается и на степени комфорта про-живающих в них жителей, на скорости и уровне распространения различных инфекций и даже специфических болезней (в т. ч. психических расстройств).

Ландшафты улиц (проезжие части дорог и тротуары с посадками) наибо-лее близки по геохимическим особенностям к дорожным ландшафтам, выделя-емым за пределами населённых пунктов, и так же, как и они, не имеют природных аналогов. Несмотря на обычные насаждения вдоль тротуаров, БИК в таких ландшафтах обычно отсутствует, т. к. весь опад и сухие ветви деревьев и кустарников вывозятся за пределы населённого пункта или сжигаются, а зола чаще всего рассеивается. Как и в другие ландшафты населённых пунктов, зна-чительная часть элементов поступает через атмосферу. Но, в отличие от сосед-них ландшафтов, в приземном воздухе улиц значительную роль играют газы от автомобилей, являющиеся наиболее токсичными соединениями, постоянно входящими в состав воздуха на улицах. Их концентрация связана с интенсивно-стью движения транспорта. От последнего во многом зависит запылённость и поступление в эти ландшафты специфических соединений за счёт износа по-крышек, двигателей, рельсов трамвайных путей ит. д.

Существенного накопления веществ из соседних ландшафтов на улицах обычно не происходит. Сами же они являются источниками многих соедине-ний, поступающих в окружающие их ландшафты через атмосферу. Большое влияние на такое перемещение элементов оказывает высотность зданий, огра-ничивающих улицы, а также насаждения и тип составляющих их растений. Значительное количество различных веществ удаляется с улиц поверхностными и подземными водами. На отдельных геохимических барьерах они могут кон-центрироваться, создавая техногенные аномалии. При специальных исследова-ниях ландшафты улиц разделяют с учётом интенсивности движения, преоб-ладающего вида транспорта и особенностей дорожного покрытия.

Ландшафты рекреации и отдыха (парки, стадионы, скверы и спортивные площадки, парковые аллеи, зоны отдыха по берегам рек, водохранилищ и т. д.) располагаются как в центре, так и на окраинах населённых пунктов. Для части

124

из них (парки и т. п.) характерен БИК, и они близки к выделяемым за пределами населённых пунктов лесотехническим ландшафтам. Большая часть поступаю-щих в зоны отдыха веществ переносится по воздуху от близко расположенных предприятий, улиц и т. д.; также происходит загрязнение выхлопными газами автомобилей и моторных лодок. Для населённых пунктов, особенно крупных, важными экологическими показателями являются процент городской террито-рии, занятой зонами рекреации и отдыха, и равномерность их распределения по всей площади города.

Ландшафты зон, занятых военными ведомствами, к настоящему време-ни наименее изучены. О вызываемом ими специфическом загрязнении окружа-ющей среды и необходимости их эколого-геохимического изучения заговорили только в последнее время.

Кроме собственно эколого-геохимического загрязнения, они могут вызы-вать радиационное, электромагнитное, шумовое, тепловое и другие виды эко-логического загрязнения. Поэтому такие ландшафты необходимо выделять даже при незначительных размерах и невозможности их изучения.

Ландшафты пустырей имеются во многих населённых пунктах. Их по-явление связано со сносом старых зданий, с реконструкцией городов, с нерав-номерной застройкой отдельных районов, при которой остаются «пустые площади». Как правило, основное эколого-геохимическое воздействие на со-седние городские ландшафты оказывают не они, а свозимый с них строитель-ный мусор. Часто сами пустыри становятся зонами временного складирования различного мусора – от бытового до строительного, превращаясь в своеобраз-ные социальные геохимические барьеры.

5.3 Промышленные ландшафты

Это территории, расположенные за пределами населённых пунктов и за-

нятые промышленными предприятиями; автозаправочными станциями; ка-рьерами и шахтами с постройками, необходимыми для их эксплуатации; участками добычи нефти, газа, подземных вод; аэропортами; отвалами горных пород у шахт, карьеров и обогатительных фабрик. Роль биологического круго-ворота элементов в этих ландшафтах минимальна. О нем можно говорить только в двух случаях. Первый из них – нахождение среди промышленных ландшафтов «реликтовых пятен» биогенных ландшафтов, ранее существовавших на этом ме-сте (например, кусочек степи или отдельные деревья на территории горно-обогатительного комбината). Такие реликтовые ландшафты испытывают огром-ное техногенное воздействие, а занимаемые ими площади составляют максимум

125

несколько процентов от площадей включающих их промышленных ландшафтов. Постепенно под техногенным воздействием они или исчезают, или переходят в сады, цветники и т. п. – второй случай существования БИК в промышленных ландшафтах, который резко отличается от природного и крайне ограничен. Вы-воз элементов, находящихся в биогенной форме, непосредственно из промыш-ленных ландшафтов практически отсутствует.

Таким образом, промышленные ландшафты отличаются от всех биоген-ных ландшафтов по особенностям миграции элементов, а друг от друга – ещё по числу и разнообразию т. н. «приоритетных» загрязняющих веществ, а часто и по форме их нахождения. Так, заводы и фабрики, поставляя за пределы ланд-шафта свою продукцию, выделяют в атмосферу целый ряд газообразных со-единений и аэрозолей. Кроме того, они являются источником многочисленных поллютантов (в т. ч. и не имеющих природных аналогов), поступающих за пре-делы ландшафтов с поверхностным стоком и уже использованными на пред-приятиях водами. На территории ландшафтов заводов и фабрик химические элементы (их соединения) в разных формах завозятся в виде сырья.

О загрязнении окружающей среды говорят в случаях поступления поллю-тантов как побочных продуктов производства, но важнейшей проблемой явля-ется утилизация самих продуктов производства после из использования. Предприятия можно рассматривать как источники загрязнения среды, уда-лённой от них на расстояние техногенной и социальной миграции.

Добыча полезных ископаемых – один из наиболее мощных видов техно-генеза. Его воздействие на природную среду возрастает и захватывает все большие территории. Велики площади почти полного уничтожения природных ландшафтов, занятые скважинами, шахтами, карьерами, отвалами пород, отхо-дами первичного обогащения руд, угольными терриконами, транспортными ма-гистралями и др. Здесь формируются особые техногенные ландшафтно-геохимические системы – горнопромышленные ландшафты (ГПЛ). Их основная геохимическая черта – слабоконтролируемое рассеяние больших масс веществ с аномально высоким содержанием элементов, которые, как правило, негативно воздействуют на ландшафт. Специфическая особенность ГПЛ – наложение тех-ногенного загрязнения на природные геохимические аномалии – вторичные ореолы и потоки рассеяния месторождений в почвах, растениях, поверхностных и подземных водах.

В ландшафтах различных шахт, рудников и карьеров ввоз химических элементов (их соединений) сравнительно мал. Обычно их источником является оборудование, необходимое для функционирования шахт, рудников и т. д. Са-ми же ландшафты являются поставщиками значительных масс химических

126

элементов, находящихся преимущественно в минеральной и изоморфной формах (включая нефть). Из этих ландшафтов химические элементы как побочные про-дукты производства поступают в другие ландшафты в виде водных растворов (в основном при откачке вод), в коллоидной (частично в виде аэрозолей) и сор-бированной формах.

Ландшафты отвалов горных выработок и обогатительных фабрик обычно создаются на месте биогенных ландшафтов в результате перемещения значительных масс минеральных соединений. Во многом они подобны зонам социальных геохимических барьеров, но в отличие от них в ландшафтах отва-лов накапливаются элементы, соответствующие их определённым природным ассоциациям. Многие соединения, попавшие в отвалы, находятся в условиях, не соответствующих их образованию и возможности существования. Значитель-ная часть минералов, поступающих в отвалы, образовалась в восстановитель-ных условиях. Попав в кислородную обстановку, они начинают окисляться:

2FeS2 + 7О2 +2H2О→ 2FeSО4 + 2H2SО4, 4FeSО4 + О2 +10H2O → 4Fe (OH) 3 + 4H2SО4.

Получающаяся в процессе окисления пирита серная кислота начинает ре-агировать и с породами, составляющими основную часть отвалов, и с сульфи-дами других металлов. Одним из продуктов этих реакций может быть ядовитый сероводород:

FeS2 + H2SО4 → FeSО4 + H2S↑ + S. Если на пути кислых вод, образующих ручьи и грунтовые потоки, создать

искусственный геохимический барьер из углекислой извести и других карбо-натных материалов, то на таком щелочном барьере будут концентрироваться Cu, Zn и другие тяжёлые металлы-загрязнители. Искусственные геохимические барьеры могут относиться также к окислительному, сероводородному, глеево-му, сорбционному и другим классам. Существенно, что материал для создания техногенных барьеров может быть в самом ГПЛ в виде горных пород, почв, от-ходов производства и т. д. Задерживая загрязняющие элементы, геохимические барьеры являются важным фактором самоорганизации ГПЛ.

Часть реакций окисления идёт с выделением тепла, которого оказывается достаточно для возгорания углистого вещества отвалов. В результате горения отвалов в атмосферу выделяется значительное количество ядовитых газов (СО, SO2, H2S, NOx и др.) и аэрозолей различного состава.

Наиболее перспективный способ нейтрализации отрицательного воздей-ствия отвалов на соседние ландшафты – создание на них почв и посадка раз-личных растений (рекультивация).

127

Нефтегазоносные бассейны. Ландшафты нефте- и газопромыслов. Добыча и использование горючих полезных ископаемых – наиболее ин-

тенсивный источник загрязнения окружающей среды. В районах добычи угля, нефти и газа на 1 км2 поверхности суши приходится сотни и тысячи тонн орга-нических и минеральных загрязняющих веществ. При добыче угля и нефти по сравнению с рудами металлов в биосферу поступает больше углерода, азота, се-ры, калия, мышьяка, алюминия, кадмия, титана, марганца, молибдена, кобальта, лития, свинца, фтора, брома и других элементов. Металлы содержатся в буровых растворах, сырой нефти, ингибиторах коррозии и т. п., а также остающихся от изнашивания инструментов и механизмов, от обилия обычно оставляемых на этих территориях сломанных механизмов, труб и другого металлолома.

Загрязнение нефтью и нефтепродуктами стало одной из наиболее острых экологических проблем, приобрело региональный и даже глобальный масштаб. Загрязнение окружающей среды нефтью происходит при её добыче и транспор-тировке. Западно-Сибирский, Волго-Уральский, Прикаспийский нефтегазонос-ные бассейны занимают огромные площади, а транспортировка нефти носит уже трансконтинентальный характер. На суше основные очаги загрязнения свя-заны с нефтепромыслами, занимающими десятки и сотни квадратных километ-ров. Внутри промыслов центрами формирования техногенных потоков являются эксплуатационные скважины. Особенно сильное загрязнение проис-ходит при авариях на скважинах и нефтепроводах.

В районе нефтепромыслов основными загрязнителями являются сырая нефть, высокоминерализованные нефтяные и сточные воды, продукты сжига-ния попутных газов. Техногенное воздействие самой нефти на ландшафты определяется токсичностью её основных компонентов. Среди них особо опасны для микроорганизмов, водорослей, почвенных животных, растений лёгкая, наиболее подвижная фракция, состоящая из метановых, циклических (нафтено-вых и ароматических) углеводородов. Ароматические углеводороды (арены) – наиболее токсичные компоненты нефти. Моноядерные арены типа бензола ока-зывают быстрое токсичное действие. Влияние полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) ведёт к более отдалённым экологическим последствиям, включая канцерогенные. Наиболее распространённому представителю канце-рогенных ПАУ 3,4-бензпирену уделяется большое внимание при оценках и мо-ниторинге окружающей среды.

Среди тяжёлых неуглеводородных компонентов нефти преобладают смо-лы и асфальтены, воздействие которых заключается главным образом в изме-нении водно-физических свойств нефтезагрязнённых почв и пород (цементация

128

порового пространства и т. п.), а также сернистые соединения (сероводород, меркаптаны, сульфиды, свободная сера и др.). Особенно токсичны сероводород и меркаптаны.

Во многих нефтях повышено содержание микроэлементов – ванадия, ни-келя, кобальта, свинца, меди, урана, мышьяка, ртути, молибдена. Наиболее рас-пространены ванадий и никель, входящие в состав смол и асфальтенов.

В тундровых и таёжных ландшафтах нефть накапливается в болотных почвах. В степях и пустынях трансформация загрязнённых почв протекает зна-чительно быстрее за счёт испарения нефти и минерализации, повышенной мик-робиологической и ферментативной активности почв.

Вместе с нефтью в ландшафты поступают солёные воды, которые, как правило, имеют хлоридный кальциевый и натриевый состав часто с минерали-зацей выше 100 г/л. Нефтяные воды также обогащены иодом, бромом, бором, стронцием, барием.

При разработке газовых и нефтяных месторождений и при сгорании фа-келов в атмосферу выбрасывается большое количество метана и других углево-дородов. Особенно опасная экологическая ситуация складывается в районах добычи и переработки серосодержащих газов, среди которых наиболее токси-чен сероводород. В составе попутных газов в некоторых районах, например, в Северном Прикаспии, содержание сероводорода достигает 20–30 %; высоко со-держание паров ртути.

Техногенная трансформация природных ландшафтов в районах добычи нефти происходит в результате механических нарушений поверхности (уни-чтожение растительного покрова, раскорчёвка, планировка буровой площади, уменьшение мощности верхней части почвенного профиля, её уплотнение, по-гребение почв и др.), гидродинамических нарушений геологической среды (из-менение уровня грунтовых и подземных вод) и геохимического воздействия на отдельные компоненты ландшафтов. Особенности этой трансформации нахо-дятся в сложной зависимости от характера и состава загрязнителей, длительно-сти их воздействия, ландшафтно-геохимической обстановки.

Кроме районов нефтедобычи техногенное загрязнение происходит в ме-стах переработки и потребления нефти и нефтепродуктов, которые приурочены к промышленным районам.

5.4 Агроландшафты (агротехногенез)

Это земельные участки, используемые в полеводстве, животноводстве

(различные помещения и окружающая их территория, выгоны, пастбища),

129

растениеводстве (сады, виноградники, чайные и ягодные плантации) и т. д. Однако, во всех этих ландшафтах при преобладающем значении техногенной миграции продолжает существовать биологический круговорот элементов, и его роль иногда достаточно велика. Элементы, вовлекаемые в биологический круговорот, находятся в сельскохозяйственных ландшафтах в тех частях куль-тивируемых растений, которые не вывозятся с урожаем (корни, листья, ботва и т. п.). Особенности миграции элементов в сельскохозяйственных ландшаф-тах, подтверждающие ведущую роль техногенной миграции:

– Ежегодно с площади 1 га вывозится с урожаем до 10 000 кг различных элементов (в пересчёте на сухое вещество).

– Среди постоянно выносимых химических элементов резко преобла-дают биофильные (О, К, N, P, Ca, Mg, Si, S, Мn, Fe и др.). В небольших количе-ствах вывозятся с урожаем и другие элементы, также находящиеся в биогенной форме.

– Ежегодно в сельскохозяйственные ландшафты вносится техногенным путём до 600 кг/га элементов в виде минералов, а часто и в форме техногенных соединений, не имеющих природных аналогов. Среди элементов, наиболее часто вносимых в почву с удобрениями, преобладают N, Р, К; из микроэлементов –В, Мn, Мо и Сu.

– Техногенным путём под отдельные культуры вносится до 40 т/га ор-ганических удобрений (навоз, торф, различные компосты). В этих удобрениях значительная часть химических элементов находится не в минеральной, а в биогенной форме.

– Небольшое количество химических элементов постоянно поступает при износе различных машин и инструментов, а также из оставляемых в ланд-шафтах упаковочных материалов (производственный мусор).

– Масса элементов, вовлекаемых в полный биологический круговорот, в сельскохозяйственных ландшафтах незначительна по сравнению с массой эле-ментов, участвующих в техногенной миграции.

– Верхний горизонт почв большинства сельскохозяйственных ланд-шафтов подвергается постоянному техногенному механическому перемешива-нию при перепахивании почв.

Главное назначение агроландшафта – производить максимум сельскохо-зяйственной продукции – вступает в противоречие с использованием средств химизации, приводящих к загрязнению среды, нередко превышающему допу-стимые экологические нормы. С ростом распаханности растёт и загрязнение земель минеральными удобрениями, пестицидами и другими средствами хими-зации, особенно в развивающихся странах. Агротехногенез влияет на природ-

130

ную среду в глобально-региональном масштабе, особенно в таких регионах длительного интенсивного земледелия, как Египет, Ближний Восток, Европа, Средняя Азия, Индия, Китай и др. Выбросы вредных веществ в атмосферу имеют здесь меньшее значение, чем в промышленных районах, загрязнение почв и водоёмов вполне сопоставимо.

По интенсивности и характеру воздействия выделяются два геохимиче-ских типа агротехногенеза:

– прямое геохимическое влияние агротехногенеза на природные ланд-шафты – химизация сельского хозяйства и агротехногенная обработка земли;

– косвенные геохимические последствия, возникающие в результате гидромелиорации, эрозии почв, обезлесения, опустынивания и других процес-сов деградации ландшафтов.

Для возмещения выноса химических элементов с урожаем, повышения продуктивности агроландшафтов, борьбы с сорняками, вредными насекомыми и микроорганизмами применяются минеральные и органические удобрения, пе-стициды и др. агрохимические средства. Химизация наряду с полезными ре-зультатами сопровождается нежелательной трансформацией круговорота и баланса химических элементов. Негативное следствие химизации – загрязнение почв, растений, вод, животных и человека азотом, фосфором, тяжёлыми метал-лами, пестицидами. Существенно, что во всех видах удобрений не нормировано содержание большинства микроэлементов, в т. ч. приоритетных загрязнителей (это главный источник поступления тяжёлых металлов в агроландшафты).

Пестициды – синтетические органические соединения, используемые для борьбы с вредными насекомыми (инсектициды), сорняками (гербициды), бо-лезнями растений (фунгициды, бактерициды), для регуляции роста растений (дефолианты) и др. Известно более ста тысяч пестицидов, что затрудняет их аналитическую идентификацию в окружающей среде. Выделяются хлорорга-нические (ХОП) и фосфорорганические пестициды. Многие из них, прежде все-го ДДТ, не разлагаются несколько десятков лет и аккумулируются в почвах, водах, донных осадках, пищевых цепях, вредно действуя на организмы.

Пестициды уменьшают потери урожая и повышают продуктивность сель-скохозяйственных культур, но с их применением связана и существенная эколо-гическая опасность – загрязнение почв, вод и растений. В отличие от главных элементов питания (N, P, K) и микроэлементов, повсеместно присутствующих в ландшафтах, пестициды поступают в них только в результате хозяйственной дея-тельности. Поэтому даже низкие их концентрации в воздухе, почвах, водах и рас-тениях указывают на техногенез. Производство и применение пестицидов привело

131

к глобальному загрязнению биосферы этими синтетическими соединениями. Кроме органических соединений хлора и фосфора некоторые пестициды содержат токсичные микроэлементы, в частности мышьяк.

Уровень загрязнения и состав элементов-загрязнителей не одинаков в различных регионах. В целом минеральные удобрения и другие средства хими-зации являются мощным фактором загрязнения агроландшафтов.

Дальнейшее деление с/х ландшафтов проводится с учётом факторов, определяющих особенности техногенной миграции элементов:

– содержание и формы нахождения основных химических элементов (и их соединений), ежегодно выносимых за счёт техногенеза с определённой пло-щади ландшафтов, а также их соотношение с количеством элементов, вовлека-емых в данном ландшафте в биологический круговорот;

– содержание и формы нахождения основных химических элементов (и их соединений), поступающих за счёт техногенных процессов на определён-ную площадь ландшафтов;

– техногенное механическое перемещение элементов (приводящее к их более равномерному распределению, выносу или концентрации) в тех частях сельскохозяйственных ландшафтов, для которых характерно максимальное напряжение геохимических процессов (обычно это почвы).

С учётом указанных факторов, сельскохозяйственные ландшафты делят на: ландшафты, занимаемые однолетними культурами, смена которых опреде-ляется особенностями севооборота; ландшафты с многолетними с/х культура-ми и животноводческие.

На территории России наибольшую площадь занимают ландшафты с се-вооборотом однолетних культур. Основная масса элементов из этих ландшаф-тов удаляется в биогенной форме техногенным путём при уборке урожая. Техногенным путём вносятся в форме минеральных удобрений в основном азот, фосфор, калий. В БИК в ландшафтах с зерновыми культурами вовлекается совсем небольшое количество химических элементов, связанных с корнями растений. В ландшафтах с овощными культурами оно может быть несколько больше, как и общая масса выращенной и вывезенной продукции.

Ландшафты с многолетними сельскохозяйственными культурами – это сады, виноградники, чайные, ягодные, ореховые и т. д. плантации. Из них так-же с урожаем выносятся элементы в биогенной форме, а с удобрениями и сред-ствами химической борьбы с вредителями, болезнями и сорняками вносятся преимущественно в минеральной форме. Химических препаратов для борьбы с вредителями и болезнями растений вносится в 1,5–3 раза больше на единицу

132

площади, чем в ландшафтах с однолетними культурами, причём обычно вно-сится гораздо больше меди и железа. Часть вносимых элементов вовлекается в биологический круговорот, т. к. почвы частично перепахиваются.

Животноводческие ландшафты имеют ряд особенностей. Площадь их, как правило, гораздо меньше, чем ландшафтов с сельскохозяйственными куль-турами. Они отличаются крайне быстрой изменчивостью условий, определяю-щих миграцию элементов в их различных частях, т. к. животноводческие ландшафты состоят из разнородных, но связанных между собой в единое целое частей: пастбища, выгоны, различные помещения и административные здания. Химические элементы поступают в эти ландшафты в основном в биогенной форме с кормами, а выносятся в биогенной, минеральной формах и в виде вод-ных растворов. Постоянно в почвы ландшафтов с животноводческими фермами вносятся в повышенных концентрациях С, Р, N, S, К, Са, Al, Mg. Биологиче-ский круговорот химических элементов в животноводческих ландшафтах срав-нительно ограничен и характерен лишь для пастбищ (лугов). В эти части ландшафтов значительное количество элементов поступает и в минеральной форме при внесении удобрений. Почвы на пастбищах иногда подвергаются пе-репахиванию (но не ежегодному).

Изучение особенностей миграции химических элементов в сельскохозяй-ственных ландшафтах показало, что почвы в них (как и в биогенных) продол-жают испытывать интенсивное напряжение геохимических процессов. Но в данных ландшафтах отсутствуют геохимически наименее активные почвы, ха-рактерные для биогенных ландшафтов пустынных районов. Это связано с тем, что при сельскохозяйственном освоении поступают дополнительные порции воды. Изменение ранее существовавшего водного режима учитывается в клас-сификации: все сельскохозяйственные ландшафты объединяются в мелиори-руемые и немелиорируемые. Наибольшее значение обычно имеет водная мигра-ция. С её учётом различают орошаемые, осушаемые и периодически заливае-мые ландшафты (рисовые чеки).

На осушаемых землях изменение водного режима часто вызывает смену кислородного режима почвенных горизонтов. В осушённых торфяниках вместо ранее существовавших глеевых начинают преобладать процессы окисления и минерализации органического вещества.

На орошаемых землях объём получаемой ежегодно продукции возрастает в 4–5 раз. Эти земли, составляющие около 13 % площади пашен, дают более 50 % мирового урожая. Соответственно, с них происходит наибольший техногенный вынос элементов, находящихся в биогенной форме. Однако орошение часто при-водит к вторичному засолению почв, которому в мире подвержено до 40 % всех

133

орошаемых земель. Важную роль в развитии засоления играют сухой климат, не-большая глубина залегания грунтовых вод, повышенная степень их минерализа-ции и т. д. В результате засоления изменяются геохимические особенности почв, а накопившиеся в них элементы препятствуют нормальному развитию организмов.

В периодически заливаемых ландшафтах почвы во время покрытия водой становятся подобны илам или почвам пойм. Но срок залива земель не совпадает с паводками и довольно продолжителен. В эти ландшафты вносится большое количество удобрений в минеральной форме.

Фоновое содержание химических элементов в почвах сельскохозяйствен-ных ландшафтов весьма различно и определяется как техногенными, так и при-родными факторами. Из техногенных факторов основные – мелиорация и замена одних ландшафтов другими. Природные факторы – воздушная эрозия, рельеф и состав почвообразующих горных пород. Так, в условиях постоянных ветров значительное влияние на распределение металлов в почвах оказывает воздушная эрозия. Её результатом является выдувание наиболее лёгких частиц почв, не связанных с тяжёлыми металлами. При этом происходит обогащение почв частицами, сорбировавшими металлы, и, как следствие, увеличение со-держания этих металлов в верхнем почвенном горизонте. Выдуванию лёгких частиц способствуют ежегодные перепахивания и большие площади, занятые только пашнями.

5.5 Лесотехнические ландшафты

Объединяют участки площадных лесопосадок, вырубки лесов (лесоразра-

боток), лесных плантаций и лесозащитных полос, находящихся за пределами населённых пунктов и промышленных ландшафтов. Несколько обособленно стоят ландшафты лесоразработок. Они отличаются значительным тех-ногенным вывозом элементов, находящихся в биогенной форме. Кроме того, в почвы этих ландшафтов попадает большое количество различных раститель-ных остатков (ветки, кустарник, лесной подрост), срубленных, но не вывози-мых с участков лесоразработок. За счёт этого в биологический круговорот в первые годы вовлекается гораздо больше элементов, чем в ранее существовав-ших лесах. Однако под воздействием гумусовых кислот, образующихся при разложении растительных остатков, из почв возможен и значительный вынос некоторых соединений. В ландшафты лесоразработок поступает определённое количество элементов (их соединений), не характерных и даже чуждых ранее существовавшим лесам: различный производственный мусор, продукты износа машин и механизмов, нефтепродукты и др. В своём дальнейшем развитии

134

ландшафты лесоразработок могут постепенно переходить в биогенные ланд-шафты болот, степей и лесов.

Ландшафты площадных лесопосадки ландшафты лесных плантаций (в число которых входят плантации – источники сырья для целлюлозно-бумажных комбинатов и плантации энергетических лесов) чаще всего распола-гаются среди биогенных лесных ландшафтов, т. е. их созданию в большинстве случаев предшествует вырубка ранее существовавших лесов и техногенный вынос элементов, находящихся в биогенной форме. Общее количество эле-ментов, вывозимых с площади в 1 га (биомасса), обычно колеблется от 100 до 600 т. Основными вывозимыми элементами (кроме О, С, и Н) являются N, К, Са, Р, Mg, Si, Al, Mn, Fe, Na, S, CI. Кроме этих элементов, в зольной части уда-ляемой биомассы в сотых и тысячных долях процента содержатся Ni, Cu, Ti, V, Zn, Zr, Ba, Sr и др. После вывоза леса производится планировка территории, включающая в себя механическое перемещение почвенных горизонтов, а ино-гда (при создании в горных условиях террас) и почвоподстилающих горных по-род. Затем осуществляется посадка нового леса семенами и саженцами, т. е. в ландшафт привносится небольшое количество элементов в биогенной форме. Посадка часто сопровождается внесением удобрений (поступление элементов в минеральной форме), после чего процесс интенсивного техногенного воздей-ствия на ландшафт прекращается (хотя иногда на протяжении нескольких лет вносятся минеральные подкормки) до созревания леса, которое происходит обычно через десятки лет.

Лесополосы отличаются от ландшафтов площадных лесопосадок отсут-ствием предшествующих вырубок, необычным подбором деревьев, а главное – небольшой шириной лесопосадок. Отсутствие предшествующих вырубок приво-дит к отсутствию техногенного выноса из ландшафтов элементов, находящихся в биогенной форме. Поэтому в первые годы существования лесопосадок в почвах происходит меньше геохимических изменений, в частности минимален вынос водами органических кислот и некоторых элементов. Изменение биологического круговорота элементов связано с появлением новых видов растений. Кроме того, в лесополосах часто встречаются посадки фруктовых деревьев, и из-за ежегодно-го вывоза химических элементов с плодами биологический круговорот наруша-ется, а лесополосы по ряду особенностей приближаются к ландшафтам садов. От ландшафтов лесных плантаций лесополосы отличаются в основном отсутствием ежегодной техногенной обработки и специального внесения подкормок. Не-большая ширина лесополос способствует усилению влияния на этот ландшафт соседних ландшафтов, которые могут быть как техногенными, так и природными. В лесополосы, расположенные среди полей, попадают удобрения и пестициды.

135

Существенное влияние на лесополосы оказывают также соседние природные ландшафты. В этом случае в лесополосах наблюдается большое число растений, «переместившихся» из соседних ландшафтов (своеобразное «остепнение»).

Таким образом, имеются существенные отличия миграции элементов в лесотехнических ландшафтах от миграции во всех остальных техногенных ландшафтах и даже в наиболее близких к ним ландшафтах садов. В то же время большинство лесотехнических ландшафтов может постепенно переходить в ландшафты обычных лесов.

5.6 Техногенные дорожные ландшафты

Объединяют дороги и сопровождающие их дренажные системы. Зоны от-

чуждения вдоль дорог являются самостоятельными ландшафтами. Они могут относиться к природным (например, степи) или техногенным (огороды), испы-тывающим постоянную и своеобразную техногенную нагрузку. Дороги не имеют никаких природных аналогов и резко отличаются от пересекаемых ими природных и техногенных ландшафтов по набору химических элементов (со-единений) и формам их нахождения, по морфологическим особенностям и осо-бенностям геохимической связи с соседними ландшафтами, по миграции элементов в пределах самого ландшафта.

Ландшафты автомобильных и железных дорог различаются между собой: – по «экранирующему воздействию», т. е. способности препятствовать

миграции (обмену элементами) между двумя частями ландшафтов, разделяе-мых дорогой;

– по набору элементов, «поставляемых» ими в соседние ландшафты. В практике геохимии ландшафта основное внимание пока уделяется не самим дорожным ландшафтам, а их влиянию на соседние ландшафты.

5.7 Геохимия аквальных ландшафтов

Водные ландшафты занимают значительную часть поверхности Земли и

имеют огромное значение для человечества. Особую роль играют внутрикон-тинентальные пресноводные ландшафты, обеспечивающие орошение земель, снабжение населённых пунктов и предприятий питьевой и технической водой. Водные ландшафты являются источниками многих продуктов питания и важ-ными транспортными артериями. Выделяют шесть таксономических уровней в классификации водных ландшафтов.

Так же, как и ландшафты суши, водные ландшафты объединяются с учё-том основных форм движения материи в две группы: природ-

136

ные(биогенные)и техногенные. Это деление несколько условно, т. к. даже са-мые удалённые от промышленных и сельскохозяйственных регионов участки Мирового океана испытывают все возрастающее «техногенное давление». По-этому к техногенным относят только водоёмы искусственного происхождения – водохранилища, каналы и пруды. Озера, реки, внутриконтинентальные моря, а также Мировой океан с составляющими его морями относятся к природным (биогенным) ландшафтам.

Из техногенных аквальных ландшафтов наибольшую площадь занимают водохранилища. По особенностям миграции элементов они наиболее близки к биогенным ландшафтам. Большинство водохранилищ создано путём техноген-ного регулирования речного стока. При этом основная миграция элементов, происходившая в реках в виде механически перемещающихся частиц различно-го размера, коллоидных и истинных растворов, стала полностью определяться техногенными процессами. Это резко отличает ландшафты водохранилищ от природных. Ландшафты водохранилищ в сравнении с ландшафтами озёр харак-теризуются большей внутригодовой амплитудой колебания уровня вод и более интенсивным водообменом. Сложное переплетение природных и техногенных процессов, протекающих в этих водоёмах, часто приводит к результатам, зна-чительно отличающимся от ожидаемых при строительстве. Водохранилища за-иливаются и заболачиваются. Под влиянием гниения массового количества водорослей, бурно развивающихся в хорошо прогреваемых мелководных бас-сейнах и сносимых в приплотинные участки, возникает бескислородная глеевая обстановка. Почвы ландшафтов суши, прилегающие к водохранилищам, под-вергаются засолению. Иногда это приводит к сокращению срока полезного су-ществования водохранилищ в два-три раза по сравнению с проектируемым.

Пруды, как и водохранилища, представляют собой искусственные водоёмы в естественных или (чаще) искусственных углублениях. Преобладают неболь-шие пруды с площадью зеркала вод не больше нескольких гектаров. Их питание в основном связано с таянием снегов и дождями. Обычно они используются для орошения, водопоя скота, рыбоводства, а вблизи населённых пунктов служат ме-стом отдыха жителей. Со временем пруды стареют, происходит их заиливание и полное зарастание водно-болотной растительностью. Сроки существования пру-дов (без их очистки): в равнинных условиях немного более 50 лет, в условиях пересечённой местности – 10 лет. В прудах, создаваемых для разведения рыбы, не только проводится чистка, но часто контролируется миграция химических элементов (в т. ч. их поступление с кормами и удобрениями в ландшафт), а так-же видовое разнообразие прудовой флоры и фауны. С изменением геохимиче-ской обстановки продуктивность прудов может измениться во много раз.

137

В ландшафты каналов специальный техногенный привнос химических элементов отсутствует, лишь иногда на малопротяжённых участках в воды ме-лиоративных каналов добавляют удобрения. Но, несмотря на это, воды каналов часто содержат в больших количествах удобрения, сносимые с полей, особенно орошаемых. В ландшафты судоходных каналов определённое количество хи-мических элементов (обычно в форме таких специфических соединений, как нефть и нефтепродукты) попадает за счёт эксплуатации водного транспорта. Наибольшее техногенное воздействие каналы испытывают при периодически повторяемых работах по углублению и расширению русла. Действующие кана-лы влияют на ландшафты суши, по которым они проложены: вызывают подъем уровня грунтовых вод, который может вызвать засоление почв, а в биогенных ландшафтах суши – ещё и смену растительных сообществ. Заброшенные кана-лы быстро зарастают и, пройдя стадию болот, переходят в обычные ландшафты суши, но своеобразный рельеф сохраняется сотни лет.

Природные (биогенные) аквальные ландшафты разделяются на внутри-континентальные и океанические. Они во многом отличаются особенностью поступления элементов в водные бассейны, их последующим перераспределе-нием и концентрацией в илах. Среди внутриконтинентальных аквальных ланд-шафтов выделяют моря, озера, реки, а среди океанических – внутренние моря, окраинные моря и собственно океанические ландшафты.

В отличиеот ландшафтов суши в аквальных ландшафтах (не только в природных, но и в техногенных) роль биогенной миграции довольно велика. Поэтому в основу классификации положены биомасса и ежегодная продукция, которые во многом определяются видовым составом растительных сообществ. Например, при делении техногенных аквальных ландшафтов водохранилища выделяются ландшафты планктонных водорослей(низко-, средне-, высокопро-дуктивные) и тростниковых формаций. Значительный объём ежегодной про-дукции органического вещества не только не используется в народном хозяйстве, но и наносит ему значительный ущерб, т. к. вовремя максимального развития водорослей сокращается содержание в воде кислорода, приводящее к гибели рыб. Водоросли могли бы стать кормовыми добавками для животновод-ства. Но для этого нужно организовать дешёвую переработку водорослей и их извлечение из водохранилищ. Уничтожение же водорослей с помощью химиче-ских препаратов приводит к тяжёлым экологическим последствиям.

С процессами образования и разложения органических веществ, происходя-щими в ландшафтах различных растительных сообществ, связано формирование определённых окислительно-восстановительных условий миграции элементов в водах и донных отложениях. Выделяют различные сочетания окислительной,

138

восстановительной глеевой и восстановительной сероводородной обстановок. Иногда окислительно-восстановительная обстановка изменяется даже в разных го-ризонтах водной толщи. Наибольшие различия обычно характерны для верхних го-ризонтов, соприкасающихся с атмосферой, и придонных горизонтов водной толщи. Уже само изменение окислительно-восстановительных условий является важным показателем техногенного воздействия на аквальные ландшафты. Например, бес-кислородная глеевая обстановка в илах возникает после впадения в реку очень за-грязнённого притока. С изменением окислительно-восстановительных условий происходит концентрация в илах (а затем в растениях и в рыбе) целого ряда эле-ментов, включая тяжёлые металлы.

Важное значение имеет распределение типоморфных элементов в илах и водах.

Илы – биокосная система. Вернадский отметил их аналогию с почвами. Однако вместо атмосферы над ними располагается гидросфера. Имеется ещё ряд различий между этими биокосными системами, основными из которых яв-ляются следующие:

– рост толщи илов идёт в основном снизу вверх (в связи с этим влияние на их геохимические особенности подстилающих пород ослаблено) ;

– резко повышена роль воды, располагающейся над илами и про-питывающей их;

– влияние высших растений на образование морских и океанических илов чрезвычайно ослаблено, хотя роль высших растений остаётся значитель-ной в илообразовании в континентальных водоёмах и реках.

Поскольку у илов существует глубокая аналогия с почвами, возможно использовать учёт типоморфных элементов в илах при классификации водных ландшафтов. Но в аквальных ландшафтах учитывают типоморфные элементы не только в водных вытяжках из донных отложений, но и в самих водах (гидро-карбонат-и сульфат-ионы, катионы Са2+, Na+ и т. д.).

Таким образом, аквальные геохимические ландшафты представляют собой участки, покрытые водой, отличающиеся происходящими в них техногенными процессами и расположенные в определённых геоморфологических условиях с характерными растительными сообществами, окислительно-восстановительными условиями, типоморфными элементами и определённым типом донных отложе-ний. Все перечисленные особенности создают в пределах таких ландшафтов спе-цифические условия миграции и концентрации элементов. При этом в аналогичных геохимических ландшафтах существуют аналогичные условия ми-грации и концентрации химических элементов. Наблюдающиеся отличия в кон-центрации отдельных элементов объясняются их неодинаковым поступлением в

139

воды. Чаще всего такие геохимические аномалии связаны с техногенным поступ-лением элементов и их соединений.

Контрольные вопросы

1. На каких принципах строится классификация техногенных геохими-ческих ландшафтов?

2. Какие участки биосферы следует относить к сельскохозяйственным ландшафтам? Чем определяются важнейшие особенности миграции элементов в пределах сельскохозяйственных ландшафтов?

3. Животноводческие ландшафты. 4. Как влияют мелиорационные мероприятия на процессы миграции хи-

мических элементов в пределах сельскохозяйственных ландшафтов? 5. Какие территории следует относить к промышленным ландшафтам?

Отличие процессов миграции, протекающих в промышленных ландшафтах, от миграции в биогенных ландшафтах.

6. Лесотехнические ландшафты. Особенности миграции химических элементов в этих ландшафтах.

7. Техногенные дорожные ландшафты. 8. Ландшафты населённых пунктов. Какие характерные особенности

присущи ландшафтам населённых пунктов? 9. Чем вызвана необходимость крупномасштабного картографирования

селитебных ландшафтов?

140

6. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Загрязнение биосферы, сопровождающее различные техногенные процес-

сы, непрерывно возрастает. Без объективной комплексной оценки невозможно принятие научно обоснованных решений, связанных с охраной окружающей среды и рациональным использованием природных ресурсов. Первый шаг – это оценка существующего в настоящее время состояния окружающей среды. Эко-лого-геохимическая оценка состояния окружающей среды может быть каче-ственной и количественной; она должна производиться поэтапно, в определённой последовательности.

Исследования начинают с установления тенденции развития конкретных процессов и их качественной оценки, а затем переходят к количественной оценке. После количественной оценки общего состояния окружающей среды изучаемого региона приступают к эколого-геохимической оценке последствий конкретных природных и техногенных процессов. Эта работа также может быть подразделена на качественную (её следует проводить раньше) и количе-ственную – завершающую.

Оценить влияние деятельности конкретных загрязнителей, даже если это крупные территориально-промышленные комплексы, на биосферу в целом практически невозможно. Биосфера слишком велика, и происходящие в ней техногенные изменения являются следствием деятельности всего человечества на разных участках нашей планеты. В связи с этим изучать последствия де-ятельности конкретных загрязнителей следует в геохимических ландшафтах, составляющих биосферу и являющихся (как и она) биокосными системами.

В биосфере под воздействием различных антропогенных процессов про-исходит множество изменений:

– перемещение громадного (сравнимого с планетарной деятельностью рек) количества горных пород и почв;

– изменение концентраций целого ряда химических элементов на боль-ших площадях в почвах, водах, живых организмах;

– изменение климатических условий, как в региональном, так и плане-тарном плане, связанное с техногенным увеличением в атмосфере СО2, ряда уг-леводородов, фреонов, озона, а также со строительством гигантских водохранилищ, осушением болот и уничтожением лесов и т. д.

Возможно ли по единой методике оценить столь различные по размерам и последствиям техногенные и природные изменения, происходящие в биосфере?

141

В первую очередь нужно систематизировать эколого-геохимические изменения, происходящие в биосфере. С точки зрения миграции – концентрации химических элементов, все важнейшие изменения объединяются в четыре основных вида:

1) изменение концентрации химических элементов (их соединений) в пределах отдельных частей биосферы;

2) изменение формы нахождения химических элементов (и даже видов соединений элементов при одной и той же форме их нахождения) в пределах отдельных частей биосферы;

3) появление в больших количествах техногенных соединений, практи-чески не имеющих природных аналогов или не характерных для данных при-родных условий;

4) механическое перемещение значительных масс химических элементов (они могут находиться в различных формах и образовывать различные виды со-единений) без существенного изменения формы нахождения составляющих их химических элементов.

Все четыре вида изменений можно оценить не только качественно, но и количественно с позиций перемещения и концентрации химических элементов (их соединений).

Любая количественная оценка изменений, происходящих в геохимиче-ских ландшафтах, должна проводиться с учётом форм нахождения химических элементов. Это даёт возможность охарактеризовать такие различные явления, как загрязнение через атмосферу природных территорий, загрязнение рек в ре-зультате сброса сточных вод, вырубку лесов и т. д.

Общие требования при оценке любого явления или процесса: – оценка должна быть объективной; – оценка должна быть при аналогичных внешних условиях воспроизво-

димой. С выполнением этого требования связан мониторинг окружающей сре-ды. Если не происходит никаких последующих изменений, то результаты повторной оценки должны практически полностью совпадать с результатами первой. Если же (с выполнением условия воспроизводимости) результаты раз-личаются, то отличия можно считать изменениями, происшедшими в окружа-ющей среде за период между первой и последующими оценками состояния од-ного и того же изучаемого участка биосферы;

– оценка состояния окружающей среды осуществляется по единой ме-тодике, обеспечивающей выражение результатов в единых общепринятых еди-ницах измерения, а также возможность отражения информации в виде картографического материала;

142

– результаты оценки должны быть конкретными, доступными для вос-приятия, наглядными.

Эти общие требования касаются оценки любых явлений или процессов, проводимой на современном уровне. Однако эколого-геохимическая оценка со-стояния биосферы требует выполнения ряда специфических условий:

1. Биосфера и составляющие её геохимические ландшафты являются очень сложными биокосными системами. При любой оценке состояния биокос-ных систем биогенная форма нахождения должна рассматриваться отдельно. Однако в составе геохимических ландшафтов находятся и такие самостоятель-но обособляющиеся биокосные системы, как почвы, подземные и поверх-ностные воды, атмосфера. Данные системы также должны подвергаться само-стоятельному изучению. Это требует обязательной комплексности исследова-ний. Изучение только отдельных частей ландшафта может дать информацию, по которой будут приняты неправильные решения.

2. Методика работ по оценке состояния отдельных участков биосферы должна обеспечивать возможность постепенного перехода от экспрессной ка-чественной оценки к количественной и экономической. Только при выполнении этого условия появляются:

– преемственность работ, проведённых на разных этапах исследований; – возможность использования результатов исследований прошлых лет; – практическая основа для проведения мониторинга. В настоящее время тратится много средств на оценку состояния окружаю-

щей среды, особенно в регионах с ожидаемым развитием промышленности, про-ектированием новых нефте- и газопроводов. Эти работы часто выполняют люди без достаточной подготовки и по методикам, не соответствующим поставленным задачам, или вообще без определённых методик. Использовать результаты таких работ для мониторинга, оценки влияния техногенных процессов на состояние среды, а тем более проведения экономической оценки невозможно.

3. Должна соблюдаться определённая последовательность проведения исследований, для исключения ошибок, связанных с неправильным выбором района работ и масштаба исследований.

Выделяют четыре основных стадии работ по оценке состояния окру-жающей среды:

1) региональные работы в масштабе 1:500 000 – 1:200 000 (очень редко масштаб региональных работ может уменьшаться до 1:1 000 000 – 1:2 000 000);

2) среднемасштабные работы (1:100 000 – 1:50 000); 3) крупномасштабные работы (1:25 000 – 1:10 000);

143

4) режимные наблюдения и оценка состояния населённых пунктов с мас-штабом исследований крупнее 1:10 000.

Обособленно проводят глобальную оценку состояния окружающей среды как для всей биосферы в целом, так и для очень больших регионов (территории всей России). Масштаб таких исследований обычно меньше 1:5 000 000.

При работе по оценке состояния окружающей среды (особенно в новых регионах) начинать исследования следует с региональных работ, постепенно переходя от одной стадии к другой (в виде исключений возможны отклонения от рекомендуемой последовательности).

4. При ограничении площадей участков, на которых проектируется про-ведение эколого-геохимической оценки состояния окружающей среды, необхо-димо учитывать особенности природной миграции элементов, определяемые ландшафтно-геохимическими факторами. При отсутствии карт геохимических ландшафтов соответствующего масштаба необходимо обращать внимание на рельеф местности и особенности воздушной миграции. Рельефом будет опреде-ляться основная часть поверхностного и подземного стоков. Наилучшими гра-ницами могут считаться водоразделы и области накопления осадков. В этом случае исключается «разрезание» аномалий, связанных с единым природным потоком мигрирующих элементов.

В областях с интенсивной антропогенной деятельностью границы райо-нов работ (особенно при региональных исследованиях) можно ограничивать административными границами, поскольку в таких регионах техногенное по-ступление химических элементов (их соединений) в ландшафты и их миграция преобладают над аналогичными природными процессами. Развитие же техно-генных процессов в нашей стране долгое время шло только по административ-ным указаниям без всякого учёта природных условий и соответственно менялось на административных границах.

5. Основные принципы методики проведения эколого-геохимической оценки территорий должны быть независимы от масштаба исследований, а также от природных условий и техногенной нагрузки различных оцениваемых территорий.

6. Наиболее удобной для использования и в то же время наглядной формой анализа результатов является представление соответствующих картографиче-ских материалов. Лучшей основой являются карты геохимических ландшафтов.

Исследования по оценке состояния окружающей среды начинают с её ка-чественного анализа. Проведение этих работ даёт общую оценку состояния от-дельных участков биосферы. Основой качественной оценки состояния

144

окружающей среды является ландшафтно-геохимическое картирование. Карты геохимических ландшафтов объективно и комплексно отражают состояние окружающей среды на период их составления.

В основе составления карт геохимических ландшафтов учтены сложные закономерности связи между отдельными биокосными системами, составляю-щими ландшафт и определяющими особенности миграции элементов (их со-единений). Учтены также особенности постепенного развития антропогенных изменений в различных частях (ярусах) геохимических ландшафтов, определя-емые законом развития антропогенных изменений в ландшафте. Так, антропо-генное загрязнение почвенных вод (соответственно и изменение их состава) приводит к определённым изменениям в составе почв, а затем и к изменению ассоциаций произрастающих на них растений.

Последовательность качественной оценки состояния окружающей сре-ды, проводимой на ландшафтно-геохимической основе:

1. Составив карту геохимических ландшафтов, переходят к определению тенденции развития конкретных изменений в изучаемом регионе. Эти тенден-ции можно устанавливать при определении результатов протекания какого-либо одного конкретного процесса.

2. Следующий этап – непосредственная качественная оценка состояния окружающей среды либо последствий техногенных или природных процессов. На картах геохимических ландшафтов выделяют геохимические ландшафты, необычные для данных природных условий. Их называют аномальными. Ино-гда пространственно или генетически связанные между собой аномальные ландшафты объединяются в отдельные аномальные зоны. Выделение таких ландшафтов и зон – важнейшая задача качественной оценки территорий по ре-зультатам первых исследований.

3. После проведения повторной оценки эколого-геохимического состояния территории (фактического начала мониторинговых исследований) полученные данные сравнивают с результатами первых исследований, т. е. переходят к каче-ственной оценке последствий природных и антропогенных процессов, происхо-дивших в промежутке времени между двумя эколого-геохимическими исследованиями. Для этого по данным сравнения карт геохимических ландшаф-тов определяется появление в регионе в указанный период новых геохимических ландшафтов, а также изменение границ между ранее существовавшими ланд-шафтами (развитие одних ландшафтов за счёт других). Такая оценка конкретно указывает на последствия развития природных или антропогенных факторов за определённый промежуток времени. Часто качественной оценки состояния

145

окружающей среды и её изменений за определённые промежутки времени быва-ет недостаточно и требуется количественная оценка этих явлений.

Разнообразие последствий антропогенной деятельности требует кроме количественного учёта происшедших изменений прогноза новых, ожидаемых, а также комплексного всестороннего подхода. При этом необходимо учитывать сложную картину переплетения различных видов миграции элементов.

Для этих исследований также требуется определённая после-довательность. Начинаться они должны (как и при качественной оценке) с мел-комасштабных (1:2 000 000 – 1:200 000) работ, дающих общую количественную характеристику больших территорий. Необходимо:

– рассматривать перемещения элементов на современном атомно-ионном уровне с учётом форм их нахождения;

– учитывать сложные, изменчивые взаимоотношения между элемента-ми в различных участках биосферы.

Все эколого-геохимические исследования проводят на ландшафтно-геохимической основе. При этом выполняются как общие требования к оценке эколого-геохимических последствий различных процессов и явлений, так и специфические.

Методика проведения исследований на суше: 1. Эколого-геохимические исследования делятся на четыре основные стадии: 1) региональные работы (масштаб 1:2 000 000 – 1:200 000); 2) среднемасштабные работы (1:100 000 – 1:50 000); 3) крупномасштабные работы (1:25 000 – 1:10 000); 4) режимные наблюдения. 2. Целесообразен постепенный переход от одной стадии к другой, начи-

ная с региональных работ. В определённых случаях возможны исключения, позволяющие без особого ущерба не проводить работы предшествующей мел-комасштабной стадии.

3. Работы, связанные с выполнением задания на каждой стадии, разделя-ются на этапы, отвечающие последовательности проведения полевых и каме-ральных работ. Проведение региональных, средне- и крупномасштабных работ включает следующие основные этапы:

– проектирование; – составление схематических ландшафтно-геохимических карт ка-

меральным путём по уже имеющимся данным; – полевые эколого-геохимические исследования и составление конди-

ционных ландшафтно-геохимических карт; – геохимическое опробование и проведение анализов;

146

– обработка результатов анализов, выявление аномальных участков; – написание и защита отчёта. 4. Для качественной оценки состояния окружающей среды составляются

кондиционные ландшафтно-геохимические карты, дающие комплексную оцен-ку состояния изучаемой территории на данный период.

5. При качественной оценке состояния окружающей среды к аномальным участкам относятся площади, занятые ландшафтами, необычными для данных природных условий. Обычно они возникают под воздействием различных по-бочных факторов, сопровождающих техногенные процессы (например, солон-чаки, образующиеся при орошении земель; болота на склонах гор, возникающие после сплошной вырубки леса на отдельных участках и т. д.).

6. Для количественной оценки состояния окружающей среды на подста-дии «геохимическое опробование» систематическому опробованию по сетке, соответствующей запроектированному масштабу работ, в обязательном поряд-ке подвергаются почвы и наиболее распространённые растения. В зависимости от планируемой степени точности количественной оценки опробованию под-вергается различное число видов растений, произрастающих в данных ланд-шафтно-геохимических условиях. С повышением степени планируемой точности количественной оценки надо не только увеличивать число опробуе-мых растений, но и подвергать систематическому опробованию поверхностные и подземные воды. При этом необходимо проектировать проведение таких ана-лизов проб (особенно почвенных), которые позволяли бы делать выводы о формах нахождения определяемых элементов в опробуемых объектах.

7. Особое значение имеет изучение фоновой радиоактивности геохимиче-ских ландшафтов и их составных частей, особенно сельскохозяйственных продук-тов – в проектах предусматривают специальные радиометрические исследования.

8. Основная цель исследований стадии региональных работ (1:2000 000 – 1:200 000) – общая комплексная региональная оценка состояния окружающей среды территории, отвечающей по административному делению России краю или области.

9. При качественной оценке состояния окружающей среды проведение региональных исследований должно дать объективную и разностороннюю ха-рактеристику региона, которая позволит оценить на основе составленной карты геохимических ландшафтов общее развитие техногенных процессов и их влия-ние на изучаемую часть биосферы.

10. При количественной оценке состояния окружающей среды на стадии региональных работ определяют (в соответствии с проектом) фоновые содер-жания всех рассматриваемых элементов (их соединений) в каждом выделенном

147

геохимическом ландшафте. На отдельных картах выделяют основные регио-нальные аномалии отдельных элементов (их соединений) и аномальные участ-ки. Устанавливается вероятная природа выявленных аномалий и основные источники загрязняющих веществ, образующих эти аномалии.

11. В пределах крупных выявленных аномалий производится подсчёт со-держания загрязняющих веществ, находящихся в определённых формах. Сначала подсчитывается общая масса загрязняющих веществ (для каждого отдельно), накопившихся в пределах аномалий в количестве, превышающем их фоновое со-держание в анализируемой части геохимических ландшафтов. Затем определяется значение показателя абсолютного накопления (ПАН) химических элементов, ха-рактеризующее интенсивность накопления на одинаковых площадях. ПАН пока-зывает, какая масса химического элемента (его соединений) накопилась в результате определённых процессов (как природных, так и техногенных) на еди-нице площади в концентрациях, превышающих региональное фоновое содержа-ние. Вместо фонового содержания (при отсутствии данных) можно брать кларковое или использовать величину ПДК. Показатель абсолютного накопления может рассчитываться (т/км2) для почв, вод, атмосферного воздуха, растений.

Для того чтобы установить интенсивность загрязнения по отношению к фоновому содержанию, ранее существовавшему на месте образовавшихся аномалий, определяется показатель относительного накопления (ПОН) – частное от деления показателя абсолютного накопления на фоновое (кларковое) содержание в почвах: ПОН = ПАН / Сф.

На этой же стадии исследований должны выделяться и отрицательные аномалии, т. е. участки с резко пониженным содержанием определяемых эле-ментов (их соединений). В пределах отрицательных аномалий целесообразен подсчёт количества выщелоченных, по сравнению с фоном для данного ланд-шафта, соединений. Затем так же, как и для положительных аномалий, но толь-ко со знаком « –» определяются ПАН и ПОН.

12. Основная цель исследований на стадии среднемасштабных работ – получение оценки состояния окружающей среды (качественной или количе-ственной) отдельных территорий, расположенных вблизи крупных городов или территориально-промышленных комплексов.

Исследования, отвечающие данной стадии, должны проводиться и на аномальных участках, выявленных на стадии региональных работ. При этом площадь проектируемых исследований должна обязательно выходить за преде-лы всех установленных на участке аномалий.

13. Среднемасштабные эколого-геохимические исследования целесообраз-но проводить только после окончания региональных работ предшествующей

148

стадии. В виде исключений на этой стадии могут начинаться работы по оценке состояния окружающей среды в новых ранее неосвоенных районах, на площа-дях, расположенных в районе проектируемых крупных промышленных центров.

14. Основная задача исследований на стадии крупномасштабных работ (1:25 000 – 1:10 000) – детальная оценка состояния (степени загрязнения) окру-жающей среды в пределах ранее выявленных аномальных участков и отдель-ных аномалий. Крупномасштабные исследования могут проводиться и за пределами аномалий с целью выбора и оценки состояния фоновых площадей. Это необходимо для создания своеобразных биосферных эталонов и последу-ющего проведения режимных наблюдений (четвертая стадия).

15. Крупномасштабные исследования проводят после окончания средне-масштабных работ. В виде исключения они проводятся на аномалиях, выявлен-ных при региональных исследованиях, а также используются для оценки состояния селитебных и промышленных ландшафтов.

16. Размеры участков, выбираемых для крупномасштабных исследований, должны быть такими, чтобы в их контурах полностью помещались все ранее выявленные аномалии отдельных аномальных участков.

17. По результатам крупномасштабных исследований устанавливают ис-точники загрязнения, вызвавшие возникновение аномалий, разрабатывают ре-комендации для предотвращения дальнейшего загрязнения участка и ликви-дации последствий происшедшего загрязнения.

18. Режимные наблюдения могут проводиться как в пределах ранее выяв-ленных аномалий, так и на эталонных участках без видимых техногенных из-менений и с фоновыми содержаниями элементов в различных составных частях геохимических ландшафтов.

Цель режимных наблюдений на ранее выявленных аномалиях – опреде-ление закономерностей изменения аномалий (их контрастности) в пространстве в зависимости от времени года (дня), интенсивности работы загрязняющих предприятий, мероприятий по охране окружающей среды, количества выпада-ющих осадков и их характера и др.

Цель режимных наблюдений в пределах фоновых площадей – установле-ние тех изменений, которые происходят на выбранном эталонном участке в за-висимости от времени года (месяца, дня): интенсивности и характера выпадающих атмосферных осадков, строительства, ввода в действие предприя-тий или их новых цехов и др.

Исследования первой и второй стадий позволяют установить, попадает ли данная территория в крупные (но, возможно, удалённые от загрязнителя) аномалии или же её можно отнести к фоновым участкам, не подверженным техногенному

149

загрязнению. Выяснить это без проведения указанных работ невозможно. Режим-ные наблюдения, осуществляемые на невыявленной аномалии, будут дезинформи-ровать исследователей и принесут большой вред для всех работ, связанных с охраной окружающей среды в регионе.

Крупномасштабные эколого-геохимические исследования позволяют определить чёткие границы между отдельными ландшафтами и выделить на исследуемой территории небольшие элементарные ландшафты. Режимные наблюдения за их изменениями станут основой наиболее оперативной каче-ственной оценки изменений в окружающей среде изучаемого участка.

19. Выборочные повторные наблюдения, осуществляемые через опреде-лённый срок (год, три года, пять лет) на территориях, ранее подвергнутых ландшафтно-геохимическому изучению, могут проводиться в масштабах, соот-ветствующих трём первым стадиям и рассматриваться как мониторинговые ис-следования. Проведение повторных работ обязательно не только на ранее выявленных аномалиях, но и на фоновых территориях.

При количественной оценке состояния окружающей среды по результа-там повторных исследований должны быть представлены конкретные данные об увеличении (уменьшении) содержания того или иного элемента (его соеди-нений) в почвах, водах, атмосфере и различных видах растений. Целесообразно также рассчитывать ПАН и ПОН.

Контрольные вопросы

1. Почему важна комплексность оценки состояния окружающей среды? 2. Назовите основные виды антропогенных изменений в биосфере. 3. Каковы основные требования к эколого-геохимической оценке состоя-

ния биосферы? 4. Из каких важнейших этапов состоит комплексная оценка состояния

территорий? 5. Как проводить количественную оценку состояния окружающей среды? 6. В чем недостатки использования ПДК как контрольных величин при

количественной оценке состояния окружающей среды больших территорий? 7. Какие величины наиболее приемлемы как нормирующие показатели

для отдельных крупных регионов? 8. Сформулируйте основные принципы количественной оценки состоя-

ния окружающей среды. 9. При помощи каких эколого-геохимических показателей можно объек-

тивно оценить эколого-геохимическую обстановку на различных территориях?

150

ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ 1. Основные формы нахождения химических элементов в земной коре. 2. Литосфера. Кларки литосферы. 3. Круговорот веществ в литосфере. Природная эколитохимия. 4. Антропогенное воздействие на эндогенные и экзогенные геохимиче-

ские процессы. 5. Атмосфера. Происхождение и кларки атмосферы. 6. Природная экоатмохимия. 7. Антропогенное воздействие на атмосферу и его геохимические по-

следствия. 8. Гидросфера. Строение, происхождение и кларки гидросферы. 9. Воды суши. Природная экогидрохимия. 10. Антропогенные изменения континентальных гидрогеохимических

циклов. 11. Эволюция, химический состав и антропогенные изменения Мирового

океана. 12. Педосфера. Кларки почв. Природная экопедохимия. 13. Глобальные и региональные антропогенные геохимические изменения

почв и почвенного покрова. 14. Биосфера и ландшафты Земли. Геохимическая организация биосферы. 15. Биогеохимические циклы. Геохимические последствия глобальных и

региональных изменений. 16. Геохимическая эволюция биосферы. 17. Миграция химических элементов в биосфере. Виды миграции. 18. Внутренние факторы миграции химических элементов. 19. Внешние факторы миграции химических элементов. 20. Эволюция процессов миграции химических элементов. 21. Геохимические барьеры. Количественные характеристики геохимиче-

ских барьеров. 22. Физико-химические барьеры. 23. Механические геохимические барьеры. 24. Биогеохимические барьеры. 25. Техногенные геохимические барьеры. 26. Комплексные геохимические барьеры. 27. Геохимия природных ландшафтов. Ландшафтно-геохимические системы. 28. Экогеохимия природных ландшафтов. Общие черты геохимии гумид-

ных и семигумидных ландшафтов.

151

29. Общие черты геохимии аридных и семиаридных ландшафтов. 30. Классификация геохимических ландшафтов. 31. Техногенез. Источники загрязнения окружающей среды. Природно-

техногенные и технические системы. 32. Техногенный метаболизм элементов. Природные, рудогенные и тех-

ногенные геохимические аномалии. 33. Города и городские ландшафты. Геохимическая классификация урба-

низированных территорий. 34. Горно-промышленные ландшафты. Горно-добывающие районы,

ландшафты районов нефте- и угледобычи. 35. Дорожные и другие линейные ландшафты. 36. Экогеохимия агроландшафтов. 37. Геохимия аквальных ландшафтов. 38. Законы поведения химических элементов в ландшафтах и развития в

них эколого-геохимических изменений. 39. Эколого-геохимическая оценка состояния окружающей среды.

152

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Алексеенко, В. А. Экологическая геохимия : учеб. / В. А. Алексеенко. – М. : Логос, 2000. – 627 с.: ил.

2. Богдановский, Г. А. Химическая экология : учеб. / Г. А. Богдановский. – М. : Изд-во МГУ, 1994. – 284 с.

3. Брач, Б. Я. Мониторинг окружающей среды в Республике Коми: учеб. пособие / Б. Я. Брач [и др.]; под ред. Б. Я. Брача. – Сыктывкар : Коми книжное издательство, 1995. – 208 с.

4. Вернадский, В. И. Живое вещество и биосфера / В. И. Вернадский. – М. : Наука, 1994. – 671 с.

5. Добровольский, В. В. География почв с основами почвоведения : учеб. для студентов высш. учеб. заведений / В. В. Добровольский. – М. : Гума-нит. изд. центр «Владос», 2001. – 384 с.: ил.

6. Добровольский, В. В. Основы биогеохимии : учеб. для студентов высш. учеб. заведений / В. В. Добровольский. – М. : Издательский центр «Ака-демия», 2003. – 400 с.

7. Перельман, А. И. Геохимия / А. И. Перельман. – М. : Высшая школа, 1989. – 528 с.

8. Перельман, А. И. Геохимия ландшафта / А. И. Перельман, Н. С. Касимов. – М. : Астрея, 1999. – 768 с.

9. Реймерс, Н. Ф. Охрана природы и окружающей человека среды (сло-варь-справочник) / Н. Ф. Реймерс. – М. : Просвещение, 1992. – 319 с.

10. Экогеохимия городских ландшафтов / Н. С. Касимов [и др.]; под ред. Н. С. Касимова. – М. : Изд-во МГУ, 1995. – 336 с.

153

Учебное издание

Мачулина Наталья Юрьевна

Геохимия окружающей среды

Учебное пособие

Редактор П. В. Котова. Технический редактор К. В. Зелепукина.

План 2015 г., позиция 056. Подписано в печать 30.10.2015 г. Компьютерный набор. Гарнитура Times New Roman.

Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 7,5. Уч. -изд. л. 8,1. Тираж 120 экз. Заказ № 300.

Ухтинский государственный технический университет. 169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13.

Типография УГТУ. 169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13.