Геоморфологические особенности рельефа как высший фактор миграции элементов

Размещено на http://allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Геолого-географический факультет

Кафедра минералогии и геохимии

Реферат

Геоморфологические особенности рельефа как высший фактор миграции элементов

Выполнил: студент группы 02202

Вертененко Д.А.

Проверила: ассистент кафедры минералогии и геохимии

Мишенина М.А.

Томск 2014

Содержание

Введение

1. История и основные концепции геохимии ландшафта

2. Представление об элементарном ландшафте. Геохимический ландшафт

2.1 Элементарный ландшафт

2.2 Геохимический ландшафт

3. Миграции элементов. Факторы миграции

4. Водная миграция

4.1 Химический состав природных вод. Общие закономерности водной миграции

5. Геохимия лесных ландшафтов

5.1 Влажные тропики

Заключение

Список литературы

Введение

Литосфера, гидросфера и атмосфера служат источниками химических элементов для ландшафта. Огромное разнообразие горных пород. Химические элементы различаются по поведению в ландшафте. Одни образуют химические соединения, вступая в реакции с другими элементами, и определяют многие важные свойства и особенности ландшафта («активные мигранты»), в то время как другие почти не участвуют в реакциях и соответственно оказывают небольшое влияние на геохимические особенности ландшафта («неактивные мигранты»). Неактивные мигранты мигрируют в ландшафте «пассивно», в ходе механического перемещения отдельных частит горных пород и минералов водными, ледниковыми, воздушными и другими потоками.

1. История и основные концепции геохимии ландшафта

Геохимия ландшафта - наука о закономерностях миграции, рассеяния и концентрации атомов в ландшафте (М. А. Глазовская).Геохимия ландшафта возникла в 1930-40-е годы на стыке трех наук - геохимии (Вернадский, Ферсман, Голдшмидт), почвоведения (Докучаев) и учения о ландшафте (возникло в 1920-30-е годы). Базовой наукой для развития геохимии ландшафта была геохимия, которая, по определению Вернадского, изучает историю атомов в земной коре [2].

В античности человечеству было известно 19 химических элементов, в 18 в. - 28 элементов (были открыты H, As, Bi, Hg и др.). 19 в. - период бурного развития представлений о свойствах веществ, были получены новые элементы, всего стал известен 51 элемент. Среди основных достижений науки этого времени следует назвать

1) получение Берцелиусом элементов Th, Ti, Zr;

2) развитие агрохимии, химии растений - Либих, Дюма, Буссенго;

3) развитие химии земной коры - Бишоф, Брейтгаут;

4) представления о спектральном анализе химических элементов - определении элементов по спектрам - Кирхгоф, Буизен, 1859; 5) вычисление средних содержаний элементов в горных породах - Кларк (1889). Рождение науки геохимии относится к началу XX в. В. И. Вернадский (1863-1945) в бытность свою заведующим кафедры минералогии МГУ (1908-1911) установил безминеральное существование элементов (рассеянные формы) в земной коре. Согласно закону Вернадского-Кларка, все элементы есть везде, но в разных концентрациях. Вернадский также занимался изучением содержания элементов в биосфере. А.Е. Ферсман (1883-1945) впервые в 1911 г. прочел курс лекций по геохимии. Он является автором двухтомного труда “Геохимия”. Активная эксплуатация сырьевых ресурсов способствовало развитию геохимии руд. В.М. Гольдшмидт (1887-1947) занимался геохимией минералов, кристаллохимией. Он впервые стал объяснять геохимические процессы различными ионными радиусами элементов (для живого вещества это не верно). В 1920-е годы появилось представление о комплексной природной системе - ландшафте. Возникла проблема изучения закономерностей распространения химических элементов в различных природных компонентах и ландшафтах в целом. Таким образом в начале 30-х гг. появилась геохимия ландшафта [1] .

Основоположник геохимии ландшафта Б.Б. Полынов сформулировал представление об элементарных ландшафтах, катенах. Полынов применял системный подход к решению прикладных проблем (например, он занимался вопросами использования засушливых земель Нижнего Поволжья). Возникали вопросы о химических свойствах почв на различных элементах рельефа, на различных породах и т. д. Активное земледельческое освоение земель субтропиков заставляло изучать особенности системы почва-растение и более сложных систем, например, почва - порода - растение.

2. Представление об элементарном ландшафте. Геохимический ландшафт

2.1 Элементарный ландшафт

По определению Полынова, элементарный ландшафт в своем типичном проявлении - один определенный тип рельефа, сложенный одной породой или наносом и покрытый в каждый момент своего существования определенным растительным сообществом. Эти условия создают определенную разность почвы и свидетельствуют об одинаковом на протяжении элементарного ландшафта развитии взаимодействия между горными породами и организмами. При отнесении участка земной поверхности к элементарному ландшафту важно учитывать возможность (хотя бы мысленную) распространения данного элемента ландшафта на значительно большей территории (например, пятно солончака 10м² является ландшафтом, т. к. солончаки могут быть размером в десятки и сотни раз больше; кочка на болоте имеет весьма ограниченные размеры). Образования ограниченных размеров (кочка) называются предельными структурными элементами или деталями ландшафта. Наименьшая площадь, на которой размещаются все части элементарного ландшафта, называется площадью выявления. Она тем больше, чем сложнее ландшафт [3] .

Расстояние от верхней до нижней границы элементарного ландшафта называется мощностью элементарного ландшафта. Верхняя граница находится в тропосфере и определяется зоной распространения пыли земного происхождения, обитания организмов. Нижней границей обычно является горизонт грунтовых вод (включительно). Мощность ландшафта обычно, как и площадь выявления, пропорциональна его сложности.

2.2 Геохимический ландшафт

Элементарные ландшафты образуют связанные между собой ассоциации, названные Полыновым геохимическими ландшафтами (собственно ландшафты). Геохимический ландшафт - парагенетическая ассоциация сопряженных элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией элементов. (Совокупность элементарных ландшафтов, свойственных определенному геоморфологическому элементу - водоразделу, склону, террасе - Полынов предложил именовать местным ландшафтом). Характерное для каждого геохимического ландшафта закономерное сочетание элементарных ландшафтов называется его геохимическим сопряжением. Это присущий геохимическому ландшафту тип обмена веществ, энергии и информации между элементарными ландшафтами. Решающую роль в формировании связей между элементарными ландшафтами играет поверхностный и подземный сток, каждый геохимический ландшафт характеризуется определенным типом стока.

По условиям миграции химических элементов элементарные ландшафты делятся на следующие группы:

автономные ландшафты;

трансэлювиальные ландшафты;

элювиально-аккумулятивные ландшафты;

супераквальные ландшафты;

аквальные ландшафты.

Объем понятий “элювиальные”, “супераквальные” и “субаквальные” ландшафты в настоящее время несколько изменился. Так, к супераквальным ландшафтам относят верховые болота, хотя они занимают водораздельные поверхности и питаются только атмосферными водами. Полынов также выделял орто-, пара- и неоэлювиальные ландшафты. Ортоэлювиальный цикл проходят массивно-кристаллические и изверженные породы, впервые попадающие в зону выветривания; параэлювиальный цикл испытывают осадочные, преимущественно морские или древние континентальные породы, основу которых образуют не только остаточные, но и вторичные минералы; неоэлювиальный цикл осуществляется в молодых, преимущественно четвертичных отложениях [4].

3. Миграции элементов. Факторы миграции

Факторы миграции

Химические свойства элемента, его способность давать соединения различной растворимости, летучести, твердости, поглощаться организмами и т.д. относятся к внутренним факторам миграции. Большое влияние на миграцию оказывает также форма нахождения химического элемента (в кристаллической решетке минерала, в составе газа, в живом организме, в виде иона в водах и т.д.).

Внешние факторы миграции - обстановка, в которой мигрируют атомы - температура, давление, щелочно-кислотные условия (рН), окислительно-восстановительные условия вод (Eh) [4].

Характеристикой миграции может служить работа, совершаемая при перемещении химических элементов. Как и любой вид работы она выражается двумя типами параметров - экстенсивными и интенсивными. К экстенсивным относятся расстояния, на которое мигрирует элемент, и масса перемещенного элемента. Интенсивным параметром служат различные показатели, главным образом скорость миграции.

Интенсивность миграции выражается скоростью перехода в подвижное состояние одного грамма вещества данного элемента. Если общее количество атомов элемента Х в ландшафте или какой-либо его части обозначить В_х, то количество атомов, перешедшее в подвижное состояние за промежуток времени t, составит В_х. Тогда относительная часть атомов, перешедших в подвижное состояние, равна В_х/В_х, а в единицу времени (В_х/В_х)(1/t). Эта величина и представляет интенсивность миграции P_x. Для бесконечно малого промежутка времени:

Это уравнение было получено Перельманом в 1940 г. Из уравнения следует, что чем больше величина В_х, тем (при неизменности dB_x) меньше интенсивность миграции. Так как величина В_x в общем зависит от кларка .

Выделяются следующие основные виды миграции:

Механическая миграция - миграция элементов в минеральной форме, зависит преимущественно от величины частиц минералов и пород, их плотности. Химические свойства при этом не имеют значения.

Водная миграция (физико-химическая) - миграция элементов в водных растворах или взвесях.

Воздушная миграция.

Биогенная миграция - связана с деятельностью живых организмов.

Техногенная миграция - связана с антропогенными процессами - разработкой месторождений, транспортом и т. д. Она определяется социальными закономерностями, хотя ей присущи и все более простые формы движения.

Значение видов миграции для разных элементов неодинаково (для натрия и хлора наиболее важна водная миграция, на калия и фосфора - биогенная, для титана, золота, платины, олова - механическая). В разных ландшафтах соотношение видов миграции также неодинаково. В пустынях возрастает роль механической миграции, во влажных тропиках - физико-химической и биогенной. В зависимости от вида миграции Перельман выделил три основных ряда элементарных и геохимических ландшафтов:

Абиогенные - только механическая и физико-химическая миграция.

Биогенные - ведущее значение биогенной миграции, подчиненное - физико-химической и механической;

Культурные - ведущая роль техногенной миграции [1] .

4. Водная миграция элементов

Любой элемент находится в ландшафте в нейтральной, катионной или анионной форме. Количество элемента в той или иной форме - величина вероятностная.

Существует три основных типа поведения элементов в растворе в зависимости от рН:

Тяжелые металлы - Zn, Pb, Cd, Ni, Hg - особенно подвижны в кислой среде.

Амфотерные металлы - Se, Mo, As, Ge, U, V - образуют комплексные соединения (например, с участием карбонатного комплекса [HO₃(CO₃)₃]^4-. В составе таких комплексов элементы мигрируют по-разному.

Элементы, особенно подвижные в щелочной среде.

По преобладающей форме содержания в растворе элементы делятся на:

Катионогенные - Li, Na, K;

Комплексообразователи - Mg, Al, Ga, Sb;

Анионогенные - V, Cr, Mo, Cl, Br, I.

4.1 Химический состав природных вод. Общие закономерности водной миграции

Большинство химических элементов мигрирует в ионных, молекулярных и коллоидных водных растворах. Важнейшими компонентами вод ландшафта являются растворенные газы - кислород O₂, углекислый газ CO₂, сероводород H₂S.

Значительная часть растворенных веществ находится в виде ионов, среди которых преобладают Ca²⁺ > Mg²⁺ > Na⁺; HCO₃^- > SO₄^2- > Cl^- - шестикомпонентный состав. Бывает, что такие соотношения нарушаются. Все воды содержат также ионы H⁺ и ОН^-, роль которых в ландшафте, несмотря на низкое содержание (10^-5-10^-8 г/л), чрезвычайно велика. Содержание в водах остальных макроэлементов, а также всех микроэлементов очень невелико. Кроме ионов, растворенные в воде вещества находятся в форме молекул и коллоидных частиц. Особенно велика роль растворенного органического вещества. Также важная миграция веществ во взвешенном состоянии. Почти все воды ландшафта содержат живое вещество. Химизм почвенных и грунтовых вод зависит от их подвижности. С этой точки зрения различают поровые воды и свободные гравитационные. Для ландшафта как правило наиболее характерны неравновесные воды. Особенно это относится к гумидным ландшафтам. Живое вещество все время “накачивает” в воды свободную энергию, поддерживая неравновесность. Водная миграция осуществляется диффузией, фильтрацией или смешанным путем. Диффузия имеет место в застойных или очень малоподвижных водах (болотные, иловые воды, растворы элювиальных почв, коры выветривания, водоносных горизонтов). Диффузные процессы особенно характерны для глин, они нередко приводят к их обессоливанию (диффузное выщелачивание), при этом ионы мигрируют с различной скоростью (например, хлориды быстрее сульфатов). Диффузия характеризуется малой скоростью, и в ландшафте с его активным водообменом имеет подчиненное значение. Здесь более распространена фильтрация, с которой связано растворение, ионный обмен (сорбция), осаждение солей и многие другие явления [2] .

диффузный выщелачивание химический органический

5. Геохимия лесных ландшафтов

5.1 Влажные тропики

Влажные тропики охватывают Экваториальную Африку, Южную и Юго-Восточную Азию, часть Южной Америки. Биологический круговорот здесь не лимитирован количеством тепла и влаги, одинаково интенсивен весь год. Биомасса составляет около 5 тыс. ц/га, ежегодная продукция П₁ 300-500 ц/га, коэффициент К 0,64-0,65, опад О₁ 250 ц/га, подстилка О₃ 6-25 ц/га, опад зеленой части О₂ 165 ц/га, подстилочный индекс О₃/О₂ 0,1-0,2 (то есть разложение органического вещества очень интенсивно). Кремниевый тип химизма (кремний наряду с Са преобладает среди водных мигрантов, в частности в листве деревьев, до 90% в золе).

Наиболее распространен кислый класс ландшафтов. Такие ландшафты формируются на изверженных, метаморфических и осадочных силикатных породах. Кислые воды активно разрушают горные пород, выщелачивая подвижные элементы на большую глубину, образуя кору выветривании. Главные геохимические особенности кислых влажных тропиков: высокие продуктивность и скорость разложения органического вещества, быстрая минерализация всех органических остатков. В воды при этом поступает большое количество углекислого газа и органических кислот, причем катионов для их нейтрализации не хватает. Вымывание настолько сильное и быстрое, что мало сдерживается биогеохимическим барьером. Кислая среда благоприятна для миграции катионогенных элементов, анионогенные адсорбируются положительно заряженными коллоидами железа и алюминия, образуя нерастворимые соединения, поэтому иногда (особенно в приморских районах) повышено содержание в почвах серы и хлора. Грунтовые воды обычно относятся к глеевому классу, обогащены железом и марганца в виде бикарбонатов и органо-минеральных комплексов. Марганец более подвижен, его восстановление возможно в даже в окислительной среде (слабоокислительная обстановка), на кислородном барьере он не осаждается. Совершенный характер геохимического сопряжения. Преобладают прямые нисходящие связи, происходит интенсивное выщелачивание.

Благодаря большому количеству органического вещества такие ландшафты характеризуются высокой устойчивостью, самоорганизацией, централизацией, велика роль автономных ландшафтов. Минерализация вод слабая из-за сильного выщелачивания (менее 100 мг/л). На плоских равнинах и котловинах, где создаются условия для застаивания атмосферных вод, во влажных тропиках развиваются ландшафты со значительно меньшим разнообразием растительности и меньшей продуктивностью - это глеевый класс ландшафтов (лесные болота). Для этого класса характерен резкий недостаток кислорода в почве, накопление черных гумусовых веществ и сильно кислая реакция вод. Под гумусовым слоем в восстановительной обстановке активно идет оглеение, железо и марганец переходят в двухвалентную форму и приобретают высокую подвижность, идет интенсивное выветривание и выщелачивание, стирается различие свойств исходных пород. Наряду с Н типоморфным элементом является и Fe²⁺. Главные геохимические барьеры - кислородный и сорбционный. Геохимическая формула:

А=

Местами развиваются тропические торфяники мощностью в несколько метров. В растениях (саговая пальма, хлебное дерево, банановое дерево) преобладают углеводы. Достаточно большая зольность: 2,5-5. Нет подстилки. Содержание гумуса не больше, чем в почвах умеренного пояса. Важнейшие водные мигранты (по Родиной-Базилевич): Si, Ca; K, Mg, Al, Fe; Mn, S. На породах, обогащенных сульфидами металлов или сильно пиритизированных (FeS) глин и сланцев образуются ландшафты сернокислого класса. Окисление сульфидов приводит к образованию серной кислоты и сульфатов, растворы становятся сильно кислыми (рН 1-3), к них легко мигрируют Zn, Fe, Cu и другие металлы, образующие легкорастворимые сульфаты.

В районах распространения мергелей, известковых песчаников, вулканических туфов и других легко выветривающихся пород с подвижным кальцием формируется кальциевый (маргалитный) класс ландшафтов. Если скорость выветривания соизмерима со скоростью выщелачивания, кислые органические вещества почв нейтрализуются. Кора и почва содержат монтмориллонит (а не каолинит), обладают высокой емкостью поглощения.

Заключение

Геоморфологические особенности относятся к внешним факторам миграции. Внешние факторы миграции - обстановка, в которой мигрируют атомы - температура, давление, щелочно-кислотные условия (рН), окислительно-восстановительные условия вод (Eh). Изначально были раскрыты базовые вещи такие как : элементарный ландшафт, геохимический ландшафт, водная миграция, геохимия лесных ландшафтов. Для выявления класса ландшафта в основу берется водная миграция в гумусовом слое почв, так как в нем максимальное напряжение геохимических процессов. В геохимии лесных ландшафтов наиболее распространен кислый класс ландшафтов. Кислая среда очень благоприятна для миграции химических элементов. Химические элементы очень различны по поведению в природе , одни создают химические соединения ,в то время как другие «неактивные» слабо влияют на геоморфологические особенности ландшафта..

Список литературы

1. Перельман А.И. Геохимия / А.И. Перельман - М. : Высшая школа, 1989. - 173 с.

2. Голубев И.А. Гетерогенные процессы. / И.А. Голубев - М.: Просвещение, 1987 - 160 с.

3. Перельман А.И. Геохимия ландшафта / И.А. Перельман - М.: Высшая школа, 1975. - 150 с.

4. Перельман А. История геохимии ландшафта / А. Перельман, Н. Касимов . - М. : Изд-во Моск. ун-та, 2004. - 157 с.

Размещено на Allbest.ru