 |
|
|
ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА |
Глава 29. ПОДВИЖНЫЕ И СЛАБОПОДВИЖНЫЕ ЛИТОФИЛЬНЫЕ ВОДНЫЕ МИГРАНТЫ
|
Смотрите также:
История атомов и география - Перельман
Биографии геологов, почвоведов
|
Слабоподвижные анионогенные элементы — Si, Р, Ge, Sn, Sb, As
При значительном разнообразии миграции геохимию этих элементов сближает анионогенность.
Кремний — Si (14; 28,085) После кислорода это второй по распространенности злемент земной коры, его кларк 29,5%. Химическая связь Si с кислородом исключительно прочна и почти не нарушается. Поэтому геохимия кремния — это во многом геохимия кремнезема (Si02). Свободный кремнезем в форме кварца и его разновидностей составляет около 12% земной коры, 75% слагают полевые шпаты, слюды, амфиболы и другие силикаты и алюмосиликаты, для которых также характерна связь Si — О.
Общее число минералов кремния Si 432 (третье место после кислорода и водорода), в них он входит в состав кислородных тетраэдров, образуя группу Si04"4. В тетраэдрах Si может замещаться алюминием, с чем связано существование большой группы алюмосиликатов. Геохимическая близость Si и А1 впервые обоснована В.И. Вернадским в 1891 г. (ранее А1 рассматривался вместе с другими катионами). Эти идеи произвели переворот в минералогии, а известный французский химик и металловед A. Jle Шателье тогда же назвал концепцию Вернадского гениальной.
Кремний в биосфере. Участие Si в биологическом круговороте и водной миграции значительно уступает таким менее распространенным, но более активным мигрантам, как Са, Na, S. В живом веществе в среднем 0,2% Si, организмы в основном обеспечены этим элементом, хотя его дефицит и избыток не исключается. Известны организмы с кремнеземным скелетом — диатомовые водоросли, радиолярии, кремневые губки и др. Это все низшие формы, и в ходе эволюции кремневый скелет сменился известковым и фосфатно-кальциевым.
Дифференциация Si в биосфере значительна. Так, в холодных морях, озерах полярных стран накапливаются биогенные диатомовые и прочие кремнеземные илы, в то время как в тропических морях преобладают илы известковые, в которых содержание кремнезема низкое (в карбонатных породах — 2,45%). К биогенным кремнистым породам относятся также радиоляриты, спонголиты, трепелы, опоки (все морского происхождения). Сильно обеднены Si соленосные породы, гипсы, доломиты, угли и другие осадочные породы. Обогащены им пески и песчаники. Мощные биогенные отложения диатомитов и других кремниевых пород указывают на важную роль в геологической истории биогенной миграции Si.
Кремний относится к слабым водным мигрантам, его минералы труднорастворимы. Все же воды, как правило, не насыщены кремнеземом, и он мигрирует в истинно растворенных или коллоидных формах, выпадая из раствора (частично биогенным путем) в форме геля кремнезема — опала. Последний со временем теряет воду и переходит сначала в халцедон, а затем в кварц.
Соединяясь с гидроксидами железа и алюминия, кремнезем образует глинистые минералы — каолинит, монтмориллонит, нонтронит, палыгорскит и др. С осаждением кремнезема из подземных вод связано окремнение известняков, песчаников, растительных остатков и т.д.
Кремний энергичнее мигрирует в ландшафтах влажных тропиков, тундры, тайги, слабее — в степях и пустынях. Образование в ландшафтах вторичных алюмосиликатов и кремнезема М.А. Глазовская относит к особой группе ландшафтно-геохимических процессов — алюмосиликатогенезу, хемогенному и биогенному опалогенезу.
Подвижность аморфного кремнезема возрастает с увеличением температуры, на что указывает обогащенность гидротерм растворенным кремнеземом. Растворимость Si02 зависит и от рН, достигая максимума в сильнокислой и сильнощелочной среде. Поэтому кислые воды влажных тропиков часто имеют гидросиликатный состав, в ландшафтах образуются латерально-гидрогенные кремниевые кирасы (силькриты), широко развитые во многих областях влажного тропического климата. В аридных районах Si мигрирует в содовых ландшафтах — содовых солончаках, солонцах, содовых озерах, что проявляется в окремнении гидроморфных почв, остатков древесины, костей животных и др. (В.А. Ковда, С. Стефенс и др.).
В ноосфере кремний — основной элемент строительства. Он входит в состав природных строительных материалов — песка, гравия, глины, а также бетона, силикатного кирпича, цемента. Менее значительно его использование в металлургии, керамической, оптической и других отраслях промышленности. Тонкая кварцевая пыль опасна для легких, с ней связано тяжелое заболевание шахтеров — силикоз. В последнее время особое внимание экологов обращено на асбест и другие волокнистые силикаты, содержание которых в жилых и рабочих помещениях опасно для здоровья. Вредна также запыленность воздуха в городах и во многих аридных ландшафтах (особенно пыльные бури). Таким образом, в техногенных ландшафтах Si часто избыточен, не исключается и его дефицит для человека.
Фосфор — Р (15; 30,9737) В химии и звестны соединения фосфора разной валентности (+3, +5), но в земной коре преобладают соединения пятивалентного фосфора, главным образом труднорастворимые соли ортофосфорной кислоты (Н3РО4) . Это ограничивает водную миграцию Р, которая даже в абсолютном выражении менее интенсивна, чем у С1 и S, хотя кларк Р больше — 9,3.10"2%.
Фосфор принимает важное участие в магматических процессах, мигрирует и в биосфере. С обоими процессами связаны крупные накопления, образующие промышленные месторождения апатитов и фосфоритов (Хибины в России, Каратау в Казахстане и др.). Известно около 200 его минералов — различных фосфатов. Наиболее распространены среди них фосфаты Са и Mg, фосфаты полуторных окислов, комплексные полифосфаты.
Фосфор в биосфере. В гумидных ландшафтах кислого класса фосфор мигрирует и накапливается в озерах, болотах, пойменных почвах. В восстановительной обстановке болот на барьере D6 образуется фосфат Fe — вивианит. Полифосфаты доступны для растений, многие металлы образуют с ними разнообразные комплексные соединения. Но доступны для растений только 10—20% Р, что определяет его дефицитность в гумидных ландшафтах. В степных ландшафтах его запасы обычно выше, но подвижность в щелочной среде ниже и дефицит для растений сохраняется.
Фосфор — исключительно важный биоэлемент с высокой биофильностью. Он дефицитен для культурных растений и домашних животных. Фосфор входит в состав клеток, скелет позвоночных в основном состоит из фосфата кальция. Велика роль Р в развитии нервной системы. Лишь небольшая часть подвижного Р поступает в природные воды, т.к. он легко их покидает, входя в состав нерастворимых минералов или захватываясь организмами. Этим Р напоминает К. С речным стоком в океан поступает основная часть Р. Среднее его содержание в речных водах составляет 108 мкг/л. За год с суши в океан поступает примерно 30 млн. т, из которых 83% приходится на Р в составе осадков и лишь 17% представлено растворимыми формами (B.C. Савенко и др.).
В биосфере важна биогенная миграция фосфора на далекие расстояния, которая осуществляется птицами, рыбами и другими животными. Так, птицы откладывают на океанических островах большие массы богатого фосфором гуано (например, крупные месторождения на островах Тихого океана).
Хотя и редко, но все же встречаются ландшафты, хорошо обеспеченные Р, например на участке развития фосфоритов. Эти места отмечены пышной флорой. В геохимической истории подобные ландшафты, вероятно, играли важную роль в эволюции, были центрами видообразования, хорошего развития нервной системы.
Фосфор в ноосфере. Фосфор дефицитен в большинстве ландшафтов — от тундры до влажных тропиков, с чем связаны низкая урожайность и продуктивность животноводства. Поэтому в ноосфере широко применяются фосфорные удобрения. Важная роль Р в развитии нервной системы определяет ряд проблем медико-геохимического характера.
Широкое применение фосфорных удобрений и высокое содержание в канализационных водах привело к нарушению глобального биогеохимического цикла фосфора, что вызвало важные геохимические и экологические последствия: — перемещение Р в виде руды и удобрений в развитые страны; — обогащение Р почв в сельскохозяйственных и промышленных районах; — поступление Р в водоемы из зафосфаченных почв. Особенно велики его потери при эрозии почв, что приводит к эвтрофикации водоемов, т.е. избыточному накоплению в их воде Р, N и др. питательных биогенных элементов, ведущего к бурному развитию сине-зеленых водорослей, ухудшению качества воды, уменьшению содержания в ней кислорода, гибели рыбы и т.д. (по данным ЮНЕП, эвтрофированы 54% озер Германии и до 70% озер США); — за индустриальный период сток общего Р с региональными водами возрос в 4,5 раза, при этом 75% прироста составляет Р канализационных вод (К.К. Эделыптейн); — загрязнение почв и водоемов элементами-примесями фосфорных удобрений — F, As, Cd, редкоземельными элементами, Sr; при этом редкие земли, As, Cd поступают в количествах в сотни и тысячи раз больших, чем используются растениями, что ведет к нарушению биогеохимических циклов, загрязнению почв и сельскохозяйственной продукции.
Олово — Sn (50; 118,710) Кларк олова 2,5.1это элемент гранитного слоя и силикатных осадочных пород, ультраосновные породы и известняки обеднены оловом (0,3 — 0,5.10"4%). ПОЧТИ все 24 минерала Sn образовались при высоких температурах и давлениях. Главное промышленное значение имеет касситерит (Sn02), меньшее — станнин (Cu2FeSn4).
Геохимия олова Sn в биосфере изучена плохо. Установлена его слабая концентрация в глинах (0,6 — 1,0.10"3%). Миграция Sn в почвах зависит от рН, оно образует комплексные анионы с кислородом и гидроксилом. По своему поведению в ландшафтах Sn сходно с Fe и А1, но активнее участвует в биогенной аккумуляции. Среднее содержание Sn в почвах 0,1 — 1,1.10"3%. Фоновые содержания в золе растений слабо дифференцированы и в различных регионах колеблятся от 1 до 2.10"3% (Г. Шаклетт, П.В. Ивашов и др.), что определяет коэффициент биологического поглощения более 1.
По П.В. Ивашову, в гумидных ландшафтах концентраторами Sn являются сосна, ива, брусника, папоротники, рябина, спирея, малина и особенно осоки и зеленые мхи (0,03 — 0,1% в золе). Концентрация возрастает в ряду: кустарники — деревья — травы — мхи, а по органам деревьев: листья (хвоя) — ветви — древесина — кора.
В аридных ландшафтах Sn накапливают саксаул, биюргун, боялыч и другие маревые, рдесты, осоки, а также лугово-болотные растения, в золе которых, по С.И. Сотниковой, до 0,03 — 0,08% олова, т.е. Ах = 10п — 100п.
Накопление олова в растениях супераквальных и аккумулятивных ландшафтов свидетельствует о повышенном содержании в подчиненных позициях его подвижных форм, доступных для водных растений.
В ноосфере основное промышленное значение имеют россыпи касситерита, менее важны сульфидно-касситеритовые гидротермальные месторождения, еще менее — кварцево-касситеритовые руды. Все это магматогенные образования или их производные (россыпи). Характерны оловорудные пояса, простирающиеся на сотни и тысячи километров, примером которых служит Тихоокеанский пояс, включающий Дальний Восток России, Малайзию, Боливию и другие страны.
Олово — один из древнейших металлов цивилизации, оно добывалось еще за 4 тыс. лет до н.э. По сплаву меди и олова — бронзе получила наименование целая историческая эпоха — "бронзовый век". Технофильность Sn высокая, больше, чем у Zn, Ni, Fe, S, и лишь немного меньше, чем у Си и Pb.
Загрязнение ландшафтов оловом связано главным образом с цветной металлургией, гальваническим производством, лакокрасочной промышленностью, в выбросах и отходах которых КК Sn достигает десятков и сотен. К другим существенным техногенным источникам Sn относятся продукты сжигания бытового мусора, стоки машиностроительной и химической промышленности, канализации (сотни КК), ведущие к загрязнению донных осадков в городах и промышленных центрах.
Германий — Ge (32; 72,61) Этот элемент был предсказан Менделеевым ("экасилиций") и через несколько лет, в 1886 г., открыт немецким химиком К. Винклером. Еще в начале XX в. Ge считался чрезвычайно редким элементом и норвежский геохимик и минералог И. Фохт в 1898 г. оценивал его распространенность в земной коре п.10"Ю%. в то время Ge не представлял практического интереса и не привлекал внимание геохимиков. Позднее выявилась возможность его использования в технике и был установлен кларк 1,4.10"4% (примерно такой же, как у Мо и W). Как и прогнозировал Менделеев, германий во многом аналогичен Si. Это особенно характерно для магматических процессов, где он также четырехвалентен. В биосфере возможен переход четырехвалентного Ge в двухвалентное состояние, в котором он аналогичен Zn и Fe2+, накапливается в некоторых сульфидах, железных рудах, в торфяниках и образовавшихся из них углях. Первым Ge в углях изучил В.М. Гольдшмидт, а в нашей стране в 30-х годах ценные исследования выполнил видный геохимик, ученик В.И. Вернадского В. А. Зильберминц.
Определения германия в почвах и растениях немногочисленны. В почвах США, по Г. Шаклетту и др., в среднем 1,1.10"4% Ge; коэффициенты его биологического поглощения, по-видимому, немного больше 1.
В ноосфере получают германий из углей и сульфидных руд. Хотя он применяется в новой технике (полупроводники), технофильность Ge довольно низкая, примерно такая же, как у V, Nb, Be, Al, т.е. в 1000 раз ниже, чем у Си, Pb, Мо, Hg, Bi и других наиболее технофильных металлов. Техногенная геохимия Ge практически не изучена.
Мышьяк — As (33; 74,9216) Геохимия As во многом определяется летучестью его соединений при высокой температуре, поливалентностью. Наиболее распространены минералы трехвалентного (сульфиды) и пятивалентного (арсенаты) As, но известны также самородный мышьяк и минералы двухвалентного мышьяка. Общее число минералов 177, из них 90 образовались при высоких температурах и давлениях. Основное промышленное значение имеет арсенопирит (FeAsS). Кларк As 1,7.10~4%.
Мышьяк в биосфере. Биофильность As высокая — близка к Са и К и больше, чем у большинства металлов, но существенно меньше, чем у CI, Br, S, Р, т.е. биофильных анионогенных элементов.
В кислородных водах наиболее распространенной подвижной формой являются соединения пятивалентного мышьяка (H2ASO3-), в бескислородных — арсениты, где он трехвалентен и более токсичен. Мышьяк концентрируется на сорбционных геохимических барьерах, с которыми связаны его повышенные содержания в глинах, гидроксидах железа и органических веществах. С фульвокислотами он образует устойчивые комплексы, подвижные в кислой среде. Арсенаты Са и Mg малорастворимы, возможно их осаждение из кислых и слабокислых вод на карбонатном барьере.
По И.О. Бурцевой и др., фоновое содержание As в почвах 7.10*4%, т.е. в 3 — 5 раз выше кларка. Как показали исследования Г.В. Мотузовой на Кавказе, As хорошо адсорбируется гидроксидами Fe, илом, накапливается в тяжелых минералах (до нескольких сот КК). В профиле бурых лесных оподзоленных почв его перераспределение типично элювиально-иллювиальное, он не накапливается в гумусовых горизонтах. На рудных полях сульфидных месторождений, в районах молодого вулканизма почвы местами содержат до 0,5 — 1% As.
В сухой массе наземных незагрязненных растений содержание As в среднем 1 — 2.10"4% (Кабата-Пендиас, Пендиас), т.е. 10 — 15.10"^% в золе. Это дает средний КК в диапазоне 5 — 10. Однако КК в растениях Приморья не превышает 0,2 — 0,3 (А.И. Иванова). Более активно поглощают As водные растения, мхи и лишайники. Он также накапливается в донных отложениях, что подтверждает активную миграцию в гумидных ландшафтах.
В аридных ландшафтах As слабоподвижен, но в содовых водах его подвижность как анионогенного элемента возрастает, он мигрирует в солонцовых ландшафтах, в которых накапливается растениями (В.П. Иванчиков).
Мышьяк в ноосфере. Мышьяк — один из приоритетных токсикантов, технофильность его высокая, как у Р и Са. Источниками поступления As в ландшафты служат металлургические заводы, горнообогатительные фабрики, химические заводы по переработке серы и фосфора, сжигание угля и нефти, пестициды, моющие средства. Вокруг сульфидных месторождений и обогатительных фабрик содержание As в водах, почвах и донных отложениях возрастает в десятки и сотни раз, но ареалы загрязнения, как правило, не велики, т.к. As связывается глинами, гидроксидами Fe и А1, органическим веществом. Мышьяк загрязняет воздух промышленных городов, концентрируясь в наиболее подвижной субмикронной паро-газовой фракции аэрозолей (А.З. Миклишанский).
Региональное загрязнение мышьяком связано с применением пестицидов и фосфорных удобрений. Применение гербицида арсенита натрия приводит к загрязнению водоемов, особенно донных отложений — до 50.10"3% (Мур, Рамамурти). Типично загрязнение почв и илов рисовых систем, где обычно используются мышьяксодержащие препараты. Поэтому зерно риса нередко содержит повышенные концентрации As — до 100 — 200.10*4% в сухой массе. Мышьяк концентрируют также кукуруза, шпинат, салат-латук, некоторые грибы (А. Кабата-Пендиас и Г. Пендиас).
Повышенные дозы As вредны для здоровья, вызывая токсикозы, нервные растройства, болезни почек и дыхательных путей. Биоиндикатором загрязнения является содержание As в волосах, определение которого используется при оценках экологического состояния окружающей среды.
Сурьма — Sb (51; 121,75) Кларк Sb — 5.10"5%. В магме и биосфере она рассеяна, концентрируясь в гидротермальных месторождениях и техногенезе. Сурьмяные и сурьмяно-ртутные месторождения образуют рудные пояса, простирающиеся на сотни километров (например в Средней Азии).
В геохимическом отношении Sb во многом сходна с As. В природе обычно ее валентность +3, реже +5. Геохимия Sb в ландшафтах изучена слабо, известна ее концентрация в углях, глинах и связь с гидроксидами Fe.
Сведения о распространенности сурьмы в фоновых почвах немногочисленны. По К. Ведеполю и А. Кабата-Пендиас, среднее содержание Sb в почвах мира 0,9 — 1,0.10"4%, т.е. в 2 раза больше кларка литосферы. По В. А. Петрухину и др., оно составляет 2.10"4%. В сухом веществе растений, по Г. Боуэну, содержится 0,06.10~4% сурьмы и примерно 1,2.10~4% в золе, что дает средний коэффициент биологического поглощения 0,6 — 1,3.
Технофильность Sb высокая (1.109), такая же, как у Си и Pb. Основные техногенные источники — цветная металлургия, горнообогатительные фабрики, производство цемента, кирпича, сжигание угля.
Сурьма вместе с Сг, В, Си относится к классу умеренно опасных веществ. В выбросах она, как и As, находится преимущественно в паро-газовой фазе (60 — 70%) и хорошо мигрирует воздушным путем. В городах по интенсивности выпадения из атмосферы Sb занимает третье место — после W и Cd (Ю.Е. Сает). В почвах на участках рудной минерализации и в техногенных аномалиях содержание Sb достигает 100 — 200 КК, а в растениях — 50.10"^% сухой массы (Г. Шаклетт). Таким образом, контрастность рудогенной и техногенной миграции Sb очень велика. Среди культурных растений установлена концентрация Sb в капусте, корнях ячменя и льна.
Контрольные вопросы
1. Почему в химии галогены объединены в одну группу, а в геохимии разделены? 2. Охарактеризуйте важнейшие особенности геохимии С1 в ноосфере. 3. Какова возможная роль Вг в эволюции нервной системы? 4. Какие типы геохимических ландшафтов обогащены S, какие обеднены и почему? На каких барьерах концентрируется S? 5. Какова роль микроорганизмов в геохимии S? 6. Назовите ландшафты, богатые и бедные Са, в чем проявляется дефицит этого элемента? 7. Сравните интенсивность водной миграции Са и Na (по величине Кх) и объясните причину различий. 8. Сравните геохимию Mg и Са, в чем сходство и различия, их причины? Назовите геохимические барьеры, характерные для Mg. 9. В чем причина меньшей роли в ландшафте Sr по сравнению с его химическим и геохимическим аналогом — Са? 10. Как геохимия Ra зависит от величины его кларка? 11. Как изменилась роль Ra в ноосфере? 12. В чем причина различия геохимии К и Na? 13. Охарактеризуйте геохимию Ва в биосфере. 14. Почему в биосфере Li менее подвижен, чем его химический аналог Na? В каких ландшафтах концентрируется Li, на каких барьерах, как он влияет на организмы? 15. Сравните геохимию Rb и его химического аналога К, в чем сходство и различие, причины? 16. В чем причины сходства геохимии Be и Al, почему его миграция резко отличается от других щелочно-земельных элементов (Mg, Са и др.). 17. На каких геохимических барьерах и в каких ландшафтах концентрируется Be? 18. Как геохимия Cs зависит от его кларка, от химических свойств? 19. Каково значение идеи В.И. Вернадского о геохимической близости Si и Al в силикатных горных породах? 20. В каких ландшафтах Si энергично мигрирует, в каких — слабо? 21. Каковы причины огромной роли Si в ноосфере? 22. Охарактеризуйте главные черты геохимии Р в биосфере и ноосфере. 23. Назовите основные черты геохимии As и Sb, в чем сходства и различия? Роль этих элементов в ноосфере?
|
|
|
|
К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов
|
Последние добавления:
Шаубергер Виктор – Энергия воды
Агрохимик и биохимик Д.Н. Прянишников
Тюрюканов. Биогеоценология. Биосфера. Почвы