Геохимическая неоднородность

Биосферы и природных зон

 

При рассмотрении биосферы как целостной системы необходимо оперировать статистически допустимыми усредненными значениями, характеризующими состав отдельных компонентов биосферы: земной коры, океана, педосферы и др. В то же время состав каждого конкретного, реально существующего природного объекта (горной породы, речной воды, почвы в определенном месте) обязательно имеет отличия от состава аналогичных объектов в другом месте. Геохимическая неоднородность пространства биосферы является ее характерным свойством, тесно связанным с биологическим разнообразием. Очевидно, что природные зоны и пояса также геохимически неоднородны, хотя их пространство объединено системой биогеохимических циклов массообмена, обусловленной определенными гидротермическими условиями.

Геохимическая неоднородность биосферы обусловлена двумя группами факторов. Первая группа связана с колебаниями концентрации химических элементов и форм их нахождения в составных частях биосферы: земной коре, гидросфере, газовой оболочке. Даже в мобильной, постоянно перемешивающейся среде тропосферы содержание химических элементов на разных участках меняется в десятки и сотни раз. Достаточно вспомнить рассмотренный в разд. 3.2 феномен повышенных концентраций биогенных летучих соединений металлов в приземном слое воздуха над залежами руд или устойчивые ореолы газовых эманации над центрами вулканизма. Еще заметнее выражена неоднородность состава среды Мирового океана. Области разной солености и факелы высоких концентраций тяжелых металлов в морской воде над глубоководными гидротермами настолько устойчивы, что возможно их детальное картирование.

Геохимическая неоднородность наиболее отчетливо представлена на поверхности земной коры в связи с неодинаковым составом горных пород. Контрасты пород разного состава отчасти нивелируются толщей рыхлых отложений, на которых образованы почвы. Эти отложения сформированы за счет денудации и переотложения продуктов выветривания как местных горных пород, так и обломков, принесенных издалека. В зависимости от соотношения местных и принесенных обломков и особенностей их состава содержание химических элементов в толще рыхлого покрова закономерно меняется.

Большая часть переотложенных продуктов выветривания состоит из мелких обломков величиной от 0,01 до 1 мм, принесенных из разных районов Как видно на рис. 10.1 в северной половине Восточно-Европейской равнины преобладают обломки минералов, принесенные из области Балтийского кристаллического щита (Карелия, Финляндия, Кольский полуостров) В Заволжье и Приуралье обломочный материал поступил с Уральских гор В почвах Украины много обломков минералов, слагающих породы Украинского кристаллического массива Особенности минералогического и химического состава горных пород областей сноса сильно влияют на состав почв Так, среди обломков, принесенных с территории Карелии, много кварца, а в массе обломков, поступивших с хребтов Средней Азии, больше галогенных силикатов (полевых шпатов, слюд и др), чем кварца На Урале очень распространены так называемые зеленокаменные горные породы, содержащие много эпидота, актинолита, хлорита Среди них наиболее устойчив эпидот Поэтому им обогащены наносы, на которых образованы почвы Приуралья

Рис 10 1 Минералогические провинции покровных четвертичных отложений Восточно-Европейской равнины (по В В Добровольскому, 1964)

I — Кольско Карельская, II — Прибалтийско-Архангельская, /// — Центрально-русская, IV — Украинская, V— Волжско-Донская, VI — Приуральская, VII — Затиманская, VIII — Предкавказская, IX — Предкарпатская, 1 — границы провинций, 2 — граница максимального оледенения, 3 — граница первого верхне четвертичного оледенения, 4 — северная граница сплошного распространения третичных отложений, 5 — плошади близкого расположения кристаллических пород, 6 — площади концентрации кварца и пониженного содержания рассеянных химических элементов, 7 — горы

Изменение в составе почвообразующих пород сказывается на составе почв, поверхностных и грунтовых вод, а также растений Например, на территории Эстонского плато рыхлые почвообра-зующие породы насыщены обломками известняков ордовикского возраста, слагающих цоколь плато Обилие карбонатов кальция способствует образованию темных дерново-карбонатных почв, а не подзолистых, как в соседних районах В естественной растительности распространены нуждающиеся в большом количестве кальция широколиственные деревья и травянистая растительность, а не хвойные леса, доминирующие в соседних с востока районах

Местные отклонения концентрации химического элемента в почвообразующих породах от общепланетарных величин характеризуются значениями кларка концентрации — К_к (см разд 1.3)

Концентрация большей части рассеянных элементов, особенно металлов, в рыхлых покровных отложениях ниже, чем в гранитном слое земной коры Это вполне закономерно, так как покровные отложения образованы многократно переотлагавшимися продуктами выветривания, из которых часть химических элементов вынесена В то же время существуют региональные геохимические особенности, обусловленные составом горных пород, обломки которых слагают покровные отложения Так, в почвообразующих породах Северного Казахстана относительно повышена концентрация титана, свинца и меди, на Устюрте — стронция, на Восточно-Европейской равнине — циркония, в Приуралье — меди и кобальта

В разд 5.5 упоминались данные X Шаклетта, согласно которым почвы и рыхлые отложения западных штатов США отличаются более высокой концентрацией тяжелых металлов, а расположенные к востоку от 96° з д — более высокой концентрацией элементов, характерных для кристаллических пород докембрийского фундамента (Nb, Zr и др) Таким образом, покров рыхлых отложений и сформированные на нем почвы делятся на обширные минерала-го-геохимические провинции. В качестве примера на рис. 10.1 показана карта минералого-геохимических провинций почвообразующих пород Восточно-Европейской равнины.

Внутри провинций выделяются площади распространения отложений, обогащенных высокодисперсными глинистыми минералами, и площади, покрытые песчаными отложениями. Каждый минерал — это носитель рассеянных элементов с определенными уровнями их концентрации. В песках Восточно-Европейской равнины преобладают обломки кварца, в которых концентрации всех химических элементов, кроме кремния, очень низкие. В глинистых минералах, слагающих фракцию частиц величиной менее 0,001 мм, концентрация многих рассеянных элементов повышена. Наши исследования показали, что на территории европейской части России в суглинистых отложениях больше, чем в песках: ванадия — от 1,0 до 1,5 раз; меди — от 1,5 до 3,2; никеля — от 1,3 до 2,2; галлия — от 1,4 до 2,5; титана — от 1,2 до 2,2; кобальта — от 1,9 до 2,0 раз. Кроме того, в суглинистых почвах и почвообразующих породах значительно больше элементов, находящихся в сорбированном состоянии, что очень важно для участия этих элементов в биологическом круговороте.

Колебания концентрации элементов в коренных горных породах и рыхлых покровных отложениях детерминируют геохимическую неоднородность биосферы суши независимо от деятельности живых организмов. В то же время геохимическая мозаич-ность педосферы и рыхлого покрова континентов является важным фактором развития органического мира. В какую бы сторону ни было направлено отклонение концентрации химического элемента — в сторону повышения или понижения от кларкового значения — оно должно отражаться на биологическом круговороте элементов и составе местных живых организмов. В первую очередь это относится к растениям, которые непосредственно связаны с минеральным веществом почв и отражают колебания его состава.

Вторая группа факторов, способствующих геохимической неоднородности биосферы, связана с неодинаковой интенсивностью вовлечения химических элементов в миграционные процессы в разных экогеохимических системах. Степень интенсивности вовлечения элемента в миграцию характеризуется числовым значением специальных безразмерных коэффициентов — ландшафт-но-геохимических показателей.

Коэффициент водной миграции. Характер атмосферного увлажнения территории не только в значительной мере обусловливает интенсивность биогеохимических процессов, но в сочетании с определенными почвенно-геоморфологическими условиями является важным фактором водной миграции химических элементов на суше, их мобилизации и включения в миграционные циклы различной протяженности.

Определенное количество атмосферной воды, не израсходованное на испарение и транспирацию, стекает по поверхности, вовлекая химические элементы в водную миграцию. Величина стока определяется не только соотношением количества атмосферных осадков и испаряемостью, но и зависит от рельефа, водоустойчивости почвообразующих пород и почв, характера растительности, режима выпадения осадков, климатических условий и др. Водный сток на большей части суши составляет от n×10 до (300 — 400)×10³ м³/км² в год, в экстрааридньгх областях значительно меньше. Массы химических элементов, вовлекаемые в водную миграцию, также неодинаковы и зависят от всего комплекса природных условий водосборной площади. Величина суммарного годового выноса химических элементов в растворимой форме на равнинах и крупных возвышенностях составляет единицы — десятки тонн, в горных районах — десятки и сотни тонн на квадратный километр. Вынос взвесей (твердый сток) на равнинах соизмерим с массами элементов, мигрирующими в виде растворов, но в условиях пересеченного рельефа превышает их в несколько раз, а в горных областях твердый сток на математический порядок больше выноса растворенных масс.

Наиболее геохимически активными компонентами водного стока являются растворимые формы химических элементов. Интенсивность вовлечения их в миграцию оценивается коэффициентом водной миграции К_В, равным отношению концентрации элемента в сухом остатке воды к его концентрации в почвообразующей породе данного района. Этот показатель не применим к таким циклическим элементам, как хлор, а также к элементам, которые в результате микробиологической деятельности или испарения переходят в газообразную форму и активно мигрируют в атмосфере (сера, иод, ртуть). Для большей части других химических элементов, особенно тяжелых металлов, использование этого коэффициента вполне оправдано.

В каждом конкретном районе химические элементы имеют свою числовую величину К_B, свойственную только этим районам. Это можно наглядно представить в виде графиков и гистограмм коэффициентов К_B.

Коэффициент биологического поглощения. Как показано в разд. 2.3, интенсивность вовлечения химических элементов из почвы в биологический круговорот характеризуется коэффициентом биологического поглощения К₆, который равен отношению концентрации элемента в золе растений к его концентрации в почвообразующей породе. Для некоторых элементов этот коэффициент дает представление не о захвате их из почвообразующей породы, а о суммарных поступлениях в организм растений из атмосферы и почвы.

Особенно это касается циклических элементов и мигрирующих в газообразной форме. Тем не менее для многих химических элементов рассматриваемый коэффициент служит хорошим показателем интенсивности их вовлечения из почвообразующих пород, почв и содержащихся в них вод в качественно иное состояние — в состав живого вещества.

На фоне общих закономерностей, отмеченных в разд. 2.3, заметно проявляется влияние конкретных природных условий. Так, для таежной растительности характерен резкий контраст степени аккумуляции рассеянных элементов, достигающий трех математических порядков и более, в то время как в других типах растительности этот контраст обычно составляет от 10 до 100 раз. Некоторые элементы сильнее поглощаются растительностью в одних ландшафтах, слабее — в других. В частности, стронций слабо поглощается растительностью тайги и тундры, а в растительности аридных ландшафтов имеет К₆ значительно больше единицы. Каждый тип растительности в конкретном местообитании характеризуется своими величинами К₅ химических элементов.

Следует подчеркнуть, что величина К₅ не зависит от концентрации элемента в исходной породе, а характеризует интенсивность его вовлечения в биологический круговорот.

Приведенные данные свидетельствуют, что природные пояса и зоны представляют собой сложную мозаику участков, различающихся геохимическими и биогеохимическими особенностями.