Водах и интенсивность их вовлечения в водную миграцию

Химический элемент и ион	Средняя концентрация	Глобальный вынос с речным стоком, тыс т/год	Коэффициент водной миграции
	в воде, мкт/л	в сумме солей, %
С1		5,33		313,0
SO4^2^-		10,00	492 000	—
S		3,30		82,5
Соpr		5,75	283 000	—
НСО3		488,75		—
Скар6	11 508	9,58	471 828	—
Са		10,80		4,6
Mg		2,75		2,3
Na		3,75		1,7
К		1,25		0,5
NCV		0,83		—
N		0,19		—
SiO2		10,9		—
Si		4,75	233 700	0,15
Fe		0,558		0,15
Al		625×10-^4		0,01
Sr		667×10-^4		2,90
P		11,7×10-^4		0,21
F		333×10~^4		0,46
Ba		208,0×10-^4		0,31
Br		167,0×10-^4		76,0
Zn		167,0×10-^4		3,27
В		150,0×10^-4		15,0
Mn		83,0×10^-4		0,12
Сu		58,0×10~^4		2,64
Ti		33,0×10^-^4		0,01
I		25,0×10-^4		50,0
Zr	2,5	21,0×10-^4		0,12
As		17,0×10~^4		8,95
N1	2,5	21,0×10-^4		0,81
Li	2,2	18,0×10~^4		0,08
Rb	1,8	15,0×10~^4		0,08
V	1,0	8,3×10~^4		0,11
Cr	1,0	8,3×10~^4		0,24
Mo	0,9	7,5×10-^4		5,77
Pb		8,3×10^- ^4		0,52
Sb	0,9	7,5×10~^4		37,5
Sn	0,5	4,2×10~^4		1,56
U	0,3	2,5×10-^4		0,96
Co	0,25	2,1×10~^4		0,29
Ag	0,2	1,7×10~^4	8,2	35,42
Cd	0,2	1,7×10~^4	8,2	10,63
Ga	0,09	0,75×10-^4	3,7	0,04
Hg	0,07	0,58×10~^4	2,9	17,58
Th	0,05	0,42×10^-4	2,1	0,03
Sc	0,02	0,17×10~^4	0,8	0,02

Интенсивность водной миграции химических элементов. Представление о выносе растворенных масс элементов должно быть дополнено оценкой степени интенсивности вовлечения их в водную миграцию. Б. Б. Полынов в 1933 г. показал, что интенсивность водной миграции элемента определяется не его содержанием в воде, а отношением содержания в воде и в дренируемой горной породе. А. И.Перельман (1974) предложил использовать коэффициент водной миграции К_В, который равен отношению концентраций элемента в сухом остатке воды и в породе. Оценивая интенсивность вовлечения элемента в водную миграцию в глобальном масштабе, необходимо рассчитать отношение среднего содержания в твердом остатке речных вод к кларку этого же элемента в гранитном слое континентов.

По интенсивности вовлечения в водную миграцию, характеризуемой К_ъ, элементы группируются следующим образом (в по-следовальности уменьшения числового значения К_В в каждом ряду):

 

n×10²: С1

n×10: S, I, Br, Ag, Sb, Hg, В, Cd

n: As, Mo, Ca, Zn, Sr, Cu, Mg, Na, Sn

n×10-¹: U, Ni, Pb, F, Co, Ba, Cr, P, Mn, Si, V, Zr

n×10-²⁰: Ga, Th, Al, Ti, Sc

Миграция элементов в составе речных взвесей. Рассмотренные факты и выводы относятся к элементам, находящимся в растворенном состоянии. Иное соотношение химических элементов и их масс наблюдается в веществе, мигрирующем в речных водах во взвесях. Это объясняется тем, что масса взвесей в годовом стоке рек более чем вчетверо превышает массу растворимых соединений и что состав речных взвесей имеет специфические особенности.

Речные взвеси состоят преимущественно из высокодисперсных глинистых частиц, мелких обломков кварца и сгустков гидрокси-Дов железа. Концентрация большей части элементов (кремния, алюминия, железа и др.) во взвесях значительно выше, чем в сумме растворимых соединений в речной воде. В то же время для кальция характерно обратное соотношение.

А. П.Лисицин и его сотрудники показали, что основная масса Рассеянных элементов, переносимых речными водами, связана со взвесями. Как следует из данных, приведенных в табл. 4.4, во взвешенном веществе рек переносится: свыше 98 % массы элементов с очень низкими коэффициентами водной миграции К_В < 0,5) — алюминия, титана, галлия, свинца, тория, скандия; от 90 до 98 % массы элементов со значениями К_ъ от 0,05 до 0,9 — кремния, железа, марганца, фосфора, бария, циркония, рубидия, хрома, кобальта, никеля. Даже некоторые элементы, обладающие высокой интенсивностью водной миграции и значениями К_в от 1 до 10, мигрируют преимущественно не в растворенном состоянии. От 65 до 85 % массы магния, цинка, меди, молибдена, ежегодно выносимой реками с территории Мировой суши, переносится в формах, фиксированных на взвешенных частицах. Лишь для ограниченного числа элементов — азота, хлора, серы, кальция, натрия, брома — характерно преобладание масс водорастворимых соединений в речном стоке.

Таблица 4.4

Вынос химических элементов, содержащихся

Во взвешенном веществе рек

 

Химический элемент	Концентрация, мкг/л (В. В. Гордеев, 1983)	Годовой вынос взвешенных форм элементов, 10^3 т/год	Сумма растворенных и взвешенных форм, 10^3 т/год	Количество взвешенных форм от суммарного выноса, %
Si				95,4
А1		1 566 200	1 569 275	99,8
Fe		963 000		97,2
Са		471 500	1 004 500	46,9
К		282 900	344 400	82,1
Mg			371 050	63,5
Na			373 100	50,4
Ti				92,8
Р				96,2
Mn				98,0
Ва				91,8
Zn				87,7
Zr				97,3
Sr				46,3
Pb				98,6
Rb				96,8
Cr				98,4
Ni	38,6			92,8
Cu				83,1
В				64,0
Li				86,4
Sc	9,2			99,2
Co	8,3			97,1
Ga	8,3			98,8
Th	4,6			99,6
As	2,3	94,3		53,4
Mo	1,4	57,4	94,0	60,6
Sb	0,9	36,9	74,0	50,0
Ag	0,6	24,6	32,8	75,0
Cd	0,32	13,1	21,9	59,8
U	0,14	57,4	17,7	32,2

 

Важно отметить, что относительное содержание химических элементов в речных взвесях не соответствует кларкам земной коры. Следовательно, взвешенное вещество рек — не механически измельченный материал земной коры, а результат его определенного преобразования. Интенсивность такого преобразования может быть оценена значением коэффициента К_р, равным отношению средней концентрации элемента в речной взвеси к его кларку гранитного слоя земной коры континентов.

По значениям коэффициента К_р можно выделить три группы элементов. Элементы первой группы характеризуются значениями К_р меньше единицы, т.е. уменьшением относительного содержания во взвесях по сравнению с кларком гранитного слоя земной коры. В эту группу входят кальций и натрий, а также строн-Чии, барий, литий. Относительное содержание магния во взвесях по отношению к земной коре существенно не меняется (К_р =1).

Вторую группу образуют элементы, у которых К_р равны или немногим более единицы. Таковы титан, цирконий, галлий, а также железо и марганец. К третьей группе относятся элементы, концентрация которых возрастает во взвесях, а значение К_р — от 2 до 9. Эту группу образуют тяжелые металлы: свинец, цинк, медь, никель, кобальт, хром, ванадий, кадмий.

Ясно выраженная аккумуляция тяжелых металлов в речных взвесях дает основание предполагать, что это явление связано с биогеохимическими процессами. В водную миграцию на суше вовлекаются химические элементы, не захваченные в биологический круговорот. Возможно, что вынос значительных масс тяжелых металлов, прочно фиксированных на дисперсных продуктах выветривания и почвообразования, является одним из механизмов предохранения живого вещества суши от избыточных масс этих элементов.

Природные геохимические аномалии в поверхностных водах суши. На участках высоких концентраций рассеянных химических элементов поверхностные воды обогащаются элементами, присутствующими в избытке. Так образуются природные гидрогеохимические аномалии. Особенно заметное обогащение происходит в тех случаях, когда поверхностные и грунтовые воды контактируют с сульфидными рудами. Окисление сульфидов железа сопровождается гидролизом сульфатов, выпадением гидроксидов железа и образованием серной кислоты, которая усиливает растворяющую способность воды. Возникающие при окислении сульфидов цинка, меди, никеля сульфаты хорошо растворимы и активно вовлекаются в водную миграцию.

В результате реакций с другими растворенными соединениями и взаимодействия с поверхностью взвешенных частиц значительная часть мигрирующих металлов относительно быстро выводится из раствора и их концентрация достигает уровня местного геохимического фона По этой причине протяженность природных гидрогеохимических аномалий в речных водах небольшая и редко превышает несколько сотен метров.

На значительно большее расстояние — до нескольких километров — распространяются аномально высокие концентрации в донных осадках, представляющих собой осажденные частицы водных взвесей. Определение металлов в воде небольших водотоков и особенно в их донных отложениях успешно использовалось при рекогносцировочных геохимических поисках месторождений руд во многих районах нашей страны, а также в Канаде, США, Англии, Замбии, Уганде, на Филиппинах и в других странах.

Аккумуляция химических элементов в воде оказывает влияние на водные биоценозы. Широко распространены различные проявления эвтрофизации небольших плохо проточных водоемов. Концентрация металлов в плавающих и погруженных растениях в водоемах конечного стока, как правило, выше среднепланетарных значений. Высокие природные концентрации некоторых элементов в поверхностных и грунтовых водах отдельных районов вызывают повышенное содержание этих элементов в местной растительности. Если растительность используется в качестве корма для сельскохозяйственных животных, то это вызывает заболевание скота. Подобные случаи изучены в США Р. Ибенсом и X. Шаклет-том (1973), в Ирландии и Англии Дж.Уэббом, И.Торнтоном и К.Флетчером (1966), в нашей стране В.В.Ковальским (1974).

В заключение необходимо подчеркнуть, что природные геохимические аномалии в поверхностных водах Мировой суши очень локальны и не оказывают заметного влияния на баланс масс химических элементов в глобальных биогеохимических циклах.