 |
|
Гидрогеохимическая систематика элементов
ВОДНАЯ МИГРАЦИЯ
Распространенность химических элементов в гидросфере существенно отличается от литосферы.
Кларки гидросферы
Гидросфера Земли состоит из трех неравных по массе составных частей – вод Мирового океана (93%), поверхностных (озерных и речных), подземных и грунтовых вод. Воды каждой из этих составляющих имеют свой средний химический состав. Последние сводки по геохимии Мирового океана содержатся в работах В.В. Гордеева, А.П. Лисицына и В.В. Добровольского, по геохимии поверхностных, преимущественно речных вод – В.В. Гордеева, а подземных и грунтовых – С.Л. Шварцева. Средние содержания некоторых наиболее токсичных тяжелых металлов приводятся также Дж. Муром и С. Рамамурти.
Особенно сильно по степени минерализации, ионному и микрокомпонентному составу, формам нахождения элементов отличаются воды континентального блока и воды Мирового океана (табл. 1, 2). Так как морские и океанические воды относительно грунтовых и речных вод наиболее сильно минерализованы (соответственно 35 500, 431 и 80—100 мг/л), то естественно, что в них концентрируются наиболее подвижные элементы, в основном галогены. В морских водах по сравнению с подземными водами континентов (кроме рассолов) содержится в 200-400 раз больше хлора, брома и натрия, в 30-100 раз бора, калия, магния, рубидия, стронция и сульфатной серы, в 10 раз лития. Относительно речных вод в океанической воде концентрации брома, лития, бора и стронция увеличиваются еще в 5-10 раз. В то же время в речных водах в десятки раз больше менее подвижных элементов, поступающих в воды при выветривании пород и почвообразовании, — марганца, иттрия, хрома, кремния, титана, цинка и меди.
Таблица 1
Среднее содержание элементов в гидросфере, мг/л
| Элементы | Мировой океан | Гидросфера суши (подземные воды) |
| Si | 6,2 | 17,4 |
| Al | 1,0 | 279* |
| Fe | 3,4* | 547* |
| Ca | 43,9 | |
| Na | 45,5 | |
| K | 4,6 | |
| Mg | 18,6 | |
| Ti | 1,0* | 10,7* |
| P | 88* | - |
| F | 1,3 | 0,45 |
| SO4-2 | 75,1 | |
| C(Cорг.) | 0,5 | 5,9 |
* мкг/л
Та6лица 2
Среднее содержание микроэлементов в гидросфере
| Элементы | Мировой океан, | Гидросфера суши | |
| мкг/л | Подземные воды, мкг/л | Речные воды (взвесь), мкг/г | |
| Mn | 0,4 | 49,4 | 500,0 |
| Ba | 21,0 | 19,6 | 280,0 |
| Sr | 8100,0 | 185,0 | 69,0 |
| V | 1,9 | 1,6 | 59,0 |
| Zn | 5,0 | 34,0 | - |
| Cr | 0,2 | 2,9 | 60,0 |
| Ni | 6,6 | 3,3 | 38,0 |
| Cu | 0,9 | 5,6 | 37,0 |
| Pb | 0,03 | 2,2 | 46,0 |
| Co | 0,4 | 0,7 | 8,3 |
| B | 4450,0 | 41,8 | 32,0 |
| U | 3,3 | 3,4 | 1.4 |
| As | 2,6 | 2.1 | 2,3 |
| Mo | 10,0 | 2,1 | 1,4 |
| Sb | 0,33 | 1,5 | 0,9 |
| Cd | 0,11 | 0,3 | 0,32 |
| Se | 0,09 | 0,9 | - |
| Hg | 0,15 | 0,9 | - |
| Ag | 0,28 | 0,3 | 0,6 |
| Au | 0,011 | 0,0? | 0,02 |
Трансформация химического состава вод континентов, где преобладают взвешенные формы нахождения элементов, происходит в прибрежных зонах океана, дельтах и эстуариях рек. В океане доминируют растворенные формы элементов. Концентрации всех элементов в океанской взвеси в десятки, сотни и даже тысячи раз ниже, чем в речной взвеси за счет резкого сокращения доли силикатных форм в том числе и таких слабых мигрантов, как алюминий.
Гидрогеохимическая систематика элементов
Для объяснения особенностей водной миграции химических элементов в ландшафтах особое значение имеют классификации химических элементов, основанные на анализе щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных свойств элементов, определяемых их ионным потенциалом, потенциалом ионизации, электроотрицательностью, строением электронных оболочек, которые развивают геохимические классификации В.М. Гольдшмидта и А.Е. Ферсмана. Наиболее детальную классификацию такого рода разработал А.И. Перельман. В ее основу положено разделение элементов по интенсивности их водной миграции в различных геохимических обстановках.
Большое значение для ландшафтно-геохимических исследований имеют достижения современной гидрогеохимии. Для объяснения ландшафтной миграции и состояний элементов в биокосных системах можно использовать геохимическую классификацию элементов, разработанную А.И. Перельманом и С.Р. Крайневым, В.М.Швецом.
В этих классификациях выделяются три основные группы элементов:
1 – катионогенные элементы (литий, натрий, калий, кальций, стронций, барий), мигрирующие в основном в форме катионов;
2 –элементы-комплексообразователи с тремя подгруппами:
а) – 8-электронные элементы, обычно называемые элементами-гидролизатами (магний, алюминий, скандий, иттрий, редкие земли, титан, цирконий); миграция этих элементов в природных водах происходит как в катионной, так и в анионной формах в виде разнообразных комплексных соединений;
б) 18-электронные элементы, которые часто называют тяжелыми металлами (медь, серебро, цинк, кадмий, ртуть, свинец);
в) переходные элементы (марганец, железо, кобальт, никель и др.);
3 - анионогенные элементы (сера, ванадий, селен, молибден, фтор, мышьяк, сурьма и др.), образующие простые анионы и анионы с кислородом.
В разных ландшафтно-геохимических условиях (кислых, щелочных, глеевых и т.д.) вероятность образования элементами тех или иных форм миграции не одинакова. Особенно это характерно для некоторых элементов-комплексообразователей и анионогенных элементов, имеющих в отличие от катионогенных элементов два максимума растворимости — не только в кислой, но и в щелочной среде. Элементы другой группы в зависимости от степени окисления и рН могут находиться в катионной и анионной формах (цинк, алюминий, уран, молибден и др.). В аридных ландшафтах при отсутствии или малом количестве в водах органического вещества большинство 10-электронных элементов в щелочной среде не образуют растворимых комплексных соединений, слабо подвижны и ведут себя как типичные катионогенные элементы, для миграции которых благоприятны кислые среды. Поэтому в этих ландшафтах они далее рассматриваются и объединяются с катионогенными элементами, а в группу элементов-комплексообразователей включены только 8-электронные элементы-гидролизаторы. При этом основным аддентом для комплексообразования в аридных ландшафтах являются карбонат- и бикарбонат-ионы. Из 18-электронных элементов лишь медь, серебро, возможно, цинк могут образовывать сложные комплексные соединения с карбонатами и бикарбонатами щелочей.
Свойства комплексных соединений элементов-гидролизатов определяются главным образом постоянной валентностью этих элементов и щелочно-кислотными условиями среды. В то же время миграция анионогенных элементов, часто имеющих переменную валентность, зависит не только от щелочно-кислотных, но и окислительно-восстановительных условий. Более подробно вопросы геохимии комплексных соединений элементов отражены в работах А.И. Перельмана, С.Р. Крайнова, Г.А. Голевой, С.Р. Крайнова и В.М. Швеца и др. Учитывая распространенность химических элементов в земной коре и их вероятные состояния в природных растворах, нами разработана геохимическая систематика элементов (табл.3), которую в дальнейшем можно использовать при выполнении заданий и ответах на вопросы о закономерностях миграции элементов в геохимических ландшафтах.