Ландшафтно-геохимический подход к изучению природных территориальных комплексов
Зарождение геохимии ландшафта.Геохимия ландшафта так же, как и геофизика ландшафта, имеет корни, уходящие вглубь веков, но как самостоятельная наука геохимия ландшафта сформировалась только в 30—40-х гг. XX в. Химия -» геохимия -» геохимия ландшафта — таков путь становления геохимии ландшафта. Из отечественных ученых выдающаяся роль в становлении геохимии принадлежит В.И.Вернадскому (1863— 1945) и его ученику А.Е.Ферсману (1883—1945).
Первым, заложившим основы новой науки геохимии ландшафта, был Б. Б. Полынов. Вторым выдающимся классиком геохимии ландшафта бесспорно называют А. И. Перельмана, впервые прочитавшего курс «Геохимия ландшафта» на географическом факультете МГУ в 1951 г., а в 1955 г. опубликовавшего монографию «Очерки геохимии ландшафта». Им было создано много книг, в том числе учебников по геохимии и геохимии ландшафта и подготовлено много учеников.
В 60 —70-е гг. XX в. геохимия ландшафтов активно развивалась, особенно в области поисков полезных ископаемых. Начатые М. А. Глазовской экспедиционные исследования поисков руд медного колчедана в Уральских горах с применением ландшафтно-геохимического метода показали большую эффективность ландшафтного подхода. В скором времени ландшафтно-геохимические методы стали рабочими в геолого-разведочных партиях. Затем они начали применяться в медико-географических исследованиях, а в настоящее время и еще шире — в решении проблемы охраны окружающей среды.
На 60-е гг. XX в. приходится наиболее активная работа ландшафтных стационаров Сибирского отделения АН СССР. Ландшафтно-геохимические методы наряду с ландшафтно-геофизиче-скими стали на стационарах основными методами изучения ПТК на локальном уровне. Некоторые методы даже являются общими как для геохимии, так и для геофизики ландшафта. Например, методы изучения баланса биомассы, описанные в разделе 2.6, где в таблицах приведены данные о запасах и продуктивности фито-массы плакорных сообществ различных зон и подзон и о биогеохимическом круговороте, вполне применимы как для ландшафт-но-геофизических, так и для ландшафтно-геохимических характеристик ПТК. Совместное использование методов геофизики и геохимии ландшафта наряду с традиционными методами ландшафтного картографирования и профилирования делает возможным всестороннее изучение ПТК, их структуры, функционирования, прямых и обратных связей с другими природными комплексами или антропогенными объектами.
Основные понятия.В геохимии ландшафта используется своя терминологическая система. Понятие элементарный ландшафт у геохимиков примерно соответствует фации у ландшафтоведов. Фации, сменяющие друг друга от местного водораздела к местной депрессии, связанные между собой миграцией веществ, представляют собой геохимически сопряженный ряд — звено (М. А. Глазов-ская, 1964, 2002), или катену.
Части звеньев, приуроченные к разным элементам форм мезорельефа (вершинным поверхностям холмов, склонам, депрессиям), соответствуют подурочищам. Для урочищ и местностей, принятых в ландшафтоведении, в геохимии ландшафтов нет анало-
гов, но сам термин местность, местный геохимический ландшафт употреблялся для обозначения большей или меньшей территории, на которой наблюдается закономерное повторение определенных ландшафтных звеньев (катен). В современной литературе — это просто геохимические ландшафты (И. П. Гаврилова, 1985), среди которых различают простые и сложные. Простые состоят из одинаковых звеньев и возникают в условиях однородного состава пород и простого расчленения рельефа. Сложные состоят из разных звеньев и формируются на разных породах или (и) при сильном расчленении рельефа.
В процессе ландшафтно-геохимических исследований используется много различных показателей, которые можно разделить на две группы. Первая группа — кларки и местные кларки. Это показатели абсолютного содержания химических элементов в ландшафтах, их компонентах, ярусах и отдельных элементах. Вторая группа — различные геохимические коэффициенты, выражающие относительное распределение элементов в изучаемых объектах в целях их сопоставления друг с другом.
Кларки элементов — числа, выражающие среднее содержание химических элементов в земной коре, гидросфере, Земле в целом, космических телах и других геохимических или космохимических системах (БСЭ, изд. 3-е, т. 12. — С. 265). Различают кларки весовые (в %, г/т : или г/г) и атомные (в % от числа атомов).
Местные кларки — это мера распространения химических элементов в различных ярусах, компонентах и отдельных элементах ландшафтов, например в почвах, их горизонтах и отдельных включениях и новообразованиях; в коре выветривания, в подстилающих породах, в руде и отдельных минералах; в растениях и их видах или даже частях (зеленая масса, корни, древесина, кора); в водах; в донных отложениях и т. п. Местные кларки широко используются для расчета второй группы геохимических показателей.
Довольно широкое применение получили кларки концентрации и рассеяния (КК, или Кк). Кларк концентрации, по В. И. Вернадскому (1937), означает отношение содержания химического элемента в конкретном природном объекте к кларку литосферы. Он характеризует степень концентрации элемента в геохимической системе и выражается формулой
где /с, — содержание элемента в изучаемом природном теле; К, — кларк этого элемента в литосфере.
А. И. Перельман в 1975 г. предложил для общего удобства операций с аналитическими данными и наглядности графических построений новый показатель — кларк рассеяния (КР), по смыслу обратный кларку концентрации. Кларк рассеяния означает отноше-
ние кларка элемента в литосфере к его содержанию в природном объекте. Он характеризует степень рассеяния элемента в геохимической системе при КК< 1. Вычисляется он по формуле |
К числу основных понятий относится и сопряженный анализ. Б. Б. Полынов (1956) называл его ведущим методом ландшафтно-геохимических исследований.
Сопряженный анализ — это специфический метод исследования в геохимии ландшафта, заключающийся в одновременном изучении химического состава всех компонентов ландшафта (горных пород, коры выветривания, поверхностных и подземных вод, почв, растительности) и в последующем сравнении полученных результатов между собой как в пределах одного элементарного ландшафта, так и смежных с ним.
М.А.Глазовская (1964, 2002) считает, что это определение включает два взаимосвязанных аспекта в комплексных физико-географических исследованиях: 1) сопряженный анализ гомогенного ПТК — фации, при котором основное внимание уделяется изучению радиальной миграции по вертикальному профилю ПТК; 2) сопоставление вертикальных геохимических профилей фации, образующих сопряженные ряды в пространственной структуре более сложного гетерогенного ПТК, т.е. изучение латеральной (или, весьма условно, горизонтальной) миграции от автономных ПТК к подчиненным.
Под радиальной (или вертикальной) миграцией подразумевается перемещение веществ от земной поверхности в глубь почвенного профиля и далее. Латеральной (горизонтальной или боковой) миграцией называют два разных процесса: 1) перемещение {чаще всего сток) веществ по земной поверхности из одного ПТК в другой, что может происходить гораздо быстрее вертикального просачивания; 2) диффузное движение капиллярных и пленочных вод в почвах, которое намного медленнее радиальной миграции. Во избежание путаницы следует каждый раз оговаривать, о какой латеральной миграции идет речь.
В.В.Добровольский (1989) обращает внимание на принципиально различный характер геохимических сопряжений в условиях мезо- и микрорельефа (рис. 9). Если в первом случае ярко выражена односторонняя направленность миграционных потоков, то во втором — направленность двусторонняя. Химические элементы, мигрирующие с поверхностным стоком в западины, вмываются с фильтрующимися водами и частично обогащают почву. Вместе с тем быстрое иссушение микроповышений вызывает энергичное подтягивание вод по капиллярам. При этом почвенные воды микрозападин поступают в почвы микроповышений и, в свою оче-
редь, приносят определенные химические соединения. Мы можем констатировать, что в первом случае четко выделяются автономные и подчиненные природные комплексы, а во втором такого полного соподчинения нет.
Сопряженный анализ выявляет характерные для элементарных ПТК химические элементы и позволяет проследить их миграцию внутри комплекса (радиальную) и от одного комплекса к другому (латеральную). С его помощью можно получить различные коэффициенты, в том числе наиболее важные — водной миграции и биологического поглощения. Повторные исследования одних и тех же ПТК в полустационарных или стационарных условиях позволя-: ют выявить тенденцию изменения ПТК во времени.
Зоной выщелачивания в геохимии ландшафтов называют преимущественно ту часть вертикального профиля элементарного ландшафта (фации), в которой под влиянием атмосферных осадков происходит перемещение вещества от поверхности вниз по профилю. (Строго говоря, этот термин употребляется и в другом смысле: как вынос вещества на значительных по размерам и сложности строения территориях от поверхности Земли, через всю кору выветривания, до коренных пород.)
В качестве примера, обычного в геохимии ландшафтов понимания этого термина, можно привести характерный автономный почвенный профиль дерново-подзолистой почвы гумидных областей, где зоной выщелачивания является подзолистый горизонт, и противоположный пример — гидроморфный почвенный профиль аридных областей, где зона выщелачивания практически отсутствует (рис. 10). На рисунке слева изображен профиль дерново-подзолистой почвы, сформировавшейся в условиях пермацидного (промывного) режима. Здесь труднорастворимые элементы (например, Si и Fe) перемещаются из горизонта А2 в нижележащий горизонт В, более растворимые (Са) — за пределы почвенного профиля, в
3 Жучкова ^^
почвообразующую породу (горизонт С) и, наконец, легко растворимые (Na) — выносятся еще глубже. Таким образом, под зоной выщелачивания здесь подразумевается почвенный горизонт, где процесс выщелачивания наблюдается весьма активно, образуя характерный горизонт, сильно обедненный химическими веществами, в то время как сам процесс в более ослабленной форме продолжается и далее в глубь почвенного профиля и за его пределами.
Справа на рисунке 10 показано, как при близком залегании грунтовых вод в условиях непромывного (импермацидного) режима аридного климата процессы выщелачивания солей ослаблены нисходящим движением вод, в то время как активно проявляется процесс аккумуляции веществ под действием капиллярного поднятия влаги. Это приводит к отложению наиболее растворимых солей (Na2SO4) на поверхности почвы или вблизи нее, ниже отлагаются менее растворимые соли (CaSO4) и еще ниже — еще менее растворимые соли (СаСО3).
В действительности, в разных фациях процесс выщелачивания может сильно осложняться сезонными колебаниями погодных условий, развитием сезонной мерзлоты, резким колебанием уровня грунтовых вод, появлением и исчезновением верховодки. Все это накладывает отпечаток на условия почвообразования и миграцию химических элементов и оставляет свои следы в вертикальном профиле фаций. При внимательном изучении этих следов можно уло-
вить сезонную динамику направленности и интенсивности геохимических процессов (М.А. Глазовская, 1964, 2002).
Условия миграции элементов.Вода — главный фактор миграции элементов. В геохимии ландшафтов все элементы классифицируются по их отношению к окислительно-восстановительным и ще-лочно-кислотным условиям среды. Детальная разработка такой классификации сделана А. И. Перельманом (1966, 1979 и др.), разделившим все элементы по интенсивности водной миграции в различных геохимических обстановках.
Выделяются три типа окислительно-восстановительных условий: окислительные, восстановительные глеевые и восстановительные сероводородные. В последних двух случаях в среде нет свободного кислорода, и обе среды восстановительные, но их свойства в геохимическом отношении весьма различны: глеевая среда благоприятна для миграции многих металлов (железа, марганца и других); в сероводородной среде условия для миграции неблагоприятны в связи с образованием нерастворимых сульфидов.
По щелочно-кислотным условиям все воды делятся на четыре основных класса (табл. 2). Сильнокислые воды содержат свободную серную кислоту, образующуюся при окислении пирита и других дисульфидов. В природных условиях они встречаются в зонах окисления сульфидных месторождений, в угольных шахтах, в вулканических районах. В таких водах легко мигрирует большинство металлов, в том числе Fe, Al, Cu, Zn и др.
Кислые и слабокислые воды весьма характерны для тундровых и лесных ландшафтов. Их кислотность связана с разложением органического вещества и поступлением угольной кислоты и других органических кислот.
В кислых и слабокислых водах легко мигрируют металлы в формах бикарбонатов и комплексных соединений с органическими кислотами. Слабокислые воды очень широко распространены в верхних горизонтах земной коры.
Нейтральные и слабощелочные воды характерны для лесостепных, степных, полупустынных и пустынных ландшафтов. Степень щелочности зависит от отношения бикарбоната кальция к его карбонату или же бикарбоната к СО2. Условия миграции менее благоприятны для большинства металлов, которые здесь осаждаются в форме нерастворимых гидроокислов карбонатов и других солей. Анионогенные элементы (Si, Ge, As, V, U, Mo, Se и др.), напротив, мигрируют в них сравнительно легко. Органические кислоты при разложении органики полностью нейтрализуются СаСО3 и другими соединениями кальция, магния, натрия и калия, которыми богаты почвы и породы.
Сильнощелочные воды содержат соду. Встречаются они в некоторых лесостепных ландшафтах, в содовых солончаках и др. В содовых водах легко мигрируют Si, Al, Mo и комплексные карбонатные соединения Си, Zn, Be, V, редких земель итгриевой группы, Se, Zr и др.
Для каждого класса вод характерна своя ассоциация мигрирующих элементов и ассоциация малоподвижных элементов — «запрещенная» (А.И.Перельман, 1979, 1981; Ландшафтно-геохими-ческие основы..., 1989). Ионный состав вод, минерализация (хло-ридные, сульфатные, гидрокарбонатные, пресные, соленые и другие воды) также существенно влияют на условия миграции элементов, но меньше, чем различия в классах вод.
Типоморфными элементами называются элементы широко распространенные, но не все. Роль элемента в ландшафте определяется в большинстве случаев не столько его содержанием, сколько интенсивностью его миграции и способностью к аккумуляции (так называемый принцип подвижности компонентов). Например, в почвах солончаков кремния значительно больше, чем натрия или хлора, но типоморфными, определяющими характерные особенности ландшафта, будут именно легкорастворимые соли натрия и хлора, а не кремний или алюминий (А.И.Перельман, 1975).
По типоморфным водным (и воздушным) мигрантам, при одновременном учете щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных условий, как отмечалось выше, все воды могут быть разделены на 21 класс (табл. 3).
Пользуясь приведенной классификацией, мы можем сказать, что, например, для тундровых ландшафтов весьма характерен кислый глеевый класс водной миграции (XII), для ландшафтов тайги, хвойно-широколиственных и широколиственных лесов — кислый и кислый переходный к кальциевому (III, IV, V), для лесостепных и степных — кальциевый (VI) и т.д. В каждом ландшафте формируется свой набор ПТК разных классов водной миграции
химических элементов в зависимости от конкретных условий (геологического строения, рельефа, уровня залегания и состава грунтовых вод и т.д.).
Геохимические барьеры.Границы между разными геохимическими обстановками называются геохимическими барьерами. По направленности миграционного потока различают барьеры радиальные и латеральные, которые, в свою очередь, по способу переноса веществ подразделяются на диффузные и инфилыпрационные (первые более характерны для аквальных комплексов).
Различают макро-, мезо- и микробарьеры. Барьеры в почвах относятся к радиальным микробарьерам, ширина их (мощность) измеряется сантиметрами или даже миллиметрами. Ширина переходной полосы от природных комплексов нормального увлажнения к типичному болоту носит латеральный характер и может измеряться десятками и сотнями метров; это уже мезобарьеры. Типичный аквальный макробарьер, а также латеральный — устье крупной реки, впадающей в море (или океан), и прибрежная акватория. Здесь происходит смешение пресных и соленых вод и ширина барьера может составлять многие сотни и тысячи метров.
По изменению типов миграции элементов А. И. Перельман (1966, 1977 и др.) выделяет следующие типы барьеров: 1) природные {механические, физико-химические, биохимические); 2) техногенные. В ландшафтных исследованиях, также как и в геохимии ландшафтов, наибольшее внимание уделяется физико-химическим барьерам.
Среди физико-химических барьеров А. И. Перельман (1973) выделяет десять основных классов: А — кислородный, возникающий при резкой смене восстановительной среды на окислительную; В — сероводородный или С — глеевый при смене окислительной среды на восстановительную; Д — щелочной при резком повышении рН; Е — кислый при резком понижении рН; F — испарительный; G — сорбционный; Н — термодинамический; J — сульфатный; К — карбонатный.
В почвенных разрезах барьеры часто четко прослеживаются по смене состава и окраски горизонтов, по скоплению новообразований. Так, в дерново-подзолистых почвах органическая подстилка является биохимическим барьером на переходе от растительного покрова к минерально-органическому гумусовому горизонту серого или даже темно-серого цвета. Гумусовый горизонт, в свою очередь, более или менее постепенно переходит в подзолистый горизонт (вымывания или выщелачивания), обычно белесого цвета и более легкого механического состава, чем гумусовый. При этом нередко особо выделяется переходный горизонт, который и является барьером — физико-химическим щелочным и одновременно биохимическим. Ниже следует переход к горизонту вмывания {иллювиальному). В суглинистых почвах он заметно более тяжелого механического состава и ярко окрашен в красновато-бурый цвет при-
внесенными в него окислами железа. Это — барьер физико-химический, сорбционный.
В песчаных дерново-подзолистых почвах обычно дифференциация горизонтов менее четкая, а в горизонте вмывания окислы железа образуют тонкие извилистые полосы — псевдофибры или более или менее сцементированные слои ортзандов, порой довольно мощных и плотных. Нередки также ржаво-бурые пятна разных размеров и форм.
В значительно переувлажненных почвах образуются глеевые барьеры тоже физико-химические сорбционные, изобилующие закис-ными соединениями железа, придающими почве желеобразную структуру и более или менее интенсивный сизый цвет. К этому же типу барьеров можно отнести горизонты дерново-подзолистых почв со скоплением рудяковых зерен (железистых конкреций) или в черноземных почвах горизонты с журавчиками, куколками и просто с наличием муки углекислого кальция и т.д.
В зависимости от класса барьера и состава вод, подступающих к барьеру, формируются типы концентрации элементов на физико-химических барьерах (А. И. Перельман, 1973, 1975, 1977 и др.). Биологические барьеры (лесные подстилки, гумусовые горизонты почв, торф, сами растения и т.д.), способные сорбировать различные элементы и соединения, в том числе радионуклидного загрязнения. В качестве механического барьера можно считать, например, перегиб склона, вызывающий в нижней части склона осадконакопление. Известны случаи формирования сплошных двусторонних барьеров (Н. С. Касимов, 1972), где воды различного химического состава движутся к барьеру с разных сторон.
М. А. Глазовская (1988) дает широкий спектр барьеров и приводит общую картину наиболее распространенных геохимических барьеров в почвах разных зон (рис. II)1.
Рассмотрим, к примеру, типичный почвенный профиль подзолов железисто-гумусовых (рис. 11, V). Верхний горизонт профиля представлен подстилкой (О), которая является мощным биогеохимическим барьером, относящимся к высокоемким окислительным (1). Далее следует элювиальный горизонт (Е или А2), где в основном идет вынос различных элементов и коллоидов и только в небольшой степени седиментация. Это тоже барьер, но уже физико-химический, сорбционно-седиментационный кислый, малоемкий окислительный (7). Ниже расположены горизонты: иллю-
1 В индексировании почвенных горизонтов во многих публикациях имеются разночтения. Например, подстилка индексируется как О или как Aq, гумусовый горизонт А или Аь подзолистый А2 или Е и т.д. Имеется также много других основных или дополняющих индексов. Этого не стоит пугаться, так как разобраться всегда возможно и по учебникам почвоведения, и по различным инструкциям, а порой и просто по здравому смыслу.
виально-гумусовый, или альфегумусовый (Bh) (9) и иллювиаль-но-железистый, или ферритный и ферралитный (Bf) (10). Оба они также относятся к сорбционно-седиментационным. Накопление гумуса и железа может протекать здесь с разной интенсивностью. Наконец, горизонт С — это обычно малоемкие сорбционные и седиментационные слабокислые и нейтральные барьеры (25).
Для солончака (рис. 11, XVI) характерны солевые барьеры (21, 25), ниже сульфидные (23, 24) с постепенным нарастанием восстановительной обстановки.
М. А. Глазовская отмечает, что накопление торфа в тундровых ландшафтах свидетельствует о крайне медленном разложении там
Рис. 11. Типы сочетаний геохимических барьеров в почвах.
Почвы: / — тундрово-глеевые; // — торфяно-болотные; /// — глеево-подзолистые; IV—подбуры; V—подзолы железисто-гумусовые; VI—подзолистые; VII — подзолистые и дерново-подзолистые пахотные известкованные; VIII — дерново-карбонатные; IX — серые лесные, черноземы оподзоленные; X — черноземы и каштановые; XI — лугово-черноземные; XII — красноземы; XIII — бурые пустынно-степные, серо-бурые; XIV — сероземы; XV — солонцы; XVI — солончаки
Почвенно-геохимические барьеры: биогеохимический кислый: 1 — высокоемкий окислительный; 2 — высокоемкий восстановительный; 3 — умеренно емкий окислительный; 4 — умеренно емкий восстановительный; сорбционно-седиментацион-ный кислый: 5 — умеренно и высокоемкий окислительный; 6 — умеренно и высокоемкий восстановительный; 7 — малоемкий окислительный; 8 — малоемкий восстановительный; 9 — альфегумусовый; 10 — ферритный и ферралитный; // — умеренно и высокоемкий резко восстановительный; биогеохимический нейтральный и слабощелочной: 12 — умеренно емкий окислительный; 13 — умеренно емкий восстановительный; 14 — высокоемкий окислительный; 15 — малоемкий резко окислительный; сорбционно-седиментационный окислительный: 16 — нейтральный и слабощелочной; 17 — высокощелочной солонцовый; карбонатный: 18— окислительный; 19— восстановительный; 20— окислительный гипсовый; солевой: 21 — интенсивно испарительный окислительный; 22 — испарительный окислительный; сульфидный: 23— окислительно-восстановительный; 24— восстановительный; сорбционные и седиментационные слабокислые и нейтральные барьеры в почвообразующих породах: 25 — малоемкие; 26 — высокоемкие
органического вещества, в то время как в полупустыне и пустыне этот процесс протекает в сто раз быстрее. Отсюда вывод, что техногенное загрязнение ландшафтов нефтепродуктами, пестицидами и другими органическими веществами гораздо опаснее на севере, чем на юге.
Приведенные на рис. 11 профили могут помочь разобраться в конкретной полевой обстановке, особенно при описании почвенных разрезов.
В комплексных физико-географических исследованиях удобно также использовать табл. 4, составленную И. А. Авессаломовой (1987) по материалам А. И. Перельмана, М.А. Глазовской и др., где перечень основных типов и классов геохимических барьеров и накапливающихся на них элементов сопровождается указанием типичного их местонахождения в ландшафтах.
Ряды биологического поглощения.Биогенная миграция элементов играет огромную роль в функционировании ландшафтов. К настоящему времени разработан уже целый ряд геохимических показателей, характеризующих, с одной стороны, биологическое поглощение растениями различных элементов из среды обитания, с Другой, — неодинаковую способность к поглощению элементов различными растениями, произрастающими в одной и той же среде.
Впервые вычисление рядов биологического поглощения было осуществлено Б. Б. Полыновым, изучавшим процессы выветривания гранито-гнейсов в Ильменском заповеднике и роли лишайни-
растения к его содержанию в почве или в горной породе (в данном случае — в гранито-гнейсах). Ряд элементов по убывающей энергии их биологического поглощения получает следующий вид: |
ков, произрастающих на них. Оказалось, что химические элементы накапливаются в лишайниках неравномерно, о чем свидетельствует коэффициент биологического поглощения (Кб), представляющий собой отношение содержания химического элемента в золе
Сопоставление химического состава золы растений, почв и пород привело ученых к выводу о большой роли биогенеза в формировании минерального состава почв. Исследования Б. Б. Полынова показали, что уже на ранних стадиях почвообразования химический состав мелкозема, особенно в коллоидной фракции, несет на себе следы обогащения элементами разложившегося органического вещества лишайников. Проследить процесс биолитогенеза можно, последовательно сопоставляя химический состав живых растений (или свежего опада) с составом в разной степени разложившихся подстилок и верхних горизонтов почвенного профиля.
М.А.Глазовская (1964) отмечает, что «биогенность» глин и почв (особенно верхних горизонтов почв) заставляет учитывать эту особенность при интерпретации рядов выноса и поглощения и различать ряды первичного поглощения (массивная порода — литофиль-ные растения) и ряды вторичного поглощения (мелкоземистые продукты выветривания или почва — растения). Во втором случае присутствуют элементы, которые уже вторично вовлекаются в биологический круговорот.
Миграционная способность элементов. Вмиграции химических элементов в ландшафтах ведущая роль принадлежит воде. Все гидрохимические показатели можно объединить в три группы (И. А. Авес-саломова, 1987). К первой группе относятся показатели интенсивности водной миграции различных элементов. По ним можно строить миграционные ряды для элементарных ландшафтов или их различных ярусов. Показатели второй группы отражают изменение геохимических потоков в них и приходно-расходные (балансовые) соотношения химизма вод. Третья группа включает в себя показатели, дающие качественную и количественную характеристики природных вод в абсолютных величинах.
Б. Б. Полынов (1956) объединяет элементы, мигрирующие в растворах, в пять групп в зависимости от их подвижности (табл. 5).
где тх — содержание элемента х в водах, дренирующих породы; пх — содержание элемента х в горных породах, дренируемых этими водами; а — величина минерального остатка речной или грунтовой воды |
А. И. Перельман (1962) предложил характеризовать интенсивность водного перемещения элементов коэффициентом водной миграции (Кх), который представляет собой отношение содержания химического элемента в минеральном осадке воды к его содержанию в горных породах, дренируемых этими водами:
Химический состав поверхностных вод может также сильно меняться по сезонам года, и коэффициенты водной миграции поэтому должны вычисляться по отношению к среднему химическому составу именно того яруса сопряженных фаций, который в данный момент дренируется водотоком. Например, весной химический состав поверхностно-склоновых паводковых вод уместно сравнивать с составом подстилки или опада, а в межень — с составом тех пород, которые дренируются грунтовыми водами, питающими поверхностный водоток.
Миграционные коэффициенты и миграционные ряды.В процессе функционирования ландшафта в каждой его элементарной ячейке — фации — происходит «вертикальная» (радиальная) миграция элементов. В катенарно сопряженных фациях идет «горизонтальное» (латеральное) перемещение веществ. В результате в различных ярусах ландшафта одни элементы в больших или меньших количествах выносятся, другие — накапливаются. Определить интенсивность этих процессов можно, сравнивая количество подвижных элементов в разных ярусах ландшафта с количеством элементов инертных, относительно «неподвижных».
Наиболее устойчивым в зоне гипергенеза является кремнезем кварца, который с некоторым допущением можно считать неподвижным или окислом-свидетелем.
Относительная же потеря или элювиально-аккумулятивный коэффициент равен: |
В общем виде вычисление элювиально-аккумулятивных коэффициентов сводится к следующему. Допустим, что окисел А неподвижный, а В — подвижный. В породе эти окислы содержатся в количествах Ах и Ви а в коре выветривания — в количествах А2и В2. Потеря окисла в коре выветривания равна:
Если коэффициент меньше нуля (отрицательный), значит, окисел выносится (элювиальный процесс), если больше нуля (положительный) — накапливается (аккумуляция). Подобные вычисления можно произвести для различных элементов и затем сравнивать их по степени подвижности.
Относительный элювиально-аккумулятивный коэффициент (Л^эа), по М. А. Глазовской, — это отношение среднего содержания данного химического элемента в коре выветривания (либо в том или ином почвенном горизонте) к среднему содержанию в породе.
В качестве примера можно привести таблицу валового анализа в процентах на прокаленное вещество, по Б. Б.Полынову (табл. 6).
На основании данных табл. 6 все окислы элементов можно расположить по возрастающему значению полученных коэффициентов в следующий элювиально-аккумулятивный ряд:
Из этого ряда видно, что К, Са, Na, Ti, Si в коре выветривания находятся в меньшем количестве, чем в породе, т.е. происходит их убыль (А'эа < 1). Другие элементы — Al, Mn, Mg — относительно накапливаются (Кэа > 1), т.е. обладают меньшей подвижностью, чем первая группа элементов. В то же время о железе можно сказать, что его накопление абсолютно, так как элювиально-аккумулятивный коэффициент намного превышает единицу (4,10). Остаточное это железо или привнесенное со стороны, можно определить только при анализе всей ландшафтной обстановки.
Химический анализ может дополняться микроморфологическим, при помощи которого можно отчетливо распознать флюи-дальную микроструктуру, свидетельствующую о миграции вторичных минералов в изучаемом горизонте.
В недавнее время было произведено уточнение смыслового содержания некоторых коэффициентов и предложены другие названия.
Коэффициент радиальной дифференциации (Кр) обозначает отношение среднего содержания данного химического элемента в том или ином почвенном горизонте к среднему содержанию его в почвооб-разующей породе.
Кр характеризует относительное перераспределение химического элемента в вертикальном профиле элементарного ландшафта (фации). Этот термин был предложен М. А. Глазовской, Н. С. Ка-симовым и др. в 70-х гг. XX в. взамен употреблявшегося ранее термина элювиально-аккумулятивный коэффициент (К^) (М. А. Глазов-ская, 1964). Замена термина была произведена ввиду его недостаточной точности. В почвах и коре выветривания различное содержание элементов в разных горизонтах может быть связано не только с выщелачиванием и накоплением элементов, но довольно часто является результатом смены пород в вертикальном профиле элементарного ландшафта, т.е. с его литологической гетерогенностью. Поэтому правильнее говорить о радиальной дифференциации элементов без утверждения, что это результат исключительно элювиального и аккумулятивного процессов.
То же относится и к термину коэффициент латеральной дифференциации (Кл). Он характеризует относительное перераспределение по геохимическому сопряжению и означает отношение среднего содержания элемента в минеральных горизонтах почв и коре выветривания (рыхлых наносов) геохимически подчиненного элементарного ландшафта к его среднему содержанию в тех же горизонтах автономного ландшафта. Этот термин введен взамен термина коэффициент местной миграции {Кы).
Каскадные ландшафтно-геохимические системы.В отличие от элементарных ландшафтно-геохимических систем (ЭЛГС) или элементарных ландшафтов (фаций), где прослеживаются исключительно радиальные (нисходящие и восходящие) потоки химических элементов, в геохимии ландшафтов выделяются каскадные ландшафтно-геохимические системы (КЛГС), представляющие собой парагене-тические ассоциации элементарных систем, целостность которых определяется потоками вещества, энергии от верхних гипсометрических уровней рельефа к нижним (М. А. Глазовская, 1976, 1981), т.е. объединяемые однонаправленными потоками. К каскадным геохимическим системам применим также термин арены, среди которых, по соотношению площадей начальных и конечных звеньев, выделяют: а) линейные, б) рассеяния, в) концентрации
(М.А.Глазовская, 1976, Н.П.Солнцева, 1984). Выделяют также КЛГС локальные (топологические), совпадающие с водосборами первого порядка (до нескольких квадратных километров) и региональные — всех прочих размерностей. При этом, даже локальные системы далеко не всегда оказываются монолитными, т.е. более или менее однородными в геологическом строении, не включающими реликтовые элементы прошлых эпох. Чаще они бывают гете-ролитны; гетеролитность, а также гетерохронность — непременная черта всех региональных КЛГС.
В зависимости от поставленных целей исследования выбирается один из трех типов моделей каскадных систем (табл. 7). Первый тип — модели функциональные или этологические латеральной геохимической миграции и дифференциации природных зон. Наиболее распространенный и сложный для использования третий тип моделей — гетеролитный и гетерохронный, включающий разнородные геологические отложения и разновозрастные элементы ландшафтов, названный моделями структурной геохимической дифференциации.
Первый тип моделей удобен для изучения суточных, сезонных, годовых процессов (преимущественно на локальных, монолитных синхронных системах), в котором литология и климатические условия, а также возраст относительно постоянны. Такие модели разрабатываются главным образом на стационарах, реже в процессе полустационарных исследований (В.А.Снытко, 1978 и др.).
Модели второго типа лишь условно называются миграционными, так как во всех трех моделях изучается миграция элементов. В этом типе моделей в отличие от первого исследуется суммарный эффект миграционных процессов продолжительностью десятки,
' См.: Ландшафтно-геохимические основы фонового мониторинга природной среды. — М., 1989.
сотни, первые тысячи лет, т. е. периода, сопоставимого с длительностью формирования генетического профиля современных почв. При этом система должна иметь более или менее однородный лито-и палеогеохимический фон. Именно этот тип моделей часто используется для установления основных особенностей латеральной геохимической миграции и дифференциации природных зон.
Наиболее распространенный и одновременно сложный для использования — третий тип моделей (гетеролитный и гетерохрон-ный), включающий разнородные геологические отложения и разновозрастные элементы ландшафтов, названный моделями структурной геохимической дифференциации. Исследования с использованием этого типа моделей позволили перейти к ландшафтно-геохимическому районированию обширных территорий, в том числе для целей мониторинга.
Ландшафтная катена. Термин «катена» введен почвоведами (Miln, 1935). Изначально он означает ряд взаимосвязанных разновидностей почв, расположенных на склоне. Связь между ними осуществляется под действием сил гравитации в основном водным стоком, но еще не канализированным, не собранным в ручьи (так называемый делювиальный, плоскостной смыв), поэтому изначально термин в его классическом виде можно применить и к ПТК, но лишь фациального ранга (к цепочке фаций на склоне). На элементарных (фациальных) катенах или микрокатенах (рис. 12) выявляются наиболее тесные, непосредственные связи; здесь ярко
видны различия между поступлением и выносом веществ в разных фациях.
Термин широко вошел в геохимию ландшафтов, обогатившись Представлением о сопряженных природных комплексах, объединяемых однонаправленной миграцией химических элементов.
В элювиальные (автономные) фации, расположенные в верхнем звене катены, поступление веществ происходит только из атмосферы, вынос — через фильтрацию вниз (в радиальном направлении) и испарение в атмосферу. Кроме того, вынос осуществляется с латеральным (боковым) стоком. В трансэлювиальных фациях, в верхней (выпуклой) части склона, основным процессом становится латеральный вынос, т. е. транзит материала, поступающего сюда сверху, из автономных фаций с поверхностным и внут-рипочвенным стоком и следующего далее вниз по склону. В нижней части склона, в трансаккумулятивных фациях, как только склон становится вогнутым, частицы теряют скорость и начинается их накопление, происходит частичная аккумуляция принесенного сверху материала. В супераквальных фациях уровень грунтовых вод приближен к поверхности, и фации получают подпитку снизу — дополнительные вещества в процессе капиллярного поднятия влаги. Наконец, субаквальные (подводные) фации — особые природные комплексы, режим которых определяется, в первую очередь, водоемом, но, конечно, и влиянием веществ, принесенных сверху, из природных комплексов его бассейна.
Главное заключается в том, что в катене всегда происходят три процесса — вынос, транзит и аккумуляция, поэтому есть хотя бы три звена: автономное (иначе — автоморфное, элювиальное), транзитное и аккумулятивное. Автономное звено во многом определяет цепь дальнейших трансформаций, поэтому оно называется главным, а остальные — подчиненными.
Катена может заканчиваться не водоемом, а, например, сухой котловиной или делювиальным шлейфом, и тогда сопряжение будет неполным. Среди элювиальных фаций могут встретиться замкнутые понижения — элювиально-аккумулятивные фации (М. А. Глазов-ская, 1964, 2002). Трансаккумулятивные фации часто характеризуются одновременно и накоплением, и выносом материала, и тогда их правильнее было бы называть трансэлювиально-аккумулятивными.
При геохимическом изучении ландшафтных катен, в первую очередь, интересно установить характер взаимоотношения между почвообразующей породой и почвой. Н.С.Касимов (И.П.Гаври-лова, Н.С.Касимов, 1989) различает три типа литогеохимической Дифференциации катен: 1 — монолитные, характеризующиеся одинаковым (монотонным) составом почвообразующих пород; 2 — ге-Теролитные, с концентрацией элементов в породах подчиненных позиций (в нижней части склона); 3 — гетеролитные, с обеднени-
ем пород от автономных элементарных ландшафтов к подчиненным (вниз по катене).
Подобно миграции элементов в почвах можно выделить три типа латерально-миграционной дифференциации катен: 1 — аккумулятивный, с концентрацией элементов в почвах подчиненных позиций; 2 — транзитный, без существенных различий в верхнем и нижнем звеньях катены; 3 — транзитный, с обеднением гетерономных почв относительно автономных.
Сочетание этих видов дифференциации дает девять возможных видов латеральной геохимической сопряженности почв и почво-образующих пород в катенах. Это характеризует геохимическую топо- и литосенсорность почв, т. е. их способность изменять свой химический состав в пространстве в связи с изменением рельефа и химизма почвообразующих пород.
Выявление на микрокатенах геохимической сопряженности между почвой и почвообразующей породой имеет очень важное значение для понимания связей между биотой и геомой и тенденций динамики ПТК. Не зная, что такое катена, нельзя заниматься экологическими проблемами: измеряя загрязнение, мы обязательно должны оценить его в подчиненных, аккумулятивных комплексах, наоборот, оценивая потенциальное плодородие полей, непременно надо отбирать пробы в автономных комплексах.
В современном ландшафтоведении получил признание термин ландшафтная катена (В. А. Николаев, 1990), обозначающий цепочку закономерно сменяющих друг друга морфологических единиц ландшафта (фаций, подурочищ, урочищ, местностей) от водораздела вниз по склону, к его подножию и до ближайшего водоприемного объекта, связанных однонаправленным потоком вещества и энергии.
По-видимому, говоря о ландшафтных катенах, наряду с мик-рокатенами, можно говорить и о гораздо более сложных мезо-, макро- и мегакатенах (В. А. Николаев, 1990). Ярким примером региональных макрокатен являются катенарные сопряжения ландшафтов полесий — ополий, характерных для юга лесной зоны Восточно-Европейской равнины. Эти катены, многократно повторяясь (с некоторыми вариациями), образуют широкий пояс полесий и ополий, протянувшийся от Западной Европы до Предуралья.
Ландшафты полесий и ополий сопряжены в своем происхождении и обусловливают контрастную дифференциацию природных условий Центра России на острова более южного, широколиственно-лесного и лесостепного облика (ополья), и окружающие их пониженные равнины — более северного, таежного облика (полесья). Ополья и похожие на них предополья — возвышенные, эро-зионно расчлененные, сложенные лёссовидными суглинками; полесья — низменные, песчаные, мало эродированные. Казалось бы, что переходные ландшафты предполесий (почти полесий) — долж-
ны занимать и промежуточное высотное положение. Но, вопреки прежним представлениям (рис. 13), предполесья оказались, как правило, на той же высоте, или даже выше, чем ополья (рис. 14 и 15), и это обстоятельство может помочь в выработке гипотез о генезисе этих ландшафтов.
Известное явление фёнового эффекта обычно связывается с природой горных территорий, так как при больших перепадах высот оно очень ярко выражено. Но и на равнине, как и в горах, орография способствует преобразованию воздушных масс по мере их продвижения (в умеренных широтах в средней полосе Русской равнины — на восток, так как преобладает западный перенос). Из-за относительно пониженного положения полесий (рис. 15), вслед-
ствие адиабатического расширения столба воздуха над полесьем понижаются температура и давление, создается недонасыщенность воздуха водяным паром, а вследствие этого — возможность дополнительного насыщения его особенно в период вегетации транспи-рационной влагой над этими обширными, значительно залесенными низменностями. Впоследствии в процессе дальнейшего продвижения воздушных масс на восток и надвигания их на слабо-выпуклые верхние части склонов местных возвышенностей (где располагаются ландшафты предполесий), при адиабатическом сжатии происходит потеря влаги, выпадение осадков. Далее, в полосе перехода (где расположены ландшафты предополий) наблюдается нормальный режим увлажнения (соответствующий данной подзоне и данному сектору материка), и, наконец, на восточных макросклонах местных возвышенностей — фёновый эффект, способствующий образованию ополий (ландшафтов более южного облика, с серыми лесными почвами или с черноземами).
Чем больше и глубже котловина полесья, тем ярче выражен эффект. Таким образом, каждый ландшафт имеет свой климат, как указывал Н. А. Солнцев. От климата зависят и процессы преобразования почвообразующей породы, и образования почвы.
В распределении полесий, предполесий, ополий, предополий, кроме поверхностного стока, по-видимому, сказывается явление механического переноса и сепарации твердых частиц ветром. Обширные выположенные песчаные равнины полесий, наподобие гигантских котловин выдувания, поставляют песок и пыль в воздушный поток, направленный к востоку. Часть этого материала, в первую очередь крупнозернистого песка, переносится на небольшие расстояния (подобно метелевому переносу снега) и осаждается на близлежащих плоскоравнинных территориях полесий, а также на пологих склонах западной экспозиции местных возвышенностей (в предполесьях). Чем мельче частицы, тем дальше они могут пролететь от очага развеивания. Вследствие этого на склонах западной экспозиции, вплоть до вершинной поверхности положительных форм рельефа, почвообразующие породы могут быть и песчаными, и супесчаными, реже — суглинистыми. Здесь и формируются ландшафты предполесий. Но самая мелкая пыль активно осаждается за высотным барьером, на склоне противоположной экспозиции, где формируется лёссовый покров, сначала предопо-
' лий (с лёссовидными суглинками и супесями), а затем уже с гос-подством лёссовых пород, свойственных опольям.
Больше всего осадков выпадает на ветроударных склонах, занятых предполесьями, о чем свидетельствует их маломощный четвертичный покров: коренные (часто карбонатные) породы здесь залегают ближе всего к поверхности, порой обнажаются в почвенной прикопке. Получается, что предполесья несколько больше подвержены действию ветра и воды, хотя сама эрозия здесь в большей мере плоскостная, так как эрозионных форм почти нет или они слабо выражены (лощинообразные, с пологими склонами).
Таким образом, если под катеной подразумевать ряд ПТК от вершины возвышенности до водоприемного понижения, то в цепочке ландшафтов полесье — ополье мы имеем две мезокатены: предполесье — полесье—долина реки и пред ополье — ополье—долина реки. Но обе эти катены тесно связаны между собой преобладающим западным переносом воздушных масс и составляют непрерывную цепь геохимически и геофизически взаимосвязанных и взаимозависимых природных комплексов. Отсюда следует важный методический вывод: во-первых, надо исследовать не только ополье как таковое (в данном случае это скорее аналитический подход), но и всю ландшафтную катену, началом которой оно является. А во-вторых, изучать не только каждую катену в отдельности, но и их цепь в непрерывном взаимодействии (синтез, интегральный подход). Без тщательного анализа невозможна интеграция, поэтому очень важна постоянная готовность к разноуровневому анализу и синтезу.
Ф.Н. Мильков (1974) ввел в географию понятие о склоновой микрозональности ландшафтов. Природные комплексы склонов — парагенетические системы, тесно связанные в своем происхождении и развитии однонаправленными склоновыми процессами. Это и есть ландшафтные катены. Считая, что выпукло-вогнутые склоны наиболее широко распространены на суше, Ф. Н. Мильков выделил на их примере четыре основные склоновые ландшафтные микрозоны — А, В, С, D.
Микрозона А — пологие присетевые и приводораздельные склоны, где зональные черты ландшафта мало нарушены склоновыми процессами. Их можно отнести к элювиальным ПТК или же к трансэлювиальным с преобладанием элювиальных процессов. Микрозона В — прибровочная часть склона, чаще всего выпуклая, значительной крутизны, с проявлением процессов энергичного смыва почв, обычно более сухая. Это типичные трансэлювиальные ПТК. Микрозона С — средняя часть склона, где процессы плоскостного смыва ослабевают и начинается аккумуляция материала. ПТК этих участков можно отнести к переходным между трансэлювиальными и трансаккумулятивными. Микрозона D расположена на стыке
склона с равниной. Здесь образуются делювиальные шлейфы. ПТК этой микрозоны трансаккумулятивные.
В зависимости от формы склона микрозоны могут быть развиты по-разному. Например, на крутом выпуклом склоне господствует микрозона В; микрозоны А и D развиты слабо; микрозона Сможет отсутствовать вовсе. На склонах другой формы могут быть развиты все зоны, но ширина их может оказаться очень различной. Сложные склоны рассматриваются как совокупность простых, на них соответственно усложняется и чередование микрозон. Например, для древнеоползневого склона характерен следующий ряд: А, В, С, В, С, В, С, D; для свежего оползневого склона — А, В, D, В, С, D.
Ф. Н. Мильковым и его учениками построены классификации систем склоновых ландшафтных микрозон с учетом как природных, так и антропогенных факторов (Бережной, 1983 и др.).
Комплексное ландшафтное профилирование как самостоятельный вид работ или как один из методических приемов картографирования чаще всего является ни чем иным, как изучением кате-нарно сопряженных ПТК или склоновой ландшафтной микрозональности, выявлением свойств склоновых ПТК, пространственного их размещения, приуроченности к определенным геолого-геоморфологическим условиям, особенностей радиальных и латеральных связей.
Дата добавления: 2015-09-21; просмотров: 4822;