книги из ГПНТБ / Якушевская, И. В. Микроэлементы в природных ландшафтах учеб. пособие

элементарных пидроморфных ландшафтах — в зонах геохи­ мических барьеров. Миграция микроэлементов происходит, а основном, в форме ортаноминеральных .соединений и коллоид­ ных растворов.

Вюжно-таежных ландшафтах несколько снижается под­ вижность железа, марганца и сопутствующих им элементов, поскольку период господства восстановительных условий в поч­ вах менее продолжительный, реакция несколько менее кислая,, (увеличивается содержание оснований и уменьшается подвиж­ ность органических компонентов почв. Форма миграции — органоминеральные соединения и коллоидные растворы и лишьчастично истинные растворы.

Встепных /условиях при недостаточном количестве влаги, высоком окислительно-восстановительном потенциале, богат­ стве основаниями, нейтральной реакции, стабильности гумуса микроэлементы семейства железа теряют подвижность, проч­ но фиксируются в почвах, практически не выносятся. Подвиж­

ны в этих условиях бор, бром, фтор и становятся подвижными в условиях щелочной реакции соединения молибдена, ванадия и мышьяка высоких степеней валентности. Стронций и барий мигрируют вместе с кальцием, перераспределяясь по компо­ нентам элементарных ландшафтов, по генетическим горизон­ там почв, выпадая в зонах карбонатной аккумуляции. В этих условиях частично закрепляется и бор. Иод фиксируется гуму­ сом почв. Миграция осуществляется в основном в форме истин­ ных растворов.

В пустынных ландшафтах миграционная способность всех микроэлементов снижается. Лишь самые подвижные мигранты перераспределяются вместе с легкорастворимыми солями и выпадают при испарении в горизонтах солевых аккумуляций. Возможно накопление бора, частично— молибдена.

Отдельно необходимо выделить ландшафты с засоленными почвами, .особенно солонцами и солодями.

Щелочная реакция, подвижность гумуса и наличие соды, временные низкие значения Eh обусловливают увеличение под­ вижности марганца, железа, меди, молибдена, ванадия. Медь в условиях содового гипергенеза образует подвижные комплекс­ ные минеральные соединения. Миграция микроэлементов про­ исходит в форме органо-минераль'ных и минеральных комп­ лексов, в коллоидальном виде и частично в форме простых со­ лей.

Зональность миграции находит отражение в составе поч- венно-грунтовых и речных вод.

В почвенно-грунтовых водах подзолистых и болотных почв много марганца, довольно значительно содержание меди, мало бора. В водах степных почв — повышенное количество бора, в ряде случаев молибдена, цинка (таблица 22).

Значительное содержание брома, бора, йода, фтора наблю-

60

дается в водах рек, бассейны которых сложены морскими от­

Повышенное количество цинка, марганца характерно для; рек горных районов и районов распространения болотных и подзолистых почв (Коновалов Г. С., 1959).

Миграция микроэлементов в речных водах осуществляется в различных формах: в виде растворов (истинных, коллоид­ ных) и в форме взвесей. Участие микроэлементов в той или иной форме миграции определяется как свойствами элемента,,

миграции микроэлементов во взвешенном состоянии по мере

Свойства отдельных элементов и его соединений позволяют на­ метить определенную тенденцию в поведении каждого микро­ элемента в речных водах. Так, микроэлементы V, Cr, Ni, Со,. Be, Zn преимущественно мигрируют в форме взвесей.

Элементы Fe, Mn, Pb, В, В а, Си, Sr обычно передвигаются как в растворенном состоянии, так и в виде взвесей. Элементы, образующие легкорастворимые соединения, мигрируют в ос­ новном в растворенном виде (Li, R'b, Cs, F, Br, J).

Форма миграции различных элементов в различных ^усло­ виях хорошо иллюстрируется на примере рек Черноморского бассейна.

Элементы по геохимической подвижности их в реках Чер­ номорского бассейна могут быть расположены в следующий ряд (за показатель подвижности ; принята роль переноса в растворенном состоянии того или иного элемента):

62

Количество и состав микроэлементов, переносимых во взве­ шенном состоянии, определяется размером частиц, поскольку наблюдается довольно ясно выраженная дифференциация ми­

Вынос микроэлементов главнейшими реками Советского Союза составляет примерно 760 000 т/год (для В, Br, J, Zn, Mn, Си, F). Причем в наибольшем количестве выносится фтор, следующее место занимает цинк и значительно меньше вынос остальных микроэлементов (бром, бор, марганец, медь, йод) (таблица 24). Эти данные были затем дополнены результатами исследований более обширной группы 'микроэлементов (V, Мп, Со, Ni, Си, Zn, Pb, Ag). Суммарная величина жидкого стока

63

f

этих элементов составляет 242 тыс. т в год, величина твердого стока—2 145 тыс. т. В наибольшем количестве выносятся марга­ нец и цинк (Коновалов Г. С. и Иванова А. А., 1970). Эти цифры и ряды по величине выноса не отражают подвижности и коэф­ фициентов миграции микроэлементов, а дают лишь представ­ ление о количественной стороне явления и об абсолютных «по­ терях» микроэлементов.

Большой интерес представляет сравнение выноса с величи­ нами вовлечения микроэлементов в состав биологического кру­ говорота.

Подсчеты, выполненные для бассейна Балтийского моря по количеству микроэлементов, ежегодно поступающих в речные воды, дают представление о соотношении выноса и вовлече­ ния в биологический круговоротПри сопоставлении ежегод­ ного выноса микроэлементов и вовлечения их в биологиче­ ский круговорот в южно-таежных лесах (расчеты грубо ори­ ентировочные, принимается, что вся территория покрыта ле­ сом) оказывается, что медь выносится в большей степени, чем ежегодно потребляется высшей растительностью (вынос со­ ставляет соответственно 110%). Для марганца вынос умень­ шается до 2% от потребления. Для бассейна Черного и Азов­ ского морей (принято, что вся территория занята степной рас­ тительностью) соотношение этих же микроэлементов меня­ ется: марганец выносится несколько больше Мп (20%), а медь — значительно в меньшем количестве (30%) (таблица 25).

Эти примеры показывают, что соотношение выноса и вовле­ чения в биологический круговорот в различных зонах склады-

64

вается по-разному. В целом можно полагать, что для всех мик­ роэлементов суммарно эти величины должны быть близкими, так же как и для макроэлементов. Вынос макроэлементов с суши составляет примерно 0,26 т/га/год, количество вовлекае­ мых 'в состав растительности от 0,3 до 0,7 т/г. Величины одно­ го порядка, с тенденцией преобладания поглощения над из ­ носом.

М И К Р О Э Л Е М Е Н Т Ы В К О Н Е Ч Н Ы Х В О Д Н Ы Х БАССЕЙНАХ

Ежегодно в моря и океаны поступает огромное количество растворенного и взвешенного материала, содержащего разно­ образные микроэлементы, не удержанные в педосфере и в био­ логическом круговороте суши.

В конечных водных бассейнах происходит сортировка — дифференциация принесенных веществ: осаждение одних, во­ влечение в биологический круговорот гидросферы других и сохранение в •растворе третьих.

Количество веществ, приносимых во взвешенном состоя­ нии, больше, чем в растворенном (таблица 26), что связано с более высокой интенсивностью механической денудации по сравнению с химической. Особенно велика доля поступления взвешенного материала из горных районов.

и формы миграции их определяются растворимостью, миграци­ онной способностью каждого элемента (более подробно см.

-раздел водной миграции микроэлементов). Некоторые микро­ элементы независимо от зональных условий и в любых реках, как равнинных, так и горных, передвигаются в основном в фор­ ме взвесей — это ванадий, хром, никель, кобальт, цинк. Дру-

гзде микроэлементы мигрируют как в растворенном состоянии, так и в виде взвесей, в зависимости от условий: это марганец, железо, свинец, барий, стронций, медь.

Наиболее подвижные микроэлементы переносятся главным образом в растворенном состоянии — это бор, литий, цезий, бром, йод.

Во взвешенном состоянии миграция элементов может осу­ ществляться как в составе класичеокого материала, так и коллоидов. В первом случае микроэлементы входят в кристал­ лическую решетку минералов, во втором — могут входить как в состав коллоидных образований, так и адсорбироваться на поверхности коллоидных систем.

Для обширных водных бассейнов характерна очень четкая гранулометрическая сортировка материала, определяемая главным образом геоморфологией дна и гидродинамическим режимом бассейна. Непосредственно у берега отлагается гра­ вийный материал. Периферическая зона мелководья занята крупнозернистыми осадками: срединная котловина — тонко­ зернистыми илами, становящимися все более и более мелкими по мере приближения к центральной части водоема. Механи­ ческая сортировка обломочного материала происходит в ос­ новном в прибрежной зоне водоемов — зоне взмучивания, откуда более мелкие частицы выталкиваются в более глубо­ кие части водоема.

Распределение отдельных минералов в водных бассейнах более сложно, чем гранулометрическая сортировка. Здесь про­ является влияние таких факторов, как удельный вес минера­ лов, их плавучесть, характер поступления (повсеместный или локальный).

Минералы, поступающие более или менее равномерно со всей водосборной площади, дифференцируются в зависимости от удельного веса и плавучести: легкие и плавучие компонен­ ты распределяются равномерно по всему дну водоема. Более тяжелые и менее плавучие дают ясно выраженное кольцо мак­ симума в прибрежных частях и минимума в центре. Причем, чем тяжелее минерал, тем меньше ширина зоны его распрост­ ранения (таблица 27). Минералы, поступающие локально, рас­ пределяются по дну асимметрично, участки, наиболее обога­ щенные, примыкают к питающей провинции.

Большая часть растворенного материала, приносимого ре­ ками, осаждается в конечных бассейнах, осаждается и в прибрежной и пелагической части, причем зона осаждения сдвигается по сравнению с зоной аккумуляции терригенного материала к центральной части бассейна.

Осаждение растворенных веществ происходит в результа­ те химических реакций образования труднорастворимых сое­ динений, физико-химических процессов коагуляции коллоидов и адсорбции на поверхности уже имеющихся в бассейне кол-

66

лоидов, в результате биологических процессов вовлечения эле­ ментов в состав организмов (рис. 8).

Первый путь осаждения очень ограничен малой концен­ трацией веществ в составе морских и океанских вод. Теоре­ тически возможно осаждение некоторых окислов тяжелых металлов (свинца, цинка, меди).

Рис. 8.

Схема осаждения растворенных веществ в водной массе совре­ менных морей

Железо и марганец осаждаются главным образом в форме коллоидных гидроокисей при разрушении поступающих с реч­ ными водами органо-минеральных соединений железа и мар­ ганца, а также при минерализации отмерших морских организ­ мов, использовавших эти элементы. Значительная часть желе­ за и марганца проходит через биологический круговорот гид­ росферы. Ванадий, хром, никель, кобальт, медь, бор адсорби-

руются гелями железа, марганца, алюминия, силикатов, час­ тично вовлекаются в биологический круговорот, поступая при отмирании организмов снова в коллоидальные осадки. Все пе­ речисленные микроэлементы, за исключением бора, практиче­ ски полностью осаждаются. Большая часть бора остается в. растворе, постепенно накапливаясь в морских бассейнах.

Следует обратить вниманина то, что ванадий и хром по­ ступают главным образом с твердым стоком, поэтому участиеих в процессах физико-химического осаждения не велико и ка­ сается больше той части элементов, которые прошли через жи­ вое вещество.

Бор, фтор, стронций в значительном количестве остаются в^ растворе и относительно накапливаются в океанских водах (посравнению с речными). Несколько в меньшей степени это свой­ ственно литию, брому, рубидию, йоду (таблица 28). Все пере­ численные элементы относятся к «талассофильным», т. е. ти­ пично морским элементам. Кроме накопления в водах проис­ ходит и некоторая аккумуляция их в морских осадках, благо­ даря частичной «садки» этих элементов.

Морские отложения, особенно глинистые, по сравнению с континентальными обогащены литием, бором, стронцием, ни­ келем, марганцем, йодом, барием, железом, кобальтом. Как видно из этого перечня, в морских породах концентрируются не только талассофильные элементы, но и многие тяжелые ме­ таллы. Но последние в отличие от талассофильных практически не накапливаются в водах, а полностью выпадают в осадок (содержание тяжелых металлов ниже в океанических, чем в речных водах).

Континентальные породы содержат сравнительно повышен­ ные кларки хрома, титана, циркона, талия.

68

В морских осадках наблюдается значительное варьирова­ ние в содержании микроэлементов, обусловленное высокой степенью дифференциации растворенного и взвешенного мате­ риала в водных бассейнах. Зоны концентрации и обеднения для различных микроэлементов не совпадают. Например, для ванадия и хрома, поступающих главным образом в виде взве­ сей, наибольшая концентрация приурочена к прибрежным зо­ нам: для марганца, кобальта, меди — элементов, связанных с коллоидами — к глубоководным центральным частям.

Одновременно с выпадением осадков на дне водных бас­ сейнов происходит образование конкреций: марганцевых и же­ лезисто-марганцевых.

Большинство исследователей разделяют точку зрения на физико-химическое коллоидальное происхождение этих кон­ креций. '

Одновременно с осаждением коллоидов железа и марганца происходит осаждение ряда микроэлементов молибдена и се­ мейства железа (ванадий, кобальт, никель, медь, цинк).

Большая часть конкреций приурочена к океанским котло­ винам в глубоководной части бассейна. Менее распростране­ ны конкреции в шельфовых зонах.

Глубоководные (абиссальные) — железисто-марганцевые конкреции занимают огромные площади, сосредоточены в об­ ласти залегания красных глин и карбонатных илов. Например, в Тихом океане половина его площади изобилует конкрециями,

В заключение несколько слов о концентрации микроэлемен­ тов в живом веществе океанов и морей. Известны организмыконцентраторы железа, фтора, бария, стронция, меди, цинка, ванадия, кобальта, молибдена, серебра, свинца и т. д., причем концентрация этих элементов по сравнению с содержанием их в воде составляет 3—5 порядков. Особенно больших размеров достигает функция концентрирования элементов низшими ор­ ганизмами.

Мы провели подсчеты по участию меди, йода, железа и бора в биохимическом круговороте, использовав при этом ма­ териал по биомассе и продуктивности океана (таблица 31), сведения по концентрированию элементов морскими организ­ мами (таблица 30) и по содержанию этих элементов в воде океанов (Fe 10-6 %, Си 3 - 10~7 % и J — 5 • 10-6 %) (Виногра­ дов А. П., 1967).

Получены следующие данные:

69.