Геохимические и геофизические процессы в ландшафтах

Идеи В.И. Вернадского о взаимодействии и взаимообусловлен­ности организмов и среды, об их геохимической взаимосвязи полу­чили дальнейшее развитие и географическую трактовку в учении о геохимии ландшафтов, созданном Б.Б. Полыновым. Согласно Б.Б. Полынову, геохимический ландшафт — участок земной поверх­ности, отличающийся особенностями миграции химических эле­ментов, которые вызваны комплексом взаимосвязанных и взаимо­обусловленных природных факторов и процессов. Водоразделы, склоны, долины, водоемы — это не отдельные, изолированные друг от друга участки земной поверхности, а части, взаимосвязанные между собой в едином процессе миграции и сопряжения хими­ческих элементов.

Геохимический ландшафт — тот же географический ландшафт, но рассматриваемый под углом зрения миграции химических элементов.

Геохимическое изучение ландшафта имеет ряд аспектов при­кладного значения, в частности, в проведении поисков полезных ископаемых, в решении вопросов, связанных с охраной природных комплексов от химического загрязнения, здравоохранением, сельским хозяйством, организацией культурных ландшафтов.

Применяя сопряженный анализ продуктов выветривания горных пород, почв, растительности, поверхностных и грунтовых вод, можно определить элементы, мигрирующие и накапливающиеся в ландшафте, их качественное и количественное соотношение в отдельных разновидностях. Основным источником вещества для ландшафта служат лито-, гидро- и атмосфера. Известно 104 химических элемента и более 40 элементарных частиц. Опреде­ление среднего химического состава литосферы начато в конце Х1Хв. американским ученым Ф.У. Кларком. По предложению А.Е. Ферсмана единица среднего содержания элемента получила название кларка. Подсчеты А.Е. Ферсмана и А.П. Виноградова показали, что в литосфере наиболее распространены кислород — 47 % ее веса, кремний — 29,5, алюминий — 8, железо — 4,65, каль­ций — 2,9, натрий — 2,5, калий — 2,5, магний — 1,87. Эта группа элементов (более 99 %) имеет высокие кларки и образует основ­ную массу горных пород, почв, вод и организмов. Все остальные элементы составляют менее 1 % земной коры. Они делятся на редкие (кларки меньше 0,01 %) и рассеянные (обладают очень низ­кими кларками и не способны к концентрации — радий, кадмий, ин­дий и др.). Тем не менее редкие и рассеянные элементы играют исключительную роль в образовании горных пород, месторождений полезных ископаемых и жизненных процессах, протекающих в биосфере. Элементы, активно мигрирующие в почвах и природных водах и определяющие характерные черты ландшафта, получили название типоморфных. Главные из них—81, А1,Н, Ха, С, С^М^ЗО^.

Миграция типоморфных элементов накладывает яркий отпеча­ток на почвы и местные воды, растительный покров и связывает все "черты ландшафта" между собой крепкой обратимой связью. Так, в черноземных степях типоморфным элементом является кальций, характерный для местных вод, почв и коры выветрива­ния, всегда богатых СаСО₃, организмов (высокое содержание Ca определяет прочность скелета и т.д.); в таежных болотах — Fe; в солончаках — Nа, Cl, S и т.д.

Познание миграции и накопления химических элементов при различных физико-географических условиях — важнейший аспект при изучении химических свойств ландшафта и его составных частей. Миграция химических элементов —это то общее, что связы­вает компоненты ландшафта.

Развивая идеи Б.Б. Полынова о многообразии миграций, А.И. Перельман в зависимости от формы движения материи, с которой связано перемещение атомов, предложил разделить миг­рацию на виды: механическую, физико-химическую (водная и воздушная), биогенную и техногенную.

Механическая миграция подчиняется законам механики — перемещение материальных систем от мест более высоких к мес­там более низким. Соответственно этому происходит механическая и химическая дифференциация элементов и их содержаний в коре выветривания, их миграция и аккумуляция. Механическая мигра­ция зависит прежде всего от величины частиц минералов и пород, их плотности, скорости движения вод, ветра. Географический ареал миграции химических элементов тем шире, чем они подвиж­нее и чем благоприятнее географические, физико-химические и биологические условия их перемещения. Наиболее широким ареа­лом аккумуляции характеризуются типы кремнезема и полутор­ных окислов железа, алюминия, наиболее узким — нитраты, хлори­ды и сульфаты, приуроченные главным образом к засушливым областям. Промежуточное положение занимают карбонаты каль­ция, магния и натрия. Ведущим фактором как в образовании гео­химической однородности, так и геохимической контрастности в пределах одной и той же ландшафтной зоны является рельеф. В условиях расчлененного рельефа механическая денудация значи­тельно опережает химическую.

Физико-химическая миграция определяется законами физики и химии и осуществляется в природных водах или атмосфере. Большинство химических элементов мигрирует в водных растворах в виде ионов, зависящих от растворимости солей, pH, окислитель­но-восстановительного потенциала. С перечисленными процессами связано формирование вторичных минералов и различных типов коры выветривания. Геохимические процессы обусловливают щелочно-кислотные свойства водных растворов в ландшафте, сте­пень минерализации и ионный состав почвенных, грунтовых, речных, озерных вод, состав обменных катионов в почве, соотношение между выносом и накоплением в ней гумусовых веществ и т.д.

Важным геохимическим показателем различных природных зон служат типоморфные элементы, они определяют химические свойст­ва растворов. В тундре химические процессы ослаблены, первичные материалы мало изменяются. С типоморфными элементами Н и Ре связана высокая кислотность почвенных растворов. В тайге геохи­мические процессы протекают при активной роли органических (гумусовых) кислот, преобладает нисходящее движение раство­ров, интенсивно выносятся кальций, магний, натрий и другие элементы, образуется сиаллитная (от Si и Аl) кора выветривания, состоящая главным образом из смеси гидритов SiO₂, Аl₂O₃, Fe₂О₃ и их производных - алюмо- и ферросиликатов. Основной типоморфный ион в тайге Н обусловливает кислую среду, недо­статок кальция в почвах. В степной зоне наблюдается чередование нисходящих и восходящих токов в почвогрунте, типоморфным элементом является кальций, который определяет нейтральную или слабощелочную реакцию почвенных растворов и т.п. Таким образом, гидрохимической миграции присуща широтная зональ­ность.

Воздушная миграция химических элементов в ландшафте так­же велика, элементы поступают в осадки за счет растворения газов воздуха, приноса солей из моря, растворения солей и пыли континентального, вулканического происхождения и др. Для изучения миграции и распределения газов важна количествен­ная химическая характеристика их состава.

В природных условиях происхождение отдельных компонентов газа может быть различным, поэтому все классификации носят условный характер. Кроме газов, в атмосфере имеются примеси в виде аэрозолей, аэропланктона, фитонцидов, эфирных соеди­нений, парообразной и конденсированной воды и других соедине­ний. На миграцию элементов в газовой фазе влияют температура, лучистая энергия и вызываемая ею ионизация атомов. Некоторые газы (СО₂, O₂, Н₂, N₂), мигрируя в биосфере, участвуют в процес­сах био- и фотосинтеза, входят в состав органического вещества животных и растений и часть своего миграционного пути прохо­дят вместе с ними. Несомненное воздействие на миграцию газов оказывает деятельность человека (посевы растений, разработка месторождений полезных ископаемых, сжигание топлива и т.д.), которая искусственно изменяет состав и формы миграции.

Особая роль в обмене веществ и превращении энергии внутри ландшафта принадлежит постоянно действующей и могуществен­ной биогенной миграции. Биогенная миграция определяется двумя противоположными и взаимосвязанными процессами. Первый — образование живого вещества, второй — разрушение органического вещества с переводом органических соединений в минеральные. Живое вещество образуется в результате фотосинтеза (вода раз­лагается на кислород, выделяющийся в окружающую среду, и во­дород, идущий на восстановление углекислого газа и синтез органических соединений). Фотосинтез, осуществляемый в био­сфере высшими и низшими растениями за счет использования сол­нечной энергии, производит ежегодно в океане 2,7¹⁰ т органиче­ского вещества и на суше — 3,1¹⁰ т (всего 5,8¹⁰ т/год). В совокупности эти процессы и образуют малый биологический кру­говорот, который является ведущим в почвообразовании и разви­тии ландшафта.

По уровню концентрации какого-либо химического элемента, с которым сопряжены биохимические условия развития организ­мов, их рост и другие биологические особенности, выделяют био­химические провинции: 1) зональные, приуроченные к определен­ным зонам, и 2) интерзональные. Первые отражают недостаток отдельных химических элементов в пределах определенной зоны и связанные с ними биохимические эндемии; вторые — избыток химических элементов в среде и организмах, обусловленный образованием первичных или вторичных ореолов рассеяния вокруг рудных тел и месторождений, аккумуляцией солей и другими причинами.

Техногенная миграция связана с деятельностью человека и представляет наиболее сложный вид миграции. Воздействие чело­века на природу началось с примитивных форм и возрастало по мере развития производительных сил. Во многих случаях оно превосходит значение некоторых естественных геологических и биологических факторов, постоянно влияющих на преобразование природных и создание культурных (техногенных) ландшаф­тов.

В разных ландшафтах соотношение видов миграции химиче­ских элементов неодинаково. Например, в степных и таежных ландшафтах главной является биогенная миграция, хотя и в них протекают физико-химические и механические процессы.

В зависимости от вида миграции А.И. Перельман (1975) выде­лил три основных ряда ПТК — геохимических ландшафтов.

1. Абиогенные ландшафты, для которых характерна только механическая и физико-химическая миграция.

2. Биогенные ландшафты с ведущим значением биогенной миграции и подчиненной ролью физико-механических и механи­ческих процессов.

3. Культурные ландшафты, своеобразие которых определяется техногенной миграцией, хотя в них развиваются и все остальные виды миграции.

К главным задачам физики ландшафта относятся выявление закономерностей развития потоков вещества и энергии, балан­совая оценка ПТК. Геофизика ландшафта изучает физические процессы, протекающие в неживой и живой природе. Вследствие этого особое место в геофизике ландшафта приобретает метод балан­сов, позволяющий учитывать баланс вещества и энергии отдельных компонентов ПТК применительно к различным типам природ­ной среды. Метод балансов в физической географии рассматривался А.А. Григорьевым (1934, 1954, 1970), М.И. Будыко (1956,1977), Д.Л. Армандом (1975).

^Балансом, по определению Д.Л. Арманда, называются сопостав­ляемые перечни всех видов вещества или энергии за период наблю­дений: 1) вошедших разными способами в ПТК и 2) вышедших из него. Разность между приходной и расходной частью баланса назы­вается сальдо или балансовой разностью . Метод балансов позволяет оценивать количество различных форм вещества и энер­гии, поступающих в ландшафт и выходящих из него, прослежи­вать динамику суточных и годовых циклов, анализировать распре­деление потоков вещества и энергии по разным каналам.

Практическое значение метода балансов весьма велико. Баланс облегчает поиски путей воздействия на процесс и способов изме­нения его в нужном направлении. Имея перед собой роспись статей баланса, легко видеть, на какие из них можно и стоит влиять, так как роль их в балансе велика. Например, при изучении измене­ния снежного покрова в пределах ПТК определяются количествен­но все процессы, на которые он распадется (снегопады, дожди, перевеивание и таяние снега и т.д.). Составив баланс этих процес­сов, узнают: 1) их направление (идет накопление или убыль сне­га) ; 2) структуру процесса (в результате чего произошло измене­ние) ; 3) соотношение между статьями (что влияет сильнее и что слабее).

Основанное на методе балансов физико-географическое иссле­дование протекает в таком порядке: 1) составляется предвари­тельный список статей прихода и расхода; 2) выясняются и нано­сятся на карту профиль, ареалы, сроки действующих факторов и т.п. ; 3) количественно измеряется каждый фактор и соответ­ствующие величины проставляются в каждой статье баланса;