Геохимия ландшафтов - это наука, изучающая химические процессы функционирования ландшафтов, а именно распространение, миграции, рассеяния и аккумуляцию химических элементов внутри ПТК и между различными ПТК.
Основы этой науки начали В.И.Вернадский и О.Е.Ферсман, теоретические положения сформулировал в 20-30-е годы Б.Б.Полинов, а в послевоенное время развили О.И.Перельман, М.А.Глазовська и их многочисленные ученики. Главной идеей геохимии ландшафтов является представление о наличии определенных закономерностей распространения и поведения различных химических элементов в ПТК.
Первая закономерность заключается в том, что каждый ПТК характеризуется определенным уровнем содержания различных химических элементов. Это обусловлено свойствами ПТК и самих элементов. Наиболее распространены на Земле О, Si, AI, Fe, Ca, Na, К, Mg [239]. Эти элементы образуют основную массу горных пород, почв, вод и организмов (99,03%) и называются главными. Все остальные элементы составляют менее 1% земной коры и называются редкими. Если они не способны к концентрации, то называются редкими рассеянными. Например, в U и Вг кларки почти одинаковые, но U просто редкий элемент, поскольку известны его месторождения, а Вг - редкий рассеянный, поскольку он почти не концентрируется в земной коре. В геохимии используется также термин "микроэлементы". Под ним понимаются элементы, которые встречаются в каком-то среде в микроколичествах (менее 0,01%). Им может быть и главный элемент. Так, AI - микроэлемент в организмах и макроэлемент в горных породах.
Изучение содержания химических элементов в земной коре начало в конце XIX века американским ученым Ф.У. Кларком, который впервые установил количественную распространенность химических элементов в земной коре. Поэтому единица среднего содержания химического элемента в земной коре, по предложению О.Е.Ферсмана, получила название кларк.
Главные химические элементы имеют кларк больше единицы. Кларки редких элементов не превышают 0,01. Исследование химического состава горных пород, почв, подземных и поверхностных вод различных ПТК позволяет выявить геохимические аномалии - участки территории, которые существенно отличаются концентрациями химических элементов или их соединений по сравнению с преобладающими значениями смежных участков и являются индикаторами месторождений полезных ископаемых или мест антропогенного загрязнения.
Вторая закономерность распространения химических элементов в ПТК состоит в их свойства мигрировать. Миграционная способность химических элементов определяется как внутренними, так и внешними факторами. К внутренним факторам относится способность химических элементов создавать химические соединения различной растворимости.
Элементы, которые активно вступают в реакции и создают различные химические соединения имеют высокую миграционную способность в горных породах, почвах, растениях, поверхностных и подземных водах. Они определяют характерные черты химического состава ПТК и называются типоморфных. Главные из них Si, Al, H, Na, Ca, Cl, Mg.
Типоморфнисть того или иного элемента определяется характером ПТК. Так, в степных ПТК типоморфных элементом является кальций, который определяет нейтральную или слабощелочную реакцию почвенных растворов. В ПТК тайги типоморфных элементом является водород, который обусловливает кислую среду и недостаток кальция в почвах. Типоморфных элементами пустынных ПТК является натрий и хлор. По преобладающей ролью определенного типоморфных элемента выделяют соответствующие типы ПТК, например: кислые (Н) и кислые глеевые (H-Fe) - в хвойных лесах; кальциевые (Ca) и кальций-натриевые (Ca-Na) - в степях; натриевые (Na ) и хлоридно-натриевые (Cl-Na) - в степных или пустынных впадинах с солончаками т.д. [63].
Неактивные химические элементы (цирконий, гафний, ниобий, тантал, платиноиды, инертные газы) почти не участвуют в реакциях и имеют незначительное влияние на свойства ПТК.
Главными внешними факторами миграционной способности химических элементов является физико-географические условия - температурный режим, влажность, рельеф и т.д. Температурные условия влияют на скорость химических реакций. От температуры воды зависит также миграционная активность элементов. В жарком климате она может быть более высокой, чем в тундре или зоне многолетней мерзлоты с их низкими температурами. Наличие воды является необходимым условием перехода химических элементов в растворы и включение их в миграционные потоки. В зависимости от формы движения материи выделяют четыре вида миграции химических элементов: механическую, физико-химическую, биогенную и техногенную. Механическая миграция включает россыпи, ветровую и водную эрозию. Физико-химическая миграция включает растворение, осаждение, сорбция и другие сложные процессы, протекающие с участием воды и воздуха. Поэтому физико-химическую миграцию разделяют на водную и воздушную. Биогенная миграция осуществляется в результате деятельности живых организмов. Техногенная миграция - это процессы перемещения, концентрации и рассеяния химических элементов под влиянием деятельности человека. Все формы миграции тесно связаны и встречаются практически повсеместно. Но при различных природных условий соотношение и роль различных видов миграции не одинаковы. Так, в пустынях возрастает роль механической миграции, а во влажных тропиках-физико-химической и биогенной миграции и т.д. Количественной оценке миграции элементов в ландшафте служит интенсивность миграции-количество химического элемента, которая переходит в подвижной состояние за единицу времени.
Если интенсивность миграции резко уменьшается на коротком расстоянии, это приводит к осадку мигрирующих элементов и вызывает их значительную концентрацию на определенном участке. Такие участки называют геохимическими барьерами. Они возникают в местах разгрузки подземных вод, на грани пород разного состава, на грани почвенных горизонтов, у подножия склонов и т.д.
Рудные тела некоторых месторождений полезных ископаемых образуются именно на геохимических барьерах. Классификация барьеров построена в соответствии с видами миграции химических элементов. Выделяют механические, физико-химические и биогеохимические барьеры.
Механические барьеры образуется в результате изменения рыхлых пород на плотные. Наиболее характерными они для элементов благородных металлов (Au, Те, Cr и др.).. Физико-химические барьеры связаны с изменением физических и химических условий миграции. Различают окислительный, восстановительный глеевых, восстановительный сероводородный, кислый, щелочной, нейтральный, испарительный, сорбционный и сульфатный физико-химические барьеры. Окислительный барьер формируется на пределы изменения восстановительной обстановки на окислительную. Наличие свободного кислорода и других окислителей приводит к образованию нерастворимых окисных соединений, что характерно для железа, марганца (ржавые пятна). Восстановительный глеевых барьер препятствует миграции восстановительных соединений селена, ванадия, урана, молибдена, кобальта, которые выпадают в осадок. Восстановительный сероводородный барьер формируется там, где созданы условия для образования сероводорода. Вступая в геохимическую реакцию с металлами, сероводород образует сульфиды металлов (FeS, PbS), которые выпадают в осадок. На этом барьере задерживается миграция Fe, V, Sn, Ni, Co, Cu, Pb, Cd, Hg, Se. Кислый бар 'Премьер формируется при изменении щелочной или нейтральной реакции на кислую. Такой барьер задерживает миграцию Si, Mo, Se, Hg, соединения которых в кислой среде слаборастворимые. Щелочной барьер образуется на границе изменения кислой или нейтральной реакции на щелочную. В условиях щелочной среды соединения Fe, Ca, Mg, Zn, Cu, Ni, Co, Pb, V, Cd переходят в слаборастворимые соединения. Нейтральный или кальциевый барьер образуется при наличии карбонатных пород или жестких вод, которые насыщены ионами С032. На барьере останавливается миграция Ca, Fe, Ва, Sr. Сульфатный барьер характерен для вод, которые обогащены сульфатными ионами. Здесь концентрируется Ва, Ca, Sr. Испарительный бар 'Премьер характерен для верхних горизонтов почв аридных ландшафтов. Вода с растворимыми соединениями движется вверх, испаряется, а элементы выпадают в виде хлоридных, сульфатных и карбонатных солей. Этот барьер прекращает миграцию всех растворимых в воде веществ. Сорбционный барьер проявляется в тех ландшафтах, в которых много коллоидных частиц (гумуса, глины). Он может осаждать практически все элементы, встречающиеся в растворе в ионной форме. Биогеохимические барьеры - это способность живых организмов содержать химические элементы.
Третья закономерность распространения химических элементов в ПТК заключается в том, что все процессы миграции, рассеянии и аккумуляции химических элементов обусловлены геохимическим сообщением ПТК.
Субаквальные (подводные) ЭЛ формируются днищах рек, озер, шельфовой зоне морей. Химические элементы приносятся сюда с твердым и жидким стоком из вышерасположенных EJI. Это имеет как положительные, так и отрицательные последствия. Принесенный сверху материал накапливается и подводные растения нередко лучше обеспечены минеральными веществами, чем надводные. Но иногда в водоемах может создаваться избыток вредных компонентов техногенного загрязнения-тяжелых металлов и синтетических органических соединений.
Транселювиальни ЭЛ - это верхние части склонов водоразделов, где происходит преимущественно транспортировки химических элементов. Элювиально-аккумулятивные ЭЛ - это нижние части склонов водоразделов, где происходит и транспортировки, накопления химических элементов. Аккумулятивно-элювиальные ЭЛ - это замкнутые понижения водоразделов с глубоким уровнем грунтовых вод, где вынос химических элементов происходит лишь с грунтовым стоком. Транссупераквальни ЭЛ - это склоны пониженных, подчиненных водоразделам междуречий, где происходит преимущественно транспортировки химических элементов. Трансаквальни ЭЛ-это днища рек, озер, морей с проточными водами, аквальных - днища озер с непроточных водами.
Согласно Б.Б.Полиновим, совокупность EJI, последовательно чередуются в пределах определенного геоморфологического элемента (водораздела, склона, террасы, днища водоема) и сходные по условиям миграции, составляет местный геохимический ландшафт или местность. Серия EJI, сменяющих друг друга в направлении от водораздела к днищу долины и связанные латеральным направлением миграционных потоков, формируют ландшафтно-геохимическую Катена (ЛГК) - простейшую, за М.А.Глазовською [63], каскадную ландшафтно-геохимическую систему - КЛГС. Совокупность ЛГК, которые ограничены общим водосборным бассейном, формирует ландшафтно-геохимическую арену (ЛГА).