 |
|
|
ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА |
Глава 31. МАЛОПОДВИЖНЫЕ И СЛАБОИЗУЧЕННЫЕ ЛИТОФИЛЬНЫЕ И СИДЕРОФИЛЬНЫЕ ВОДНЫЕ МИГРАНТЫ
|
Смотрите также:
История атомов и география - Перельман
Биографии геологов, почвоведов
|
Только три элемента из рассмотренных в данной главе — Al, Ti и Сг характеризуются значительными кларками, причем А1 третий по распространенности элемент (после кислорода и кремния). Их геохимия в ландшафтах изучена хорошо. Остальные 30 элементов редкие и очень редкие. Их миграция стала привлекать внимание сравнительно недавно, а некоторые в этом отношении практически не изучены (например, Hf, Та). Все же можно отметить и некоторые общие черты поведения в биосфере.
Малоподвижные элементы-комплексообразователи и гидролизаты, мигрирующие с органическими комплексами, частично в сильнокислых и сильнощелочных водах — Al, Ti, Сг, Tr, Y, Ga, Th, Sc
Алюминий — Al (13; 26,9815) Это самый распространенный металл земной коры с кларком 8,05%. Близость ионных радиусов А13 + и Si4+ определила их изоморфные замещения в алюмосиликатах. Алюминий образует свыше 350 минеральных видов, его основные минералы полевые шпаты (ортоклаз, альбит, анортит), а также нефелин, слюды (мусковит и биотит). Обогащены А1 основные породы, обеднены — кислые, чем он отличается от Si.
Алюминий — амфотерный элемент, его соединения растворимы только в сильнокислых и сильнощелочных растворах. В кислой среде алюминий образует растворимые отрицательно заряженные (анионные) фульватные комплексы (Матвеева и др.). В широком диапазоне от слабокислых до слабощелочных сред А1 представлен труднорастворимым А1 (ОН)з и мигрирует слабо, в то время как Si подвижен и в слабокислых, и щелочных растворах.
Алюминий в биосфере. В биосфере А1 мигрирует слабо, его мало в организмах — средний кларк концентрации в золе растений континентов примерно 0,2, коэффициент водной миграции (Юс) в большинстве поверхностных и подземных вод 0,On. Если в земной коре алюминий третий по распространенности после кислорода и кремния, то в живом веществе он микроэлемент. В гумидных ландшафтах это ведет к одному из важнейших геохимических следствий — разделению Si и А1 при выветривании. Особенно сильно это проявляется в кислых и кислых глеевых влажных тропических ландшафтах, где кремнезем, мигрируя более энергично, выносится за пределы почв и зоны выветривания, образуя кремневые кирасы (силькриты) в подчиненных ландшафтах. Алюминий здесь значительно менее подвижен, входит в состав органо-минеральных коллоидов почв, сорбируется глинами и гумусом, образует остаточные аккумуляции в виде латеритов и бокситов, где он представлен собственными свободными гидроксидами — гиббситом и бёмитом. При размыве таких кор выветривания в прошлые геологические эпохи накапливались осадочные бокситы, еще более обогащенные А1 (до 40 — 45%).
В гумидном умеренном климате геохимия Si и А1 сближается, т.к. оба слабо подвижны в почвах и корах выветривания, свободные и рудные концентрации А1 не образуются. В холодном гумидном климате А1 еще менее подвижен, в профиле элювиальных неглеевых почв накапливаются аморфные органо-минеральные соединения А1 и Fe, формируются особые Al — Fe — гумусовые подзолистые почвы (В.О. Таргульян). Субарктические почвы Исландии, Скандинавии, Кольского полуострова, обогащенные А1 и Fe, М.А. Глазовская выделила в особую фульватно-железисто-алюминиевую почвенно-геохимическую провинцию.
Растения гумидных ландшафтов сравнительно богаты алюминием, содержание AI2O3 в их золе часто более 10 — 20%. К "алюминиевым" растениям принадлежат чай, вереск и особенно плауны, зола которых на половину состоит из глинозема. Видообразование этих растений, вероятно, происходило в геологические эпохи с энергичной миграцией А1. В кислых почвах увеличение содержания подвижного А1 оказывает токсическое действие на многие растения, снижает токсичность — внесение фосфорных удобрений.
Особенно энергично мигрирует алюминий А1 в сернокислых ландшафтах, сформировавшихся в результате окисления сульфидных руд, пиритоносных глин и сланцев, осушающихся мангров. Его содержание в водах таких ландшафтов повышено и в месте контакта с окружающими менее кислыми почвами на щелочном барьере D1 образуются сульфаты А1 — квасцы. Здесь развита особая "квасцовая флора", обогащенная А1.
В нейтральных и слабощелочных водах степей и пустынь А1 особенно слабо подвижен, растения обеднены этим металлом (зола ковылей содержит менее 1% глинозема). Однако в сильнощелочных условиях образуются растворимые отрицательно заряженные гидроксокомплексы А1(ОН)-4 и полимерные анионы (J1.A. Матвеева и др.). При понижении рН из таких вод на кислом барьере Е4 осаждаются давсонит [Na Al (СО3) (ОН)2] и другие минералы А1, образующие в некоторых озерах промышленные залежи, которые были характерны и для прошлых геологических эпох, например для эоцена запада США.
Талассофильность А1 крайне низка, меньше, чем у большинства других элементов. Алюминий в ноосфере. Благодаря высокому кларку и ценным свойствам А1 имеет исключительно важное значение для цивилизации. Все же технофильность А1 почти в 100 раз меньше, чем у Fe. Источники А1 для ноосферы — бокситы, нефелин, давсонитовые озерные руды, квасцы — содержат его в труднорастворимой форме. Поэтому с добычей А1 не связано интенсивное химическое загрязнение ландшафтов. Существенно более токсичное воздействие оказывают заводы по производству алюминия, где в технологических циклах используется плавиковая кислота, переводящая А1 в подвижную форму. Поэтому вокруг алюминиевых заводов почвы и воды обогащены F и подвижным А1, токсичными для организмов, а также 3,4- бензпиреном (Братск, Волгоград и др.).
Титан — Ti (22; 47,88). Это элемент нижней части земной коры — базальтового слоя, где содержание Ti вдвое выше его кларка — 0,45%. Основную роль в концентрации Ti играют магматические процессы, с которыми преимущественно связано образование 67 его — рутил (ТЮ2), ильменит (РеТЮз), сфен минералов. Важнейшие из них (CaTi(Si04)0). Титан входит в состав многих силикатов, где он изоморфно замещает кремний (Ti+4)? алюминий и железо (Ti+3).
Ранее считалось, что титан Ti как элемент-гидролизат, сосредоточенный в минералах, обладает крайне низкой подвижностью и его миграция может осуществляться только в сильнокислых водах, например в вулканических областях, в то время как в нейтральных и щелочных водах гидролиз ей препятствует. Исследования С.Р. Крайнова показали, что Ti не только гидролизат, но и элемент-комплексообразователь, что расширяет диапазон его водной миграции в биосфере. В сильнокислых водах титан мигрирует в катионной форме, образует растворимые соединения с сульфат-ионом. В сильнощелочных водах он образует растворимые комплексные соединения с фтором, органическими веществами, гидроксокомплексы типа TiO (F,OH)n2-n. В слабокислых, нейтральных и слабощелочных средах интенсивность миграции титана наименьшая (31.1).
Слабая подвижность титана в кислой среде определяет его остаточную аккумуляцию в подзолистых и других лесных почвах, каолинитовых корах выветривания и особенно в элювиальных бокситах, где содержание титана достигает 2 — 3% (В.А. Теняков). В нейтральных и слабощелочных степных и пустынных почвах титан еще менее подвижен. Но в сильнощелочных условиях, в солонцах и других содовых почвах его миграционная способность растет. Только на этих почвах установлены растения-концентраторы титана — некоторые виды из семейств сложноцветных (полыни), маревых (камфоросма, прутняк, биюргун и др.) и злаков (бескильница), в которых коэффициенты биологического поглощения в несколько десятков раз выше (Ajj = 1—3), чем в растениях, растущих на нейтральных почвах (М.Д. Скарлыгина-Уфимцева, Н.С. Касимов, П.Г. Грабаров). Однако это усиление подвижности титана Ti не сопровождается увеличением его радиальной и латеральной почвенно-геохимической дифференциации.
Титан широко применяется в промышленности, по технофильности он близок к Mg и А1. Вокруг предприятий по производству титановых сплавов, титановых красок в почвах формируются аномалии Ti. Однако техногенное накопление титана не представляет существенной опасности для организмов.
Хром — Сг (24; 51,996) Кларк Сг 8,3.10~3%. В ультраосновных породах его содержание достигает 20 — 25 КК. Известно 25 минералов хрома, важнейшие из них хромшпинелиды — хромиты [(Fe, Mg), (Сг, А1)204]. В земной коре и биосфере преобладает малоподвижный Сг+3, по особенностям миграции во многом сходный с Fe+3 и А1+3. Менее распространены окисленные, менее стабильные формы Сг+6 (хроматы).
Водная миграция хрома в основном определяется щелочно-кислотными и окислительно-восстановительными условиями. Например, при одном и том же Eh + 500 мВ в сильнокислой среде преобладает Сг+3, в диапазоне рН 5 — 7 — Сг(ОН)з, в сильнощелочной среде — СгО2-^.. Поэтому в кислой и нейтральной среде в восстановительных для хрома условиях он слабоподвижен (Сг+3) и может мигрировать только в щелочной резкоокислительной обстановке в форме СгО^- и ДР-
Хром в биосфере. Содержания Сг в природных ландшафтах определяются главным образом литогенным фактором. Преобладают околокларковые содержания, и лишь в пределах ультраосновных массивов все компоненты ландшафта резко обогащены Сг. В почвах и рыхлых породах большая часть хрома в форме Сг+3 входит в состав первичных минералов и оксидов железа. Поэтому его соединения малоподвижны в широком диапазоне рН и Eh. В почвах мира кларк хрома 5-7.10"3% (X. Шаклетт, А. Кабата-Пендиас).
Биофильность Сг очень мала, среднее его содержание в золе наземных растений 2,5 — 3,0.10"3% (0,3 КК), Сг относится к элементам слабого биологического захвата.
В гумидных ландшафтах преобладают малоподвижные соединения Сг+3, его поведение аналогично Fe+3, воды бедны растворенным Сг, его водная миграция ослаблена. Так, в коре выветривания влажных тропиков Сг ведет себя аналогично Fe, т.е. накапливается за счет выноса подвижных элементов. На серпентинитах — породах, обогащенных Сг, образуются хромовые руды. По C.J1. Шварцеву, фоновые грунтовые воды гумидных областей содержат 2,3 мкг/л хрома. Даже в воде равнинных рек заметно преобладают взвешенные формы Сг, хотя в некоторых водоемах отмечались высокие содержания отрицательных и незаряженных органических комплексов — до 30 — 50% от валового (П.Н. Линник, Б.И. Набиванец и др.).
В кислых почвах накопление хрома связано с его адсорбцией гидроксидами Fe, глинами и органическим веществом. Поэтому в дерново-подзолистых почвах иллювиальные горизонты, как правило, в 1,5 — 3 раза богаче Сг, чем верхние (Е.М. Никифорова, И.А. Авессаломова). В бурых лесных почвах Юго-Западной Болгарии Р. Пенин установил еще более контрастное (R = 5 — 10) накопление валового Сг в горизонтах В и особенно ВС по сравнению с материнским элювием гранитоидов. Существенно меньшая (R = 1,5 — 2) радиальная дифференциация подвижных (непрочно сорбированных и органо-минеральных) форм Сг указывает на ведущую роль механической миграции и процессов выветривания на его дифференциацию в профиле этих почв. Вместе с илистыми частицами Сг поступает в подчиненные ландшафты. Пойменные почвы и донные отложения водоемов нередко в 1,5 — 2 раза обогащены Сг по сравнению с автономными почвами. Особенно контрастно (L = 2 — 10) дифференцированы органоминеральные формы хрома в лесных катенах Рильского массива Болгарии (Р. Пенин, Н.С. Касимов).
Биогенная аккумуляция в почвах для хрома Сг не характерна, хотя он концентрируется в лишайниках, мхах, некоторых водных растениях, например рдесте (Н.П. Солнцева, И.Г. Побединцева).
В степных и пустынных ландшафтах Сг в целом также малоподвижен, но в резкоокислительной щелочной среде возможно его окисление до Cr+6 с образованием легкорастворимых хроматов калия и кальция, которые впервые были открыты в пустынях Чили. В Кызылкумах А.И. Перельманом обнаружены легкорастворимые хроматы калия в коре выветривания меловых железистых песчаников, обогащенных Сг.
В степях и пустынях происходит и латеральная миграция хрома. Так, во многих районах Казахстана почвы подчиненных ландшафтов содержат в 1,5 — 2,0 раза больше хрома, чем почвы автономных позиций. Обычно Сг концентрируется на сорбционно-глеевых барьерах в иллювиальных и глеевых горизонтах луговых и осолоделых почв (Н.С. Касимов).
Ландшафты на ультраосновных породах обогащены Сг в любом климате. Почвы здесь содержат до 1 — 3% Сг (Урал, Новая Каледония, Куба), однако интенсивность его водной миграции практически не увеличивается. Растения ультраосновных массивов могут быть в десятки раз богаче Сг, но не испытывать при этом сильного токсикоза. Так, на Восточной Кубе к ультраосновным массивам приурочены эндемичные виды растений, в которых содержание Сг в 10 — 15 раз выше, чем в растениях на основных и кислых породах (М. Больо), хотя "серпентенитовая флора" обычно более разрежена. По А. Андерсону и др., токсичность Сг для овса наступает при его содержании 634 мг/кг в почвах на ультраосновных породах и в растениях — 49 мг/кг сухой массы, что в десятки раз выше среднемирового уровня. По И.П. Гавриловой и И.Г. Побединцевой, на ультраосновном массиве Южный Крака (Башкирский заповедник) Сг накапливается (до 6 — 8 КК) преимущественно в травах, особенно корнях, в то время как зола деревьев слабо обогащена хромом (0,8 КК), несмотря на его высокие содержания в почвах.
Хром в ноосфере. Технофильность Сг высокая (2.108) — вдвое больше, чем у Fe, с которым он тесно связан в техногенезе. Она продолжает расти, т.к. добыча хромитов в последние десятилетия увеличивается. Техногенный Сг поступает в ландшафты при производстве феррохрома, нержавеющей стали, никеля, красителей, химикатов, огнеупоров, сжигании угля. Выбросы и стоки кожевенных заводов, гальванических производств, шламы очистных сооружений, предприятий цветной металлургии и химической промышленности в десятки и сотни раз обогащены Сг по сравнению с фоном.
Хром концентрируется в основном в крупнодисперсном аэрозоле, и поэтому для него не характерна дальняя воздушная миграция от техногенных источников. Аномалии в почвах и донных отложениях вокруг них обычно слабоконтрастны (п), хотя вблизи заводов ферросплавов и кожевенных предприятий встречается и большее загрязнение.
Существенным источником Сг являются коммунальные сточные воды. Даже после очистки они содержат десятки и сотни мкг/л металла, главным образом во взвешенной форме.
Из двух главных форм соединений хрома — Сг+3 и Сг+6 последний более токсичен. Снижение содержания растворенного кислорода в промышленных и бытовых стоках приводит к образованию в водоемах сероводорода. В результате соединения Сг+6 восстанавливаются и на восстановительном барьере осаждается менее токсичныи Сг+3 (Дж. Мур, С. Рамамурти).
Токсичность хрома Сг меньше, чем у Hg, Pb, Cd, Си, Ni и Zn. Он обычно не накапливается в каких-либо специализированных органах животных, а также в конечных звеньях трофической цепи. В пресных водах его токсичность выше, чем в морских. Соли Сг+6 обладают канцерогенными свойствами (особенно хроматы кальция).
В городских ландшафтах аномалии Сг менее контрастны, чем других тяжелых металлов, и значения Кс в почвах, растениях и воздухе редко превышают 10 — 20. Хром является приоритетным загрязнителем только в городах, где сосредоточена цветная металлургия и тяжелое машиностроение (Актюбинск, Нижний Новгород, Запорожье, Орск, Новотроицк), а также химическая промышленность (синтез каучука, производство фосфорных удобрений). Так, в Тольятти (Ставрополь-на- Волге) в районах, прилегающих к заводам синтетического каучука и фосфорных удобрений, установлены обширные контрастные аномалии Сг в почвах и растениях (десятки единиц геохимического фона). В открыто складируемых твердых отходах этих производств содержание хрома достигает 100 — 150 КК (Н.С. Касимов, О.В. Моисеенков). В штате Айдахо (США) в золе полыни трехзубчатой, растущей вблизи завода по производству фосфорных удобрений, содержится до 500 мг/кг хрома (Гоф, Северсон).
Хромом загрязнена сельскохозяйственная продукция (морковь, картофель), выращиваемая на территории города. Местами содержание Сг в ней превышает предельно допустимые нормы в несколько раз (Н.С. Касимов и др.). В Кишиневе среди овощей, у которых используются надземные органы, энергичными концентраторами хрома являются салат и укроп — в промышленных зонах его содержание в десятки раз выше ПДК и уровней его содержания в других овощах (Н.Ф. Мырлян, К.Е. Морару и Г.И. Настас).
При мониторинге и оценках состояния окружающей среды промышленных городов, учитывая токсичность Сг, его следует обязательно включать в число исследуемых приоритетных загрязнителей.
|
|
|
|
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