Классификация геохимических ландшафтов по Перельману. Ландшафтно-геохимические карты

^ Общие принципы геохимической классификации ландшафтов

В основу классификации геохимических ландшафтов удобно положить миграцию атомов, т. к. именно она определяет геохимические особенности ландшафтов. Наибольшее таксономическое значение имеют типоморфные элементы, т. е. элементы, которые энергично мигрируют и накапливаются и имеют высокие кларки.

Даже распространенные элементы в зависимости от условий миграции имеют разное таксономическое значение (например, сера типоморфна в аридных ландшафтах и не типоморфна в тайге). Минимальное содержание элемента в почве, организмах, водах, при котором оно приобретает таксономическое значение, называется критическим.

Географическая распространенность ландшафтов не имеет таксономического значения. В систематике должны быть одинаково представлены типичные, редкие, исчезнувшие ландшафты.

Поскольку в большинстве ландшафтов интенсивность миграции изменяется по временам года, в основу классификации следует положить период наиболее интенсивной миграции (лето в тайге, весну в субтропиках и т. д.).

Также таксономическое значение веществ определяется положением в пространстве относительно центра: чем ближе к центру, тем больше влияние на миграцию атомов, тем больше таксономическое значение.

Помимо систематики геохимических ландшафтов, часто проводят районирование. Районирование – выявление ландшафтных индивидов (иланов), характерных для какой-либо территории. Индивид, в отличие от систематической единицы, выделяется на основе индивидуальных, а не систематических признаков.

^ Классификация элементарных ландшафтов

Наиболее крупными единицами классификации Перельмана являются ряды ландшафтов, выделяемые по виду миграции. Это абиогенные, биогенные и культурные ландшафты. Далее будет рассматриваться классификация биогенных ландшафтов, основанная на особенностях биологического круговорота в них.

По соотношению важнейших параметров биологического круговорота Б и П выделяются группы, типы и семейства ландшафтов. ^ Групп ландшафтов всего 5 – леса; степи, луга и саванны; пустыни; примитивные пустыни; тундры и верховые болота. При выделении типов и семейств ландшафтов важны не только абсолютные величины Б и П, но и отношение их логарифмов lnП/lnБ – коэффициент К. В каждом типе выделяют обычно три семейства. Типы обычно соответствуют зонам, семейства – подзонам.

Следующий таксон – класс ландшафта – выделяется по особенностям водной миграции в горизонте А почв (в соответствии с классами водной миграции).

Классы расчленяются по особенностям миграции на роды ландшафтов. Выделяются три основных рода – элювиальный (автономный), супераквальный и субаквальный ландшафты.

Наконец, виды элементарных ландшафтов выделяют на основе подстилающих отложений, горных пород.

^ Классификация геохимических ландшафтов

Геохимический ландшафт – парагенетическая ассоциация элементарных ландшафтов, соединенных потоком вещества и энергии. В основу классификации геохимических ландшафтов положен характер геохимического сопряжения между автономными и подчиненными геохимическими ландшафтами. Если сопряжение включает автономный, супераквальный и субаквальный ландшафты, то оно называется полным. Полное сопряжение в условиях однородного геологического строения, развития изверженных или метаморфических пород, без реликтов предшествующей стадии называется основным. Основные сопряжения классифицируются по особенностям центра ландшафта, обычно это автономный ландшафт (как и в физико-географической классификации).

Для геохимических ландшафтов выделяются те же таксоны, что и для элементарных. ^ Ряды геохимических ландшафтов соответствуют рядам элементарных. Число групп, типов, семейств и классов гораздо больше, т. к. один и тот же автономный ландшафт может сопрягаться с различными автномными и подчиненными. Геохимическое сопряжение обычно изображают, например, так: Ca/Ca×Fe (т. е. автономный ландшафт относится к кальциевому классу, а супераквальный – в Са-Fe).

Роды геохимических ландшафтов выделяются по соотношениям между автономными и подчиненными ландшафтами одного класса, интенсивностью водообмена, а это функция рельефа. Наиболее распространены три рода:

I – плоские равнины с замедленным водоообменом, слабым эрозионным расчленением или без него (приморские низменности, аллювиальные равнины и прочие области тектонических опусканий, вулканические и другие плато);

II – эрозионные возвышенности, расчлененные плато с более энергичным поверхностным и подземным стоком, плоские поверхности чередуются со склонами;

III – сильно холмистый и горный рельеф, бедленд – энергичный водообмен, преобладают склоновые поверхности, плоских участков почти нет.

Виды геохимических ландшафтов выделяются на основе характера подстилающих пород.

Геохимические ландшафты крупных таксонов называются по типологическим терминам – таежные, степные, пустынные и прочие типы ландшафтов; северные, средние, южные семейства; кислые, кальциевые, сернокислые классы; I, II, III роды. Виды называются обычно по какому-нибудь географическому ареалу их распространения, например, каракумские, валдайские и т. д. Техногенные геохимические аномалии

Загрязнение окружающей среды в значительной степени связано с численностью населения, промышленным производством, потреблением топлива. В настоящее время широкое распространение получают техногенные геохимические аномалии. Выделяют следующие группы техногенных геохимических аномалий:

 

1. 
   Глобальные – например, содержание радионуклидов (в результате ядерных испытаний);
2. 
   Макрорегиональные – например, выбросы серы (Европа, Северная Америка, Юго-Восточная Азия); играет роль не только наличие выбросов на данной территории, но и трансграничный перенос;
3. 
   Региональные – от конкретных единичных, но очень мощных источников, например, Чернобыль, крупные промышленные города, районы; районы нефтедобычи.
4. 
   Локальные – отдельные предприятия, автомагистрали.

Карты аномалий обычно составляются на основе значений коэффициента аномальности K_a = C_i/C_b, где С_i – содержание элемента в данном объекте, C_b – фоновое содержание. Такие карты часто используются для поиска полезных ископаемых, для оценки загрязнения окружающей среды.

^ Источники воздействия. Оценка природно-геохимического фона территории

Геохимическое состояние городской среды наряду с природными условиями определяется количеством техногенных источников, находящихся на территории города, их расположением, мощностью и качественным составом загрязняющих веществ. В крупных промышленных центрах происходит аккумулятивное воздействие на природную среду и человека различных видов производств, транспорта, муниципальных и других отходов. Главные источники загрязнения – неутилизированные промышленные и коммунально-бытовые отходы, содержащие токсичные химические элементы.

Техногенные отходы подразделяются на жидкие и твердые отходы (преднамеренно собираемые и депонируемые), стоки (поступают в окружающую среду в виде жидких потоков, содержащих твердые взвешенные частицы) и выбросы (рассеяние в атмосфере загрязняющих веществ в твердой, жидкой и газообразной форме).

Для проведения мониторинга техногенные отходы делятся на организованные (поступают в окружающую среду через специальные устройства) и неорганизованные (утечки и выбросы в системах трубопроводов, канализации, при авариях, перевозке отходов).

По степени аномальности относительно кларков литосферы первое место занимают выбросы предприятий (в пыли особенно сильно концентрируются вольфрам, сурьма, свинец, кадмий, никель), немного меньше нагрузка от отходов, третье место занимают стоки.

Среди выбросов 27% составляет электроэнергетика, 20% цветная металлургия, 15% черная металлургия. Три главных мировых центра выбросов вредных веществ – Европа, США, Китай. Атмосферный воздух в городах обычно загрязнен оксидами серы и азота, пылью, но особенно опасны повышенные концентрации специфических для каждого вида производства загрязнителей. Основная масса микроэлементов в атмосфере входит в состав аэрозолей. Интенсивность загрязнения воздуха в городах зависит от целого ряда ландшафтных факторов, в первую очередь, от метеорологической ситуации и рельефа местности. По стоку: 21% деревообработка, 17% химическая промышленность, 12% электроэнергетика.

Твердые отходы по отраслям: черная металлургия – Mn, Cr, V (~n-10n, сравнимы с кларком); цветная металлургия – Zn, Pb (1000n); Cu, Cr (100n); машиностроение – Cd (1000n); Mn, Cr, W (10-100n); химическая промышленность – Cd, Co (1000n); легкая промышленность – Cr (1000n).

Для оценки источников воздействия важно сначала провести оценку природно-геохимического фона окружающей территории. Такая оценка включает получение детальной информации о региональной литогеохимической и биогеохимической специализации эталонных фоновых участков, расположенных вне влияния промышленного и сельскохозяйственного загрязнения, их радиальной и латеральной структуре. ^ Геохимические аномалии в водоемах

Важным показателем является протяженность техногенной геохимической аномалии в водоеме. При отсутствии техногенных источников в бассейне, в водоеме нет техногенных аномалий. Наличие промышленных городов в бассейне существенно влияет на содержание различных веществ (например, резко повышается содержание Ag в донных отложениях). Средняя протяженность аномалии составляет 5-10 (до 15 км), далее река “самоочищается”.

Однако, бывает, что загрязнение действует на всем протяжении водотока (например, в районах нефтедобычи). В этих случаях особенно велико загрязнение в дельтах. Таковы дельты Инда, Ганга, Рейна, Дуная, Волги и других рек. Иногда повышенное содержание того или иного элемента в водоеме связано с характером пород, которые дренирует данная река. Например, в Рейне из-за особенностей пород аномалии содержания меди были выражены гораздо ярче, чем в Дунае и Волге, хотя объем загрязнения там был не больше.

В качестве индикаторов загрязнения водоемов часто используют водные растений. Лучше использовать растения, обладающие меньшей вариабельностью, в которых повышение концентрации веществ всегда четко соответствует увеличению загрязнения.

В водоемах также отражено глобальное загрязнение. Так, в определенные годы наблюдались аномалии, связанные с радиоактивными испытаниями 1950-х гг., с аварией на ЧАЭС.

В последнее время в развитых странах мониторинг донных осадков обнаруживает тенденции к снижению загрязнения водоемов. Это результат внедрения экологически чистых технологий. В менее развитых странах загрязнение остается на прежнем уровне или растет, но сниженными темпами.

Очень важно наличие на реках водохранилищ. Водохранилища выполняют очищающую функцию. Каждая плотина является механическим барьером для веществ, перемещающихся со взвесями. Перед плотинами часто бывают аномалии содержания этих веществ. Также часто бывают устьевые аномалии при слиянии рек (из-за падения скорости течения).

Основные типы геохимических аномалий в водоемах:

 

1. 
   Аномалии, связанные с наличием промышленных центров.
2. 
   Устьевые аномалии – связаны с замедлением скоростей течения рек при слиянии (гидродинамический барьер);
3. 
   Аномалии приплотинных плесов водохранилищ;
4. 
   Аномалии в устьях рек, связанные с замедлением скорости в нижнем течении;
5. 
   Аномалии в морских бухтах, на берегах которых расположены крупные города.

 

^ Геохимия речных дельт

В дельтах рек обычно происходит переход воды из взвешенного состояния (река) в растворенное (море). Сульфатные формы в морях более подвижны, чем гидрокарбонатные. По этим причинам здесь часто образуются геохимические барьеры. Если реки выносят в основном растворенные вещества, то барьеры растянуты, если преобладают взвешенные – барьеры выражены четко.

В зонах смешения морских и речных вод происходит реакция:

HCO₃ + NaCl ® Na(HCO)₃,

образуется сода, в результате резко повышается рН.

В дельтах есть несколько областей концентрации загрязняющих веществ, связанных с местами замедления скоростей течения (при выходе в море, между островами).

Итак, уровень загрязнения в дельтах рек зависит от следующих факторов:

 

1. 
   Характер источников (в том числе литологических) поступления загрязняющих веществ;
2. 
   Наличие водохранилищ;
3. 
   Тип отложений в дельте (например, пески и известняки почти не накапливают загрязняющих веществ, в этом случае вещества рассеиваются в море);
4. 
   Степень проточности данного водоема дельты;
5. 
   Растения, произрастающие в данной части дельты.

Таким образом загрязнение аквальных ландшафтов, в частности дельт, очень сильно дифференцировано.

^ 18. Геохимия прибрежных ландшафтов

Около 70% населения Земли живет в зоне 0-100 км от берега, поэтому береговые ландшафты играют колоссальную роль в жизни людей. Сосредоточение промышленности и населения обусловливает сильное воздействие на ландшафты.

В прибрежных зонах в результате глобального потепления происходит подъем уровня моря (скорость 2 мм/год), затопление и разрушение прибрежных территорий. При этом изменяются и геохимические условия.

Изменение уровня мирового океана ученые изучают различными методами. Например, в качестве модели рассматривается изменение уровня Каспия (подъем с 1978 г.), которое происходит со скоростью 13 мм/год, т. е. в режиме реального времени (сохранились террасы 20-40-х; 50-70-х гг., за несколько десятилетий образовывались берега, лагуны и т. д.). Также изменение уровня моря и связанных с ним геохимических условий изучают на ледниках Гренландии и Антарктиды.

Изменение условий морских террас и других элементов береговой линии сходно с моделями курганов (см. вопрос №13). Здесь в результате геоморфологических процессов осадконакопление часто начиналось с нуля.

Геохимические процессы в прибрежных районах, связанные с подъемом уровня моря:

 

1. 
   Засоление – при наступании моря на сушу происходит образование засоленных почв, солончаков определенной степени минерализации – галогенез. В районах, где на берегу развито сельское хозяйство, засоление приносит большой ущерб.
2. 
   Изменение окислительно-восстановительных условий – при заболачивании, маршеобразовании образуются анаэробные условия, происходят сульфидогенез, оглеение.
3. 
   Ожелезнение – связано с изменением окислительно-восстановительных условий. В условия образовавшегося кислородного геохимического барьера Fe²⁺ переходит в Fe³⁺ и осаждается.
4. 
   Накопление тяжелых металлов – связано с ожелезнением (при ожелезнении образуется сорбционный и сульфидный барьеры).
5. 
   Биогенная аккумуляция, гумусонакопление – при наступлении моря на пляжи появляются растения, продуцируется органика.

 

Геохимические барьеры в океане:

 

1. 
   Река – море;
2. 
   Берег – море;
3. 
   Гидрофронты (разделы водных масс);
4. 
   Фронты прибрежного апвеллинга;
5. 
   Лед – вода;
6. 
   Гидротермы (подъем термических вод, образуются кислородный и температурный барьеры, осаждаются Mn, Fe – “черные курильщики” - из-за Mn⁴⁺);
7. 
   Океан – атмосфера;
8. 
   Слой фотосинтеза;
9. 
   Слой O₂ – H₂S (смешение кислородных и сульфидных вод, часто здесь образуются железо-марганцевые конкреции);
10. 
    Солевой барьер;
11. 
    Окислительно-восстановительный барьер в осадках;
12. 
    ГБЗ и образование руд.

 

^ 19. Геохимия агроландшафтов

Агроландшафты – районы площадного (а не точечного, как города) воздействия человека на ландшафт. Наиболее сильное воздействие осуществляется путем химических мелиораций, прежде всего внесения минеральных удобрений:

 

1. 
   Азотные удобрения – увеличивается содержание азота, однако других вредных веществ азотные удобрения не содержат;
2. 
   Фосфорные удобрения – происходит загрязнение окружающей среды фосфором, но фосфор быстро связывается минеральным веществом и слабо мигрирует, идет эвтрофикация водоемов; фосфорные удобрения также содержат Cd, U, Sr, As, редкоземельные элементы (Y, Sc, La). Так, например, в бассейне Рейна, несмотря на сокращение промышленных выбросов Cd, его содержание в почве продолжает увеличиваться из-за фосфорных удобрений.
3. 
   Твердые бытовые отходы – осадки иловых вод, поля фильтрации. Это наиболее опасные удобрения, они вызывают загрязнения микроэлементами.