Зміст геохімії ландшафту
Таке розуміння предмету геохімії ландшафту знайшло вираз в одному з її основних понять – геохімічного ландшафту, введеного Б. Полиновим у 1944 р. Геохімічний ландшафт – це сукупність природних тіл, пов'язаних між собою у просторову цілісність потоками хімічних елементів і сполук. Структура геохімічного ландшафту наведена на рис. 36
Як видно з рис. 36, поняття геохімічного ландшафту є предметною геохімічною інтерпретацією загального об’єкта наукового ландшафтознавства – ландшафту. Структура геохімічного ландшафту і зв’язки між його компонентами аналізується під кутом зору хімічного складу цих компонентів і потоків (міграції) речовин, які їх пов'язують.
Основні напрямки досліджень
Міграція хімічних сполук у ландшафті. Хімічні елементи та сполуки у ландшафті не знаходяться у статичному стані, а різними шляхами переміщуються у ньому як у вертикальному напрямі, так і в горизонтальному. Тому в геохімії ландшафту виділяють два типи міграції – вертикальну (або радіальну) та горизонтальну (або латеральну) міграцію.
Вертикальна (радіальна) міграція – переміщення хімічних елементів і сполук між окремими компонентами ландшафтного комплексу, яка здійснюється потоками, які немов пронизують його від верхньої межі до нижньої і у зворотному напрямку. В залежності від провідних механізмів, які зумовлюють ці потоки, розрізняють різні види міграції – механічну, фізико-хімічну, біогенну та техногенну.
Рисунок 36. Геохімічний ландшафт (за О.І.Перельманом, 1975):
Ф – наземний біоценоз; А – приземна атмосфера; Г – ґрунти (а – елювіальний, б – супераквальний); М – мул; КВ1 – кора вивітрювання; ВГ – водоносний горизонт; КВ2 – континентальні відклади; ПВ – поверхневі води; зв’язки – 1 – водні, 2 – повітряні, 3 – біотичні, 4 – біокосні, 5 – водні і повітряні; 6 – центр ландшафту; 7 – нижня межа ландшафту; 8 – корінні породи
Механічна міграція – це переміщення речовин внаслідок дії фізичних законів (гравітації, механіки, гідродинаміки та ін.). Фізико-хімічна міграція відбувається завдяки таким механізмам, як дифузія, розчинення, осаджування, сорбція, десорбція та ін. Біогенна міграція найбільш складна і пов’язана з діяльністю живих організмів у ландшафті. Живі організми здатні поглинати хімічні елементи і сполуки із різних середовищ ландшафту, перетворювати їх в інші сполуки (зокрема, синтезувати органічні речовини з неорганічних), вивільняти їх в ґрунт, приземний шар атмосфери тощо. В результаті у ландшафті формується складна система біогенних потоків. Здебільшого у геохімічному ландшафті вони формують цикли, які О. Перельман назвав БІКом – біологічним колообігом хімічних елементів. Схематично їх зображено на рис. 37.
Рисунок 37. Біологічний колообіг хімічних елементів у ландшафті (бік) (за О.І.Перельманом, 1975):
1 – неентропійні процеси біогенної акумуляції елементів, що йдуть з поглинанням енергії і призводять до зростання впорядкованості, складності, різноманіття (інформації); 2 – ентропійні процеси мінералізації, що проходять з виділенням енергії і призводять до зменшення впорядкованості, складності, різноманіття (інформації)
У ландшафті різні хімічні елементи рослинами поглинаються із різною інтенсивністю – одні елементи з ґрунту до рослин мігрують енергійно, інші дуже повільно й малих кількостях. Ґрунтуючись на цьому виділяють ряди біологічного поглинання хімічних елементів (табл. 9).
Техногенна міграція спричинена господарською діяльністю людини, внаслідок якої до ландшафту різними шляхами (повітряним, з поверхневим та ґрунтовим стоком тощо) потрапляють величезні маси хімічних елементів і сполук й призводять до його хімічного забруднення.
У різних ландшафтах співвідношення між видами міграції різне. Так, механічна міграція переважає у пустелях та сухих степах, фізико-хімічна та біогенна – в лісових та лісостепових ландшафтах. техногенна міграція найбільш активна в ландшафтах інтенсивного господарського використання.
Горизонтальна (або латеральна) міграція – це переміщення хімічних елементів і сполук по території ландшафту горизонтально спрямованими потоками поверхневих і ґрунтових вод, повітря, разом з міграцією тварин, розселенням рослин, перенесення їх спор, пилку та насіння. Якщо вертикальна міграція поєднує між собою окремі компоненти ландшафту, то внаслідок горизонтальної міграції окремі ландшафтні комплекси потоками хімічних речовин пов'язані у складні територіальні цілісності – геохімічні ландшафти.
Таблиця 9. Ряди біологічного поглинання (за О.І.Перельманом, 1975)
|
|
Коефіцієнти біологічного поглинання |
|||||||||
100·n |
10·n |
n |
0,n |
0,0n-0,00n |
|||||||
Елементи біологічного накопичення |
Енергійного |
P, S, Cl, Br, I |
|
||||||||
Сильного |
|
Ca, Na, K, Mg, Sr, Zn, B, Se |
|
||||||||
Елементи біологічного захоплення |
Середнього |
|
Mn, F, Ba, Ni, Cu, Ga, Co, Pb, Sn, As, Mo, Hg, Ag, Ra |
|
|||||||
Слабкого і дуже слабкого |
|
Si, Al, Fe, Ti, Zr, Rb, V, Cr, Li, Y, Nb, Th, Sc, Be, Cs, U, W, Sb, Cd |
|||||||||
Різні хімічні елементи мають у ландшафті неоднакову міграційну здатність – одні з них активно вступають у реакції й здатні активно мігрувати як у вертикальному, так і в горизонтальному напрямках, тоді як інші елементи поводять себе у ландшафті інертно, зокрема нагромаджуються у його певних шарах, чи в певних геотопах (наприклад, у степових западинах, увігнутих частинах схилів тощо) й практично не мігрують звідти. Хімічні елементи, концентрація яких у ландшафті значна й які активно мігрують у ньому, називають типоморфними. До них можуть належати Ca, Cl, Mg, Na, Al, H, Si та ін. Які саме елементи відіграють роль типоморфних залежить від особливостей ландшафту. Так, у лісостепових лесових ландшафтах України типоморфним елементом є кальцій, південно-степових (сухостепових) – кальцій і натрій, ландшафтах приморських низин – хлор і натрій, мішаних і хвойних лісів – водень і залізо тощо.
За типоморфними елементами геохімічного ландшафту виконується їх поділ на відповідні класи, наприклад: кислі ландшафти (Н-клас ландшафтів), до яких належать мішано-лісові ландшафти моренно-зандрових, зандрових та інших рівнин з дерново-підзолистими ґрунтами; кисло-глейові ландшафти (ландшафти H-Fe класу) низинних боліт, низьких заплав; кальцієві ландшафти (Ca класу), до яких належить більшість степових ландшафтах на лесах та інших карбонатних породах тощо.
Геохімічна структура ландшафтів. Як у вертикальному напрямі, так і по території ландшафти неоднорідні за вмістом різних хімічних елементів і за їх активністю. Отже ландшафти мають свою вертикальну та територіальну геохімічну структуру. Їх вивчення має велике значення для пошуку корисних копалин, з'ясування закономірностей техногенного забруднення ландшафтів і пошуку шляхів пом’якшення або ліквідації його наслідків тощо.
З точки зору ландшафтознавчо-геохімічної точки зору вертикальна структура ландшафтного комплексу являє собою сукупність його окремих шарів, які відрізняються між собою за хімічним складом, активністю елементів і сполук, закономірністю їх міграції або накопичення у ландшафті. Так, у гумусових горизонтах ґрунту більшу роль відіграють одні хімічні сполуки, особливо ті з них, що можуть енергійно поглинатися рослинами (див. табл. 9), у перехідних в породу горизонтах більшого значення набувають інші елементи, у різних верствах корінних порід ландшафту роль і співвідношення між елементами буде іншим тощо.
У диференціації ландшафту на його окремі, специфічні у геохімічному відношенні шари, особливу роль відіграють ландшафтно-геохімічні бар’єри – поверхні у вертикальному профілі ландшафту, які розділяють його на шари різними умовами міграції та взаємодії хімічних елементів та їх сполук (О. Перельман, М. Глазовська та ін.). На ландшафтно-геохімічних бар’єрах різко змінюються умови міграції різних елементів – одні з них випадають з розчину у накопичуються на бар’єрі, інші елементи мігрують менш інтенсивно а тому накопичуються частково, треті елементи, проникаючи крізь бар’єр можуть збільшити темпи міграції тощо.
Отже ландшафтний комплекс по вертикалі диференціюється на окремі шари бар’єрами, які стоять на шляху вертикальної міграції хімічних елементів і сполук. Між цими бар’єрами акумуляція, міграція та перебіг хімічних реакцій відбуваються по-різному, тоді як у шарах, обмежених суміжними бар’єрами, умови для процесів є загалом однаковими. Залежно від хімічних та фізико-хімічних характеристик геотопу, значення яких різко змінюються на бар’єрі, виділяють різні їх типи. При цьому на кожному з них накопичується характерна асоціація хімічних елементів (табл. 10).
Таблиця 10. Типи ландшафтно-геохімічних бар’єрів та елементи, що акумулюються на них (за М. Глазовською, 1988 та О. Перельманом, 1989).
Тип ландшафтно-геохімічного бар'єру |
Елементи, що накопичуються на бар’єрі |
|
дуже токсичні |
менш токсичні |
|
Кислий в окислювальному середовищі |
Pb, As, Se |
Mn, Mj, Ni, V |
Кислий у відновлювальному середовищі |
An, Se, Pb, Cd, Hg |
Mn, V, Ni, Cu, Zn, Co |
Лужний в окислювальному середовищі |
Pb, Cd, Hg, Sr |
Mn, Mg, Zn, Cu, Mo |
Лужний у відновлювальному середовищі |
Pb, Sr, As |
Zn, Cu, Ni, Co |
Глейовий |
Se, As |
U, V, Ni, Cu |
Сорбційний |
As, Cs, Sr |
P, S, Mo, V, Cu |
Механічний |
Cd, Sr, Pb, Cs, Hg |
Cu, Ni, Zn |
Випаровувальний |
Se, As, Cs |
Na, Cl, Zn, Mg |
Як і в ландшафтознавстві, дослідження геохімічної територіальної структури ландшафту спирається на уявлення про елементарну в геохімічному відношенні територіальну ділянку ландшафту. В геохімії ландшафту вона носить назву елементарного ландшафту, або елементарного геохімічного ландшафту. В геохімії ландшафту елементарний ландшафт – це територіальна ділянка, однорідна за чинниками міграції та акумуляції хімічних елементів, їх взаємодії між собою та за структурою і положенням ландшафтно-геохімічних бар’єрів. Аналогом елементарного ландшафту геохімії ландшафту є фація або геотоп загального ландшафтознавства.
Елементарні ландшафти не існують ізольовано один від одного, а пов'язані між собою горизонтальним потоками речовини. Найбільш активно хімічні елементи і сполуки мігрують разом із водними потоками. Елементарні ландшафти, поєднані у територіальну цілісність цими потоками, дістали назву ландшафтно-геохімічного спряження. Його загальна схема наведена на рис. 38.
Як видно з рис. 38, ландшафтно-геохімічне спряження являє собою послідовність елементарних ландшафтів, які змінюють один одного від місцевого вододілу до місцевої депресії рельєфу (зокрема, річкового русла). У термінологічних традиціях західноєвропейської і північноамериканської географії такі спряження отримали назву катени (вперше цей термін ввів Дж. Мілн у 1936 р.). Сукупність катен, які обмежені спільним водозбірним басейном М. Глазовська запропоновувала називати ландшафтно-геохімічної ареною, а сукупність катен, які беруть початок від спільного вододілу і немов розбігаються від нього і різних напрямках – ландшафтно-геохімічними системами розсіювання.
Рисунок 38. Ландшафтно-геохімічне спряження та типи елементарних ландшафтів за умовами геохімічної міграції (за М. Глазовською, 1988 та О. Перельманом, 1989, з доповненнями):
1 – напрямок руху води, 2 – ґрунт, 3 - водотривкі пород, 4 – зона коливання глибини капілярної кайми. Типи елементарних ландшафтів: El – елювіальні, TrEl – транселювіальні, El-H – елювіально-гідроморфні, TrEl-H – транселювіально-гідроморфні, H – гідроморфні, Hk – гідроморфні критичні, Tr-H – трансгідроморфні, Amf – амфібіальні, Aq – аквальні.
Ландшафтно-геохімічні методи пошуку корисних копалин. Один із імпульсів формування та швидкого розвитку геохімії ландшафту був пов'язаний із значними можливостями, які відкривалися при пошуку покладів корисних копалин, а також індикації лінз ґрунтових вод за допомогою її методів. Їх сутність полягає в тому, що структура геохімічного ландшафту несе інформацію про склад і концентрацію певних хімічних елементів, які знаходяться далеко поза його нижньою межею. Способів та ознак, за допомогою яких можна суто ландшафтно-геохімічними методами виконати прогноз покладів корисних копалин розроблено досить багато. Головні з них ілюструє рис. 39.
Крім розглянутих вище напрямків досліджень сучасна геохімія ландшафту розробляє чимало важливих у науковому та прикладному відношеннях завдань. До них, зокрема, відносяться ландшафтно-геохімічний моніторинг, аналіз особливостей формування та хімічного складу техногенних потоків і закономірностей їх трансформації у ландшафтах, з'ясування механізмів самоочищення ландшафту від забруднень, оцінка його ландшафтно-геохімічної стійкості тощо.
Рисунок 39. Геохімічні способи пошуку корисних копалин (за О.І.Перельманом, 1975):
Ландшафт на ділянці рудного родовища |
Ландшафт на безрудній ділянці |
Металометричні (літохімічні)методи. Грунт, кора вивітрювання і континентальні відклади |
|
Містять підвищену порівняно з фоновою кількість рудних і супутніх ним елементів |
Характеризуються середнім (фоновим) для даного типу ландшафту вмістом хімічних елементів |
Гідрогеохімічні методи. Поверхневі та грунтові води |
|
Збагачені рудними та супутніми елементами |
Характеризуються фоновими вмістами |
Біогеохімічні методи. Організми, переважно рослини |
|
Збагачені рудними та супутніми елементами |
Характеризуються фоновими вмістами |
Атмохімічні методи. Підземна і частково поверхнева атмосфера |
|
Містить підвищену кількість індикаторних газів |
Не містить підвищеної кількості індикаторних газів |