Водная миграция химических элементов
Большинство химических элементов мигрирует в ионных, молекулярных или коллоидных растворах. Вода — это “кровь ландшафта”, она находится в сложных обратимых взаимоотношениях с организмами, горными породами, атмосферой, которые и определяют химический состав вод ландшафтов. Состав природных вод ландшафта в значительной степени определяется зональностью и зависит от климата (температуры, влажности, количества осадков), а также литологическими условиями (составом и степенью растворимости горных пород). Главные компоненты - растворенные газы, особенно О2, СО 2, Н 2S, и шесть ионов растворенных веществ, поступающих из литосферы и атмосферы, Са2+, Мg2+, Na+, HCO3-, SO 42-, Cl-(шестикомпонентный состав). В водах большинства ландшафтов Са2+ > Мg2+> Na+и HCO3-> SO 42-> Cl- , но встречаются другие соотношения. Все воды содержат также ионы Н+и ОН-, роль которых, несмотря на низкое содержание, чрезвычайно велика. Второстепенными компонентами являются железо, стронций, калий (катионы), карбонаты, нитраты и фториды (анионы), бор (как в катионной, так и в анионной форме). Мало содержание распространенных в литосфере элементов — K, P, Si, Al, Ti, Ni, Co, Cu, Mo, Zn, U. Кроме ионов растворенные неорганические соединения находятся в форме молекул и коллоидных частиц. Велика роль и растворенного органического вещества (РОВ). Характерна также миграция тонкой мути и более крупных взвешенных частиц. Таким образом, воды ландшафта — это сочетание ионных, молекулярных и коллоидных растворов с суспензиями. Почти все воды — биокосные тела, т.е. содержат живое вещество.
Природные воды в ландшафте формируются из дождевой, речной, подземной воды, а в приморских ландшафтах на состав вод оказывают влияние и морское воды. Химический состав этих исходных вод различен:
главные компоненты морской воды - ионы натрия и хлора,
в речных и грунтовых водах - ионы кальция, гидрокарбонат (карбонат) -ион;
дождевая вода - ионы натрия, кальция, сульфат-ион.
Химический состав почвенных и грунтовых вод формируется в результате прямого растворения или выщелачивания горных пород и почв, за счет разложения растительных остатков, и зависит от их подвижности. Поровые воды, к которым относится часть почвенных, иловых и горных (породных) растворов, относительно неподвижны. Эти воды длительное время соприкасаются с породами, часто находятся в равновесии с ними. В поровых растворах обнаружены бактерии, окисляющие сульфиды. По химическому составу поровые растворы разнообразны и часто сильно отличаются от гравитационных вод. Свободные гравитационные воды находятся в трещинах, крупных полостях. Они легко стекают под влиянием силы тяжести, относительно быстро перемещаются по почвенным и водоносным горизонтам.
Миграция растворенных в природных водах химических элементов определяется кислотно-щелочными и окислительно-восстановительными характеристиками среды.
Окислительно-восстановительные условия природных вод.
Для характеристики окислительно-восстановительного состояния среды используют так называемый окислительно-восстановительный потенциал (Еh), измеренный в вольтах, а для характеристики способности данного атома принимать или отдавать электроны - стандартный окислительно-восстановительный потенциал (Eh0).
Так как различные элементы меняют свою валентность в зависимости от окислительно-восстановительного потенциала среды, то по его значению можно сделать вывод о миграционных способностях элементов в каждом конкретном ландшафте.
Поэтому, при изучении миграции химических элементов важно учитывать как стандартный потенциал элемента, так и величину окислительно-восстановительного потенциала, который характерен для данной природной системы с ее конкретными величинами концентрации, рН, температуры.
В естественных ландшафтах основными окислителями являются: кислород атмосферы, другие сильные окислители в высоких степенях окисления: трехвалентное железо, четырехвалентный марганец, шестивалентная сера, пятивалентный азот.
Восстановителями в ландшафтах являются химические элементы, способные отдавать электроны: двухвалентное железо, двухвалентная сера, водород, двухвалентный марганец, элементы в металлическом состоянии - медь, мышьяк, трехвалентный хром, трехвалентный ванадий. Важнейшими восстановителями в биогенных ландшафтах являются органические вещества.
Для характеристики окислительно-восстановительных условий в ландшафтах используют соединения железа разной валентности. Железо - широко распространенный элемент, присутствующий во всех ландшафтах. Его соединения имеют характерные признаки, устанавливаемые при визуальном наблюдении, без дополнительных анализов: соединения трехвалентного железа характеризуются красной или бурой окраской, двухвалентного - зеленоватой и сизой. Присутствие в почвенном профиле заболоченных таежных почв соединений двухвалентного железа свидетельствует о восстановительной обстановке и предполагает отсутствие здесь значительных соединений четырехвалентного марганца и свинца, шестивалентного хрома, трехвалентного кобальта, пятивалентного ванадия. Следовательно, в тайге мы не найдем хроматов и ванадатов, но они будут в пустынях, где высок окислительный потенциал среды и железо всегда присутствует в трехвалентной форме, а обстановка будет окислительной.
По значению окислительно-восстановительного потенциала и присутствию окислителей, в ландшафтах выделяют три основные обстановки:
1. окислительную;
2. восстановительную; без сероводорода (глеевая);
3. восстановительную (с сероводородом).
Окислительная обстановка (Eh> 0,15) характеризуется наличием свободного кислорода в водах, поступающего из атмосферы или за счет фотосинтеза водных растений. Кислородные воды обладают очень высокой окислительной способностью: в них осуществляется микробиологическое окисление органических веществ до углекислого газа и воды, протекают реакции окисления неорганических соединений. В этих условиях многие химические элементы образуют легко растворимые соединения - хроматы, ванадаты, селенаты, сульфаты, - с высокой миграционной способностью. Например, в пустынях встречаются легко растворимые сульфаты натрия и магния, хроматы калия. Окислительная обстановка характерна для сред, контактирующих с атмосферой - дождевых, речных, озерных вод, приповерхностных горизонтов морских вод.Кислородная поверхность совпадает с уровнем грунтовых вод.
Восстановительная глеевая обстановка(Eh от -0,2 до-0,4)(без сероводорода) создается в пресных водах, не содержащих или содержащих мало свободного кислорода и богатых органическими остатками. Окисление происходит при участии микроорганизмов, которые окисляют органические вещества за счет кислорода органических и неорганических соединений (связанного кислорода).
В водах образуются H2, N2, CH4, Fe2+, Mn2+. Так как в водах мало сульфат- иона, то сероводород не образуется. Многие металлы, входящие в состав органоминеральных комплексов приобретают высокую подвижность.
Этот тип обстановки особенно характерен для болот влажно-тропической, тундровой, таежной и лесостепной зон.
Восстановительная сероводородная обстановка(Eh< 0) (с сероводородом) издается в бескислородных водах, богатых сульфат ионом, где микробиологическое окисление органических веществ осуществляется за счет восстановления сульфатов (процесс сульфат-редукции).
Появление в водах сероводорода приводит к осаждению металлов, образующих нерастворимые сульфиды. Оглеение не развивается и в геохимическом отношении эта обстановка противоположна восстановительной глеевой. Миграция или осаждение элементов в этой обстановке определяется в первую очередь не значением окислительно-восстановительного потенциала среды, а содержанием сероводорода. При одном и том же Еh, но при разном содержании сероводорода, элемент может мигрировать или осаждаться. Этот тип окислительно-восстановительной обстановки характерен для солончаков и илов соленых озер степей и пустынь, а также возникает в техногенных ландшафтах.
Величина окислительно-восстановительного потенциала связана со значением рН почвенного раствора. В кислых ландшафтах окислительно-восстановительный потенциал имеет более высокие значения, чем в нейтральных или щелочных ландшафтах.
Значения окислительно-восстановительного потенциала сказывается на развитии растений. Наиболее благоприятными считаются значения, лежащие в пределах 0,2-0,8в.