В начале 20 века В.И.Вернадский пришел к выводу о всеобщем распространении (рассеянии) химических элементов в природе, о том, что «все элементы есть везде», а наличие или отсутствие элемента в изучаемом объекте зависит не от их собственных свойств, а от чувствительности используемых аналитических методов. Это положение о всеобщем рассеянии химических элементов называется законом Кларка-Вернадского.

Итак, было установлено, что в земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки периодической системы, ядра которых содержат небольшое количество протонов и нейтронов. После железа (№ 26) нет ни одного элемента с большим кларком. Эта закономерность была отмечена еще в 1869 Д.И. Менделеевым. Другую особенность распространенности элементов установили итальянский ученый Г. Оддо и американский – В. Гаркинс. Оно получило название правило Оддо-Гаркинса. Правило гласит: из двух соседних элементов в таблице Д.И. Менделеева содержание в земной коре четного элемента обычно больше. Для первых по распространенности 9 элементов кларки четных составляют в сумме 86,43 %, а кларки нечетных – только 13,03 %. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4. Это кислород, магний, кремний, кальций и т.д. среди атомов одного и того элемента преобладают изотопы, массовые числа которых кратны 4.

В ландшафте в общем преобладают те же элементы, что и в земной коре, но все же их содержание в почвах, водах, организмах, как правило, отличается от кларка, хотя порядок величин нередко сохраняется.

В ландшафтах Беларуси типоморфными элементами чаще всего являются водород, железо двухвалентное, редко кальций, и сероводород. Осушение земель привело к уменьшению площади ландшафтов с восстановительной глеевой обстановкой и расширению площадей с окислительной обстановкой, что замедлило миграцию железа и активизировало перемещение кальция, марганца, хлора, калия, азота (Чертко, 1981).

3.2. Миграция химических элементов в ландшафтах

Миграция с точки зрения геохимии ландшафта – это перемещение и перераспределение элементов как результат эндогенных и экзогенных процессов в составных частях ландшафта. Термин «миграция» был введен А.Е. Ферсманом в 1923 г.

В условиях ландшафта миграция элемента определяется внутренними и внешними факторами миграции. К внутренним факторам относятся: особенности ионов, форма в которой присутствует элемент, химические свойства элемента, его способность давать соединения различной растворимости, летучести, твердости, поглощаться организмами и т.д.

Миграция химических элементов во многом определяется внешними факторами, т.е. от той обстановки, в которой мигрируют атомы – от солнечной радиации, температуры, давления, щелочно-кислотных (рН) и окислительно-восстановительных (Еh) условий и т.д.

Все многообразие миграции можно свести к четырем основным видам в зависимости от формы движения материи, с которой связано перемещение атомов – механической, физико-химической, биогенная и техногенная. Виды миграции не существуют в ландшафте изолировано. Они тесно связаны друг с другом и взаимообусловлены. Однако ведущее значение имеет высший, более сложный вид миграции.

1. Механическая миграция химических элементов в

ландшафтах

Механическая миграция (или механогенез) обусловлена работой рек, ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и других факторов. Характерная черта механогенеза – раздробление горных пород и минералов, ведущее к увеличению степени их дисперсности, растворимости, развитию сорбции и других поверхностных явлений. При диспергировании резко увеличивается суммарная поверхность частиц, а, следовательно, и их поверхностная энергия. Увеличивается при диспергировании и растворимость некоторых минералов. Многие минералы при этом разлагаются. Так, сульфиды при диспергировании (истирании) частично разлагаются на металл и серу. Гидратные минералы выделяют воду.

В результате механической миграции в ландшафте образуются делювий, пролювий, аллювий, морена и прочие кластические отложения. Процессы, основными агентами которых служат сила тяжести, текучая вода, ветер, лед, подчиняются законам механики и не зависят непосредственно от химических свойств элементов. Основное значение здесь приобретает величина, плотность и форма частиц. Частицы близкого размера и близкой плотности осаждаются вместе. Известно, что чем дальше участок расположен от вершины склона, чем меньше его крутизна, тем более тонкий материал накапливается на склоне. Поэтому в горных и холмистых районах, сложенных скальными породами, в верхней части склона развиты более грубые, а в нижней – более тонкие по гранулометрическому составу делювиальные осадки. Аналогично – ближе к аридным горам пролювий представлен грубообломочным материалом, а в удалении – лессовидным суглинком. В речных долинах русловые фации часто представлены галечниками, гравием, песками, а пойменные – суглинками и глинами. Данные процессы называются механической дифференциацией.

Механическая миграция приводит к глубоким изменениям в ландшафте, так как частицы разной крупности и плотности имеют различный химический состав. Глинистые фракции почв и пород по сравнению с песчаными обычно содержат больше Fe, Al, Mn, Mg, K, V, Cr, Ni, Co, Cu и меньше SiO₂. Это объясняется тем, что в процессе выветривания соединения Fe и Al образуют коллоиды, в том числе глинистые минералы, в состав которых входят Mg и K. V, Cr, Ni, Co, Cu легко адсорбируются коллоидами. Минералы Ti, Zr, Sn, W, Pt имеют большую плотность и трудно поддаются выветриванию. Они преимущественно входят в состав песчаной фракции.

В результате песчаные, пылеватые, глинистые и прочие отложения имеют различный химический состав. Пески, как правило, обогащены SiO₂ и бедны Fe, Al и Mg, и многими редкими элементами. С другой стороны, в песках часто концентрируются Ti, Zr, Sn, Au, Pt, W. Поэтому в районе, сложенном одним комплексом пород (например, гранитоидами), за счет механической дифференциации образуются отложения различного химического состава, определяющие своеобразие приуроченных к ним геохимических ландшафтов.

Механическая миграция на склонах обязана таким процессам, как дефлюкция (сползание вязкого или пластичного течения), солифлюкция (течение переувлажненной массы на мерзлом основании), крип (перемещение при совместном действии силы тяжести и других факторов).

В механической миграции особую роль играют эоловые процессы. По А.П. Лисицину, перенос вещества в атмосфере может быть трех видов: стратосферный (на высотах 15-60 км частицы могут многократно огибать земной шар), тропосферный (на высотах до 8-12 км частицы могут мигрировать на сотни и тысячи км), локальный (миграция на десятки и сотни км). Песок, пыль, соли поступают в атмосферу преимущественно за счет развевания слабо закрепленных песков, глинистых и лессовых пород, солончаков. Часть солей поступает в ландшафты с акваторий соляных озер и морей. Существует гипотеза об эоловом образовании лессов, покровных суглинков, песков пустынь.

При вулканических извержениях в атмосферу поступают многие кубические километры пепла. Так, в 1883 г. при извержении вулкана Кракатау в атмосферу было выброшено около 18 км³ рыхлого материала. Облако пепла поднялось в стратосферу, пыль и пепел распределились по площади 82 700 км², мельчайшая пыль достигла Европы. В прошлые геологические эпохи подобные явления были еще грандиознее, запыление атмосферы, вероятно, оказывало большое влияние на климат, а через него и на биогенную миграцию (похолодание и др.).

Механическая денудация характеризуется двумя показателями. Сток – расход взвешенных частиц, проходящих через створ реки в год (т∙год или чаще 10⁶т∙год^-1). Модуль стока – сток взвешенных наносов, отнесенных к площади континента, региона или речного бассейна. Он измеряется в тхкм²год (т∙км^-2∙год^-1).

Глобальная механическая денудация по различным оценкам изменяется в широких пределах. Реки ежегодно поставляют в океан в среднем около 15-16 млрд.т наносов и 3,2-3,5 млрд.т растворенных веществ. Воздушная миграция и вулканическая деятельность обеспечивают поступление соответственно 2,3-6,6 и 2-3 млрд.т твердых частиц. Около 2 млрд. т дает биогенное осадкообразование. Таким образом, суммарный приток твердого вещества в океан составляет 20-25 млрд. т в год.

Интенсивность механической миграции (денудации) связана с зональностью, она зависит также от геологического строения и рельефа. Основная масса материала (около 76 %) поступает в океан из гумидных экваториальных ландшафтов. Умеренные гумидные зоны дают около 12 %, а ледовые и аридные ландшафты – по 6 %.

По континентам сток взвешенных наносов уменьшается в ряде Азия – Океания, Австралия – Южная Америка – Северная. и Центральная .Америка – Африка – Европа. Основные резервуары – Тихий и Атлантический океаны, где фиксируется соответственно 45,3 и 37,1 % общей массы терригенного материала. Максимальное накопление наблюдается в прибрежной зоне, особенно на устьевых взморьях рек.

3.2.2. Физико-химическая миграция химических элементов

в ландшафтах

Физико-химическая миграция химических элементов – это перемещение, перераспределение химических элементов в земной коре и на ее поверхности. Она осуществляется или в атмосфере, или в природных водах, поэтому ее можно разделить на воздушную и водную.

Воздушная миграция химических элементов. Роль газов в ландшафте исключительно велика. Они образуются в результате физико-химических, биогенных и техногенных процессов. К физико-химическим процессам относится огромное число реакций образования СО₂, водяного пара, Н₂S и других газов. К этой группе процессов относится и радиоактивный распад U, Th и K, генерирующий Не, Ar, Rn, а также ядерные реакции, возникающие в атмосфере под действием космических лучей. Почти весь О₂, N₂, CH₄, а также часть СО₂, Н₂S, многие другие газы – биогенны. С техногенезом связано образование большого количества СО₂, SO₂, NО₂ и прочих газов.

Атмосфера ландшафта в основном состоит из азота (78,09 %) и кислорода (20,95 %), значительно меньше в ней аргона (0,93 %) и углекислого газа (в среднем 0,03 %). Содержание остальных газов крайне невелико. Если содержание кислорода и азота в общем одинаково во всех ландшафтах, то содержание CO₂, водяных паров, пыли, летучих органических веществ (фитонцидов), некоторых микрокомпонентов (озона, йода, радона и др.) подвержено значительным колебаниям.

Почвенный и грунтовый воздух заполняет свободные пустоты между частицами почвы. На глубине 20-30 см от поверхности его состав близок к атмосферному в результате интенсивного газообмена и действия ветра. Глубже в почвенном воздухе больше CO₂, часто выше влажность, иное содержание микрокомпонентов.

Почвенный воздух тайги, тундр, степей, пустынь и других ландшафтов отличается не только по количеству углекислого газа и воды, но и по количеству микрокомпонентов. В гумидных болотных ландшафтах в подземной атмосфере повышено содержание метана («болотного газа»), в солончаках и аридных болотах - H₂S, в других ландшафтах N₂O, NH₄ и прочих газообразных продуктов. Ландшафты, сформировавшиеся на разных горных породах, также имеют разный почвенный и грунтовый воздух. Так, почвенный и грунтовый воздух на участках развития гранитоидов и радиоактивных руд обычно обогащен радоном (Rn). На участках развития нефтеносных пород и углей – углеводородами (главным образом метаном). На некоторых рудных месторождениях – парами ртути.

Классификацию природных газов впервые предложил В.И. Вернадский. А.И. Перельман (1979) положил в основу классификации газов их геохимическую активность, роль в ландшафте и распространенность. Все газы делятся на две большие группы активные и пассивные.

К активным относятся следующие: 1). Неорганические газы: а) окислители (некоторые влияют на изменение рН): О₂, О₃, NО₂,H₂O₂, NO; б) восстановители (некоторые влияют на изменение рН): H₂S, H₂, H₂Se, NH₃, N₂, N₂O, CO, Hg; в) полярные газы, влияющие преимущественно на рН (некоторые влияют на изменение Еh): CO₂, H₂O, HCl, HF, SO₂, SO₃. 2). Органические газы: углеводы и их производные: CH₄, C₂H₆, C₄H₁₀, C₂H₄ и другие органические соединения (в том числе элементоорганические). К пассивным (инертным) газам относятся: Ar, He, Ne, Kr, Xe, Rn.

Общая циркуляция атмосферы способствует переносу химических элементов на сотни и тысячи километров. При этом следует различать перенос химических элементов с твердыми и жидкими аэрозольными частицами. Так, перенос и отложение элементов в виде пыли характерны для ландшафтов с аридным климатом. Например, в районе Центрального Копетдага за 10 мин пыльной бури выпало до 10 т/км² т лессовой пыли.

Более значительны по масштабам перенос и отложения химических элементов с атмосферными осадками. На поверхность Земли, исключая Мировой океан, с атмосферными осадками выпадает 12 т/км² в год растворенных веществ, что составляет половину соединений, выносимых реками в океан за это время (Чертко, 1981). В атмосферных осадках преобладают те же ионы, что и в поверхностных водах: НСО₃-, SO₄^2-, Cl^-, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺. Они поступают в осадки за счет растворения газов воздуха, приноса ветром солей с моря, растворения солей и пыли континентального происхождения, вулканических эксгаляций и других источников.

Отмечаются следующие закономерности распределения атмосферных осадков. Наиболее часто осадки выпадают над океаном. Над континентами степень минерализации осадков определяется климатическим фактором. Максимальная минерализация осадков характерна для ландшафтов пустынь. Техногенные процессы усиливают минерализацию осадков над крупными промышленными центрами и изменяют свойства атмосферной воды. Однако не всегда по количеству осадков можно определить содержание поступающих к ним солей. Во влажных тропических лесах, где в воздухе пыли мало, атмосферные осадки имеют меньшую минерализацию, осадки таежной зоны – более высокую. Однако суммарное количество солей, поступающих с атмосферными осадками, во влажных тропиках будет выше, чем в тайге, так как количество выпадающих осадков в 2-3 раза больше.

Различают ионы «морские» (Cl^-, Na⁺), «континентальные» (НСО₃-, SO₄², Мg²⁺,Ca²⁺) и «техногенные». Важное геохимическое значение имеет близость моря. В атмосферных осадках морских побережий содержание Cl^- может превышать 100 мг/л (во внутриконтинентальных районах 2-3 мг/л). Однако уже на расстоянии нескольких десятков километров от берега содержание морских солей в атмосферных осадках резко снижается до 1-3 мг/л. Особенно высоко содержание «континентальных солей» в степных и пустынных ландшафтах, где почвы легко развеваются. В гумидных внутриконтинентальных областях минерализация осадков низкая, около 20-30 мг/л (без учета техногенеза). В них преобладают ионы НСО₃- и Ca²⁺ континентального происхождения. В каждой ландшафтной зоне минерализация атмосферных осадков зависит от времен года: зимой, весной и во влажный летний период минерализация осадков ниже, чем в сухой.