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 — Кк (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 КВ, 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 КB, свойственную только этим районам. Это можно наглядно представить в виде графиков и гистограмм коэффициентов КB.
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.