Апр 26 2003

Экология земли и загрязнение почвы

Опубликовано в 19:34 в категории Чистота воды и здоровье

Миграция, концентрирование, рассеяние микроэлементов в геосферах Земли.

 

Волконский А.Г.

 

Институт геологических наук НАН Украины, г. Киев

Исследование кларков химических элементов в геосферах Земли имеет большое научное и прикладное значение. Сведения о содержании микроэлементов в отдельных системах лито- био- и гидросферы необходимы как отправная точка при изучении процессов миграции элементов в поверхностных, грунтовых, подземных (минеральных) водах. Знание кларков микроэлементов позволяет более успешно решать гидрогеохимические проблемы концентрирования, рассеяния, миграции элементов в почвах, породах различного вещественного состава, при выяснении роли геохимических барьеров в формировании месторождений полезных ископаемых, проведении инженерно-геологических изысканий, разведке месторождений промышленных и минеральных вод и пр.

На основе проработанного обширного литературного и справочного материала нами составлена таблица 1 – содержания средних (кларковых) значений микроэлементов в сферах Земли. Составляя, её мы пользовались как классическими работами А.П. Виноградова, А.А. Беуса, В.Ф. Барабанова, Г.В. Войткевича, В.В. Добровольского, А.И. Перельмана, Е.В. Пиннекера, А.С. Поваренных, А.М. Никанорова, С.Л. Шварцева, более поздними работами В.В. Гордеева, В.Д. Коржа, так и новыми публикациями Е.Ф. Шнюкова, А.Ю. Митропольского и др.

Соотношение (превышение) кларков содержания микроэлементов в системах био- и гидросферы представлено нами в таблице 2.

В.И. Вернадский предложил именовать кларком концентрации (КК) – отношение среднего содержания элемента в данной системе к его кларку в земной коре. Если кларк концентрации элемента меньше единицы, то для повышения контрастности распределения рационально пользоваться обратной величиной – кларком рассеяния (КР). Кларк

рассеяния – отношение кларка элемента в земной коре к его содержанию в данной системе.

По определению (формуле) В.И. Вернадского и кларкам из таблицы 1 мы рассчитали значения кларков концентрации (КК) и кларков рассеяния (КР) исследуемых нами микроэлементов, таблица 3.

Материалы таблицы свидетельствуют, что наибольшей способностью концентрироваться в почвах обладают анионогенные элементы (I, Br, B, As, Mo), менее значительной – комплексообразователи (Pb, Ti) и катионогенные элементы (Sr, Li). В растениях концентрируется незначительно бром. Наиболее существенная концентрация элементов происходит в золе растений: анионогенные (I, Br, B, Mo), комплексообразователи (Mn, Cu, Zn). В других системах биосферы, а также в гидросфере микроэлементы рассеиваются, причем очень существенно. Исключение составляет бром, сильно концентрирующийся в морской воде.

Ниже, в тезисной форме изложены сведения об отдельных микроэлементах.

Литий (Li) В природных водах литий – аналог натрия. Переходный характер лития от щелочных к щелочноземельным металлам проявляется в слабой растворимости его карбонатов, фосфатов, фторидов. В биосфере литий мигрирует слабо, его роль в живом веществе менее значительна, чем у натрия и калия. Из вод литий легко сорбируется глинами, мало лития в морских водах. Месторождения лития связаны преимущественно с магматическими процессами (пегматиты).

Свинец (Pb). В биосфере свинец рассеивается, в гидросфере – рассеивается еще более значительно. В гумидных ландшафтах свинец мигрирует в гидрогенокарбонатной форме Pb(HCO3)2, механическим путем с глинистыми частицами, в органических комплексах. Из почв свинец выносится слабее, чем медь и цинк.

Марганец (Mn). В форме (Mn2+) является более интенсивным мигрантом, чем Fe2+ или Fe3+ как в биосфере, так и в гидросфере. Роль марганца в биосфере весьма существенна. В кислых и нейтральных водах ландшафтов с влажным климатом марганец энергично мигрирует, в глеевых водах болот его содержание повышается до пх10-2 г/л. Марганца мало в подземных водах зоны гипергенеза, еще меньше в речных и морских водах.

Железо (Fe). Железо (Fe2+) характеризуется высокой миграционной активностью в кислых водах и низкой – в щелочных. Железо – важный биоэлемент, кларк в живом веществе 1?10-2%. Высокий кларк Fe препятствует накоплению в растительных и животных организмах, не аккумулируется Fe и в почвах биогенным путем (см. табл.3). Исключение составляют «железобактерии», окисляющие Fe2+ и накапливающие гидрооксиды Fe3+. Большинство кислородных вод континентов содержат железо в количествах пх10-4 – пх10-5 г/л. Коэффициент водной миграции железа – низкий (0,0п). В глеевой среде устойчиво Fe2+, энергично мигрирует в кислых и нейтральных водах: Fe(HCO3)2, органические комплексы и другие формы. Содержание железа в болотных водах повышается до пх10-3 г/л. Речной сток поставляет в моря железо в основном во взвешенной форме. В морской воде железа мало (2х10-7 г/л).

Медь (Cu). В поверхностных водах медь содержится в количествах (nх10-6 г/л). Большая часть меди мигрирует с глинистыми частицами, которые энергично её адсорбируют. Возможна и коллоидная миграция. В ландшафтах влажного климата миграция меди – слабая, частично медь выщелачивается из почв. В подземных водах медь мигрирует энергично, осаждаясь на сероводородном барьере. Выносимая речным стоком медь не накапливается в морской воде, сравнительно быстро осаждается. Глины и сланцы обогащены медью (5,7х10-3 %). В живом веществе медь принимает участие во многих физиологических процессах, входя в состав более 30 ферментов, биогенно аккумулируется в почвах. Известны организмы-концентраторы меди.

Ртуть (Hg). В геохимии ртути важную роль играет миграция в водных растворах и в газообразной форме. В подавляющем большинстве систем ртуть рассеяна и только в гидротермах происходит её концентрирование, образуются месторождения. В биосфере ртуть, как правило, рассеивается, сорбируясь в незначительных количествах глинами и илами (в глинах и сланцах кларк ртути – 4х10-5 %). В природных водах содержание ртути обычно составляет (пх10-7 г/л). Кларк ртути в морской воде – (3х10-9 %). Ртуть – сильный яд, она не накапливается живым веществом (см. табл.1 и табл.3), однако известны многочисленные случаи повышеных содержаний ртути в живых организмах (например – морских молюсках и пр.). В местах добычи и переработки ртути часто проявляется техногенное загрязнение окружающей среды (болезни диких и домашних животных, человека).

Бор (В). Водная миграция бора более активна в гидротермах, чем в биосфере. Растворимость боратов растет с повышением температуры. В воде хорошо растворяются только некоторые бораты щелочных металлов. Характерно наличие в кристалической структуре некоторых боратов (датолит – CaB(OH)SiO4) водородных связей. Бор – элемент биологического накопления, а главный его концентратор – океан. Гумидные ландшафты обычно бедны бором. В грунтовых, речных и озерных водах степей и пустынь содержание бора повышено, он накапливается при испарении, мигрирует в виде анионов полиборатных кислот, которые образуют труднорастворимые кальциевые и магниевые соли. Наиболее благоприятные условия для миграции бора – содовые воды. Известны болезни растений, связанные с дефицитом и избытком бора; у животных избыток бора вызывает заболевания.

Бром (Br). Способность брома к концентрированию относительно невелика, он типично рассеянный элемент, практически не образующий минералов. В биосфере бром накапливается. В глинах и сланцах его кларк – (6х10-4 %), в гидросфере – (6,6х10-3 %). Концентрируется в соляных озерах, глубинных рассолах. Для живого  вещества не характерно накопление Br, за исключением морских и животных организмов. Органические вещества легко сорбируют бром, с чем связана его аккумуляция в торфяниках, озерных и морских илах. Бром, по сравнению с хлором, энергичнее накапливается в почвах гумидных районов, глинах и сланцах, слабее в гидросфере. В значительных количествах бром поступает с атмосферными осадками, а также в результате техногенного загрязнения окружающей среды выхлопами автомобильных двигателей.

Йод (I). Редкий рассеянный элемент, довольно равномерно распределенный в земной коре. Кларк йода в живом веществе – (1,2х10-5 %), свидетельствует о его биогенном накоплении в некоторых почвах и илах, испарительной концентрации в соленых озерах и солончаках. Резервуаром йода служит океан, воды которого содержат – (5х10-6 %) йода (в форме IO3- и I-). Главным источником йода для ландшафтов служат моря и океаны, откуда ветры переносят йод в атмосферных осадках. Сжигание угля, нефти, торфа, сланцев поставляет в атмосферу «захороненный» йод.

Выводы:

1. Геохимическую особенность системы характеризуют элементы с высокими значениями кларков, т.е. те микроэлементы, которые обладают способностью интенсивно мигрировать и накапливаться (I, Br, B, As, Mo, Sr, Li);

2. Наиболее значительны кларки рассеяния микроэлементов в гидросфере – речных, морских и подземных водах (Al, Ti, Fe, Zn, Mn, Pb, Co, Ni, Cu, Hg); биосфере – живое вещество (Al, Ti, Fe, Zn, Cu, Co, Ni, Hg, F), растения (Al, Ti, Fe, Co, Ni, Hg, F).

Кларки содержания микроэлементов в лито – био и гидросферах Земли, % масс

Таблица 1

Элемент

Лито-сфера

Биосфера

Гидросфера

Почва Растения

в золе растений

Живое вещество

Поверхностные

Подземные

река

Море

Зоны гипергенеза

Li

3,2?10-3

5?10-3

2,9?10-4

1,1?10-3

6?10-5

2,5?10-7

1,8?10-5

1,4?10-6

Ba

5,9?10-2

5,6?10-2

6?10-3

1?10-2

9?10-4

6?10-6

2?10-6

1,9?10-6

Sr

3,4?10-2

6,8?10-2

2,2?10-2

3?10-2

1,6?10-3

6?10-6

8?10-4

1,9?10-5

Al

7,82

7,13

2,6?10-4

1,4

5?10-3

4,9?10-6

2х10-7

2,8?10-5

Ti

0,45

0,56

1,8?10-5

0,1

1,3х10-3

3?10-7

1х10-7

1,1?10-6

Pb

1,6?10-3

3?10-3

1?10-4

1?10-3

1?10-4

1?10-8

3?10-9

2,2?10-7

Mn

0,099

7?10-2

8,2?10-3

0,75

9,6х10-3

8,2?10-7

2х10-8

4,9?10-6

Fe

4,63

3,8

2,9?10-3

1

1х10-2

4?10-6

2х10-7

5,5?10-5

Co

1,83х10-3

8х10-4

9х10-6

1,5х10-3

4х10-5

2х10-8

5х10-9

8х10-8

Ni

5,9х10-3

3,3х10-3

6х10-5

5х10-3

8х10-5

5х10-8

1,7х10-7

3,3х10-7

Cu

4,7х10-3

2,2х10-3

4х10-4

2х10-2

3,2х10-4

1,5х10-7

5х10-8

5,6х10-7

Zn

3,9х10-2

7х10-3

2,7х10-3

9х10-2

2х10-3

1,5х10-8

4,9х10-7

3,4х10-6

Hg

8,2х10-6

4х10-6

2,6х10-7

1х10-6

5х10-7

7х10-9

3х10-9

1,7х10-8

B

1,2х10-3

3,8х10-3

6,5х10-4

4х10-2

1х10-3

1,7х10-6

4,4х10-4

4,2х10-6

F

6,6х10-2

2х10-2

6х10-4

1х10-3

1,4х10-4

1х10-5

1,3х10-4

5х10-5

Mo

1,05х10-4

3х10-4

5х10-5

2х10-3

2х10-5

5х10-8

1х10-6

2,1х10-7

As

1,7х10-4

5х10-4

1х10-5

3х10-5

6х10-6

1,7х10-7

3,7х10-7

2х10-7

Br

2,08х10–4

1,5х10-3

2,5х10-4

1,5х10-2

1,6х10-4

2х10-5

6,7х10-3

1,8х10-5

I

4,06х10-5

3,4х10–4

2х10-5

5х10-3

1,2х10-5

7х10-6

6х10-6

1,6х10-6

Превышение кларков содержания микроэлементов в системах био-и гидросферы

Таблица 2

Елемент

Почва / Растения

В золе растений /

Растения

Море / Река

Подземные воды / Река

Море / Подземные воды

Li

17

3,8

72

5,6

13

Ba

9

1,7

1,05

Sr

3

1,4

133

3,2

42

Al

2,7х104

5,4х103

5,7

Ti

3х104

5,5х103

3,7

Pb

30

10

22

Mn

8,5

91,5

6

Fe

1х103

345

14

Co

89

167

4

Ni

55

83

3,4

6,6

Cu

5,5

50

3,7

Zn

2,6

33

3,3

227

Hg

15,4

3,8

2,4

B

6

61,5

259

2,5

105

F

33

1,7

13

5

2,6

Mo

6

40

20

4,2

4,8

As

50

3

2,2

1,2

1,9

Br

6

60

335

372

I

17

250

3,8

Кларки концентрации (КК)* и кларки рассеяния (КР)

  • микроэлементов в био-и гидросфере

    Таблица 3

    Елемент

    Почва

    Растения

    В золе растений

    Живое вещество

    Река

    Море

    Подземные воды

    *

  • *

  • *

  • *

  • Li

    1,6

    11

    2,9

    53

    1,3х104

    178

    2,3х103

    Ba

    1

    9,8

    5,9

    65,5

    9,8х103

    2,95х104

    3х104

    Sr

    2

    1,5

    1,1

    21

    5,6х103

    42,5

    1,8х103

    Al

    1,1

    3х104

    5,6

    1,5х103

    1,6х106

    3,9х107

    2,8х105

    Ti

    1,2

    2,5х104

    4,5

    346

    1,5х106

    4,5х106

    4х105

    Pb

    1,9

    16

    1,6

    16

    1,6х105

    5,3х105

    7,2х103

    Mn

    1,4

    12

    7,6

    10,3

    1,2х105

    4,9х106

    2х104

    Fe

    1,2

    1,6х103

    4,6

    463

    1,15х106

    2,3х107

    8,4х104

    Co

    2,3

    203

    1,2

    45,8

    9,1х104

    3,6х105

    2,3х104

    Ni

    1,8

    98

    1,2

    73,8

    1,2х105

    3,5х104

    1,8х104

    Cu

    2,1

    11,8

    4,3

    14,7

    3х104

    9,4х104

    8,4х103

    Zn

    5,6

    14,4

    2,3

    19,5

    2,6х106

    8х104

    1,1х104

    Hg

    2

    31,5

    8,2

    16,4

    1,2х103

    2,7х103

    482

    B

    3,2

    1,8

    33

    1,2

    706

    2,73

    286

    F

    3,3

    110

    66

    471

    6,6х103

    508

    1,3х103

    Mo

    2,9

    2,1

    19

    5,2

    2,1х103

    105

    500

    As

    2,9

    17

    5,6

    28

    1х103

    459

    850

    Br

    7,2

    1,2

    72

    1,3

    10,4

    32

    11,5

    I

    8,4

    2

    123

    3,4

    5,8

    6,8

    25,4

  • Нет пока ответов

    Комментарии закрыты.