Глава XVI МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В БИОСФЕРЕ И ПЛОДОРОДИЕ ПОЧВ

В.И. Вернадский, Ф. Кларк, В.М. Гольдшмидт, А.Е. Ферсман, А.П. Виноградов очень много сделали в изучении микроэлементов и в оценке их значения в геологии и биогеохимии суши, океана, живого вещества.

Исследования последних десятилетий показали огромную роль рассеянных элементов в эволюции и функциях жизни, в развитии современ-

ной промышленности, охране здоровья людей, продуктивности земледелия.

Основным первичным вместилищем микроэлементов на планете является верхняя мантия, базальты, граниты. Осадочные породы, воды океана, живое вещество и почвенный покров — это уже вторичные резервуары, содержащие микроэлементы.

Масса земной коры и живого вещества планеты на 99% образована соединениями 15 химических элементов. Соответственно общая масса рассеянных элементов вещества планеты меньше 1%. Чем меньше кларки элементов, тем меньше выражена их способность образовывать самостоятельные минералы. Вероятность минералообразования возрастает в регионах повышения концентраций рассеянных элементов. Эти минералы - также редкие - в виде высокодисперсных частичек включены в качестве микропримесей (акцесссорные минералы) в массы горных пород. Таковы акцессорные минералы титана (брукит, ильменит, анатас), циркона (ZrSi04), хрома (FeCr04) и ряда других микроэлементов, обычно включенных в кристаллические алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды).

Минералы рассеянных элементов также обнаруживаются в виде микровключений, вкраплений, мельчайших выделений, пузырьков в кристаллах полевых щпатов, кварца, магнетита, роговой обманки (Си, Zn, Ag, Ni, Cr, Pb, Ba, Mo, W, Sn и др.).

Кроме того, породообразующие минералы, как правило, содержат рассеянные элементы, входящие в структуру кристаллических решеток в качестве изоморфных примесей (т.е. замещая близкие по ионному радиусу макроэлементы). Изоморфные замещения в минералах известны для разных микроэлементов (Beeson, Martone, 1976): для К — Sr, Pb, В; для Na - Cd, Mn, Sr, Bi; для Mg - Ni, Co, Zn, Sb, Sn, Pb, Mn; для Fe - Cd, Mn, Sr, Bi. При выветривании минералов примеси микроэлементов поступают в биосферу и почвы. Многие микроэлементы входят в состав растворенных веществ термальных вод и рассолов (Вг, В, F, Li, Sr, As, Pb, V, Se, Cu).

С космической и метеоритной пылью также происходит поступление известных микроэлементов. Более ограничен набор микроэлементов, поступающих на поверхность с вулканическими газами, горячими источниками, газовыми струями. Это в основном легколетучие соединения, выделяющиеся при дегазации вещества верхней мантии [HF, НС1, HBr, HI, В(ОН)3] и принимающие затем участие в составе атмосферы, океанов и

внешней оболочки Земли.

Микроэлементы сорбируются (обменно или необменно) осадками гидроокислов железа и марганца (Rb, Си, Zn, Ni, Со), глинными минералами и гумусом почв (Со, Ni, Mn, Rb). Поглощение тяжелых металлов почвами в большой степени зависит от реакции среды и от того, какие анионы преобладают в растворе (табл. 56). В присутствии хлор-ионов поглощение металлов происходит интенсивнее. В кислой среде больше сорбируются медь, свинец, цинк. В щелочных условиях интенсивно поглощаются кадмий и кобальт.

Чем меньше содержание тех или иных микроэлементов в земной коре, тем, естественно, большая их концентрация (коэффициент К) проявляется в рудах промышленного значения: медь, цинк, ванадий - К^п . 100; свинец, никель, олово — К •              1000; золото, молибден, кобальт -

К % п- 10 000; ртуть, сурьма - К^п •              100 000. Из этого возникает

важный вывод: чем реже встречается данный микроэлемент в земной коре, тем его рудное месторождение будет сильнее и резче проявляться в форме геохимических аномалий на общем фоне пространства (В.В. Добровольский, 1983).

Среднее содержание микроэлемента в земной коре, выраженное в процентах (кларки), является абсолютным эталоном для сравнения с ним содержания микроэлементов в различных горных породах, рудах, почвах, конкрециях, водах, живом веществе, воздухе.

Средние статистические данные о содержании тех или других рассеянных элементов в различных типах почв и почвенных регионах считаюся ’’фоновым содержанием”. С ним обычно сравнивают средние, локальные или индивидуальные концентрации соответствующих микроэлементов в целях обнаружения нормального, повышенного или пониженного содержания данного микроэлемента для оценки его дефицита или аномально повышенного токсического количества - так называемых ’’геохимических аномалий”.

Геохимические аномалии могут образовываться под влиянием как естественных, так и антропогенных факторов. Наличие в земной коре каких-либо месторождений (меди, цинка, марганца, нефти, газа) приводит за геологическое время их существования к накоплению в грунтах и почвах над месторождением аномально повышенного содержания данного микроэлемента или его геохимических спутников по сравнению с фоновым кларком региона. Геохимическая аномалия в таких случаях образуется над территорией месторождения в виде расплывчатого ореола, отражающего контуры залежей полезного ископаемого и особенности рельефа поверхности, гидрогеологии и почв.

Почвенно-геохимические методы изучения и картирования аномалий являются ценным методом в разведочных работах при поисках полезных

Источники поступления

Вулканическая деятельность              1,2-              109

Разложение органического вещества              1              -              10е

Сжигание ископаемого топлива              5              •              109

Морские брызги              5              •              109

Испарение с поверхности океана              5              -              1011

Таблица 56. Поглощение тяжелых металлов почвой как функция анионов и pH, в % от исходного количества {Quirk, Posner, 1975)

ископаемых (включая нефть). Аномально высокие концентрации тех или иных микроэлементов возникают также в результате их водной или воздушной миграции на суше, выноса из одних ландшафтов (горы, плато, высокие равнины) и накопления в аккумулятивных ландшафтах (поймы, дельты, донные осадки водоемов и др.). Примером таких аккумулятивных аномалий, возникших в геологическом прошлом, являются каустобиолиты, каменные угли, битумы, лигниты, в которых значительные примеси Мп, Cr, As, Cd, Hg, Ge, Co, Ni, Rb, Си и др.

Развитие таких важных отраслей, как металлургия и химия, а также энергетика и оборонная промышленность, производство удобрений и медикаментов немыслимы без использования микроэлементов. Применение и употребление многих микроэлементов известны человечеству с древности (Ферсман, 1954):

Древние века Fe, Au, Си, Sn, Hg, Pb, Ag

До XVIII в. As, Bi, Co, B, Ni в. Ir, I в. Ba, Br, V, Cd, Mn, Mo, Os, Ra, Sr, Та, F, Th, U, Cr, Zr в. (1915 r.) Li, Ti

XX в. (c 1915 до 1932 г.) Be, Se, Rb, Hf, Re, Tl,Gs

XX в. (конец) Se, Ga, Y, Ne

С каждым годом все новые и новые элементы вовлекаются в сферу практической деятельности человека. Это вносит значительные изменения в биогеохимию микроэлементов. Возникают антропогенные аномалии вокруг крупных городов, индустриальных предприятий (металлургические, нефтеперегонные, шахты), вдоль дорожных магистралей, в устьях рек и вдоль берегов морей, вокруг мест свалок. Здесь обычно обнаруживается в почвах повышенные количества свинца, ртути, кадмия, цинка.

Вокруг предприятий цветной металлугии образуются зоны загрязнения Pb, As, Bi, Си, Ag, Cd, Se, S, Sb. Центры черной металлургии образуют неоаномалии соединений Fe,Mn,Ni,Co, S,Cr, V (табл. 57, рис. 81). В районах производства алюминия в ореоле загрязнения аккумулируются F, As, Be. Антропогенные загрязнения вызывают локальные болезни у людей, так как многие рассеянные элементы токсичны. Они также снижают продуктивность растений и плодородие почв.

Как уже говорилось, основным источником поступления микроэлементов в почвы являются материнские горные породы (табл. 58). Магматические ультраосновные породы, содержащие минералы типа оливина, пироксенов, амфиболов, характеризуются высоким содержанием элементов семейства железа (Ni, Со, Mn, Си, V, Cr, Zn). Основные породы, в состав которых входят, кроме того, еще и основные плагиоклазы, имеют более разнообразный набор микроэлементов: помимо семейства железа, они содержат Li, Sr, Cs, Rb, Ba. В среднекислых и кислых породах, где преобладают плагиоклазы и калиево-натриевые полевые шпаты, состав микроэлементов резко отличный. Главную роль начинают играть такие микроэлементы, как Ra, Rb, Be, Sr, F, Ga, Li, Mo, Zr, U, а микроэлементы семейства железа приобретают подчиненное занчение (табл. 58).

Образующиеся при выветривании магматических пород коры выветривания и осадочные отложения значительно отличаются от изначальных пород по минералогическому, а следовательно, и микроэлементному составу. Как правило, выщелоченные сиаллитные кислые коры выветривания обеднены большинством микроэлементов, сиаллитные обызвесткован- ные коры содержат значительное количество и разнообразный набор микроэлементов. Аккумулятивные гипсоносные и засоленные коры выветривания обогащены более подвижными микроэлементами (Ba, Sr, Си, В, I, Li, Cs, Rb).

В пределах каждого типа коры выветривания количество и состав микроэлементов изменяется в зависимости от механического состава и наличия примесей органического вещества. Содержание большинства микроэлементов возрастает с утяжелением механического состава и увеличением содержания органических веществ.

Метаморфические породы обычно наследуют микроэлементный состав осадочных отложений, из которых они образовались. Для микроэлементов

Таблица 57. Наблюдаемое загрязнение тяжелыми металлами вокруг предприятий тяжелой металлургии, ppm

Таблица 58. Среднее содержание микроэлементов в горных породах, мг/кг

Для бора и йода ряд несколько изменяется: морские глины и тяжелые суглинки gt; сланцы битуминозные gt; лёссы gt; покровные суглинки gt; суглинистая морена gt; кислые магматические породы gt; основные магматические породы gt; супесчаная и песчаная морена gt; пески.

Для молибдена ряд практически такой же, за исключением морских отложений. Наибольшее содержание Мо характерно для органогенных пород; морские отложения, как правило, беднее Мо, чем континентальные.

Рис. 81. Антропогенные неоаномалии в Западной Европе

а — мышьяк, мг/кг; б — сурьма, мг/кг; в — свинец, мг/кг (Water, Air, Soil Polu- tion, 1975, 1979)

Среди осадочных пород наиболее распространены глинистые и суглинистые, второе место занимают песчаные и третье — карбонатные отложения. Соотношение этих групп составляет 5:3:2 (Рухин, 1953) и проявляется в геохимии микроэлементов.