Геохимия почв что это

Геохимия и энергетика почвообразования

Будучи биокостным телом почва – основная среда взаимодействия между живым веществом и неживой природой. Она обусловливает определенное поведение химических элементов в почве. Геохимия почвообразования занимается изучением закономерностей поведения химических элементов в почве, их миграцией, аккумуляцией, перераспределением.

Огромную биогеохимическую работу выполняют бесконечные поколения высших растений, обусловливающих круговорот химических элементов в системе почвы – растения и синтез органического вещества.

Высшие растения суши ежегодно синтезируют более 100 млрд.т. сухого органического вещества. Принимая, что зольные элементы и азот составляют около 5% этой массы, можно заключить, что на суше вовлекается в биологический круговорот несколько миллиардов тонн химических элементов.

О роли биологического фактора в перераспределении химических элементов, о направленности биологического круговорота можно судить, если определить коэффициенты биологического поглощения (Кб) химических элементов:

Этот коэффициент высок для углерода, азота, фосфора, серы, галогенов. Большое влияние на состав почвы, на перераспределение химических элементов в ней оказывает водная миграция химических элементов. Подсчитано, что поверхностными водами выносится в течение года со всей суши 23–109 т. растворенных и взмученных веществ.

Количественно роль водной миграции в геохимии вещественного состава почв выражают коэффициентом водной миграции (Кв):

Чем меньше это отношение, тем менее активно выносится водами химический элемент. Наибольшая геохимическая подвижность у хлора, серы, брома, йода. Меньше вовлекаются в водную миграцию калий, натрий, кальций, магний, а также стронций, молибден, цинк и др.

Состав почвы и ее горизонтов определяется соотношением процессов биологического поглощения и водной миграции. В геохимическом плане почвообразование сложный, развивающийся во времени процесс обмена вещества между литосферой, атмосферой и наземными организмами.

Почвообразование сопровождается и определенным обменом энергии. Этот вопрос был основательно изучен В.Р. Волобуевым (1963). По его данным, суммарная затрата энергии на почвообразование составляет в тундрах и пустынях 4–20 кДж/см, в лесах и степях умеренного пояса 40–170 кДж/см2, во влажнотропических ландшафтах 200–300 кДж/см2 в год.

Расход энергии почвообразования распределяется следующим образом: испарение и транспирация – 95–90,5 %; биологические процессы – 5,0–0,5 %; гипергенез минералов – 0,0n–0,00n %.

Полнота использования поступающей солнечной энергии на почвообразование зависит от увлажнения – в аридных ландшафтах мало используется энергии, в гумидных ландшафтах степень использования солнечной энергии на почвообразование достигает 70–80 %.

Источник

Геохимия

Одним из основных аспектов исследования природных объектов, в том числе геологической среды, является химический состав. Его изучением занимается геохимия — наука о химическом составе Земли и космического пространства, законах распределения элементов в геологических средах, процессах их образования.

История

Первые наблюдения за составом планеты и ее структур относятся к античным временам.

Предпосылки для формирования геохимии в качестве самостоятельной науки возникли в XIX в. Это объясняется тем, что в это время были сделаны многие основополагающие открытия. К ним относятся периодическая система элементов, термодинамика гетерогенных систем, радиоактивность.

Кроме того, появились новые методы исследования. Так, в 1859 г. Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом был создан спектральный анализ, используемый для определения концентраций элементов. В 1912 г. М. фон Лауэ открыл дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах, что использовали для исследования внутреннего строения вещества и форм нахождения элементов. К тому же появились результаты химических анализов метеоритов и был определен состав Солнца путем применения солнечного спектра.

Впервые термин «геохимия» использовал в 1838 г. Ф. Шенбейн.

Первые обобщения систематических геохимических данных были произведены в работах Ф.У. Кларка. В 1889 г. он создал первую сводную таблицу среднего химического состава земной коры. В 1924 г. в фундаментальной работе «Данные геохимии» на основе сведенных данных о составе горных пород, вод, почв он рассчитал среднее содержание в земной коре распространенных элементов.

Разработка методологии и проблематики геохимии началась в XX в. на основе данных физической химии и представлений о строении атома. В первой половине столетия для изучения распределения многих редких элементов продолжали применять эмиссионную спектроскопию, а также появился рентгеноспектральный анализ. На основе расшифровки кристаллических структур рентгеновской дифракцией вывели законы распределения элементов по фазам. Была определена роль живого вещества в распределении элементов. Появился изотопный раздел.

К середине века благодаря техническому прогрессу появилось множество новых методов: рентген-флюоресцентный, масс-спектральный, нейтронно-активационный и т. д.

В 60 гг. начался значительный прогресс. К тому времени накопился объем данных, составивший эмпирическую базу науки. Расширились области исследования за счет океанического дна и космического пространства. Благодаря комплексному изучению планету стали рассматривать в качестве единой системы. Большой вклад в развитие знаний о ее истории внесли биогеохимия и космохимия. Морской и атмосферный разделы объединили в геохимию твердой Земли. Большой объем данных был получен в результате морских экспедиций. Значительное влияние на развитие геохимии оказала теория тектоники плит. Благодаря экспериментам было исследовано внутреннее строение планеты и глубинные процессы. В то же время шло изучение космического вещества. Благодаря новым открытиям, особенно появлению биогеохимии, произошло срастание геохимии с экологией. Это обусловлено, прежде всего, значительным техногенным поступлением элементов в природные среды и их значительной взаимосвязью с органическим миром.

Современная наука

В настоящее время геохимия является одной из ведущих наук о Земле. Она исследует глобальные перемещения вещества и энергии в геологическом пространстве и времени.

Ее основой являются количественные данные о содержании химических элементов в различных объектах, их формах нахождения и состоянии. Теоретическую основу геохимии составляют химические и физические законы поведения вещества в различных термодинамических условиях. К ним относятся правила механики, физической химии, химии газов и водных растворов, физики твердого тела, кристаллохимии, термодинамики.

Исследование в геохимии ведется с использованием системного, комплексного и эволюционного подходов.

Данная дисциплина связана почти со всеми естественно-научными направлениями. Так, получение данных о химическом составе объектов опирается на их геологическую характеристику, а многие из них являются геологическими телами. Это определяет взаимодействие геохимии с науками геологического цикла, такими как петрология, минералогия, учение о полезных ископаемых и т. д. Помимо твердых оболочек, исследуются и прочие компоненты планеты, что обуславливает связь геохимии с географическими науками, а также органический мир, обеспечивая взаимодействие с биологией. Так как предметом рассматриваемой дисциплины являются химические элементы, значительную часть ее составляет химия. Посредством методов изучения геохимия взаимодействует с химическими, геологическими, физическими, математическими науками. Кроме того, данная дисциплина взаимодействует с прочими междисциплинарными науками на стыке названных направлений, такими как геофизика, кристаллохимия и т. д.

Одно из достижений геохимии — классификация элементов Гольдшмита.

Наука включает следующие разделы:

• геохимию изотопов (изучает законы их разделения в геологических процессах),
• физическую геохимию (исследует физико-химические процессы формирования природных тел и оболочек),
• термобарогеохимию (рассматривает физико-химические условия минералообразования),
• геохимию природных процессов (подразделена на геохимию экзогенных и эндогенных процессов),
• атмогеохимию,
• гидрогеохимию,
• биогеохимию,
• органическую геохимию,
• геохимию техногенеза,
• геохимию радиоактивных элементов и изотопов.

Помимо фундаментального значения, геохимические достижения имеют обширное прикладное использование. Во-первых, установленные законы распределения и концентрирования элементов применяют в геологоразведочных работах, а именно при прогнозной оценке территорий, поисках месторождений, оценке оруденения, планировании использования сырья и т. д. Во-вторых, эти же данные используются в экологических работах: в оценке техногенного воздействия, прогнозировании его последствий и разработке мер охраны природной среды.

Предмет, задачи, методы

Предметом рассматриваемой науки являются атомы химических элементов Земли и космического вещества, их распределение и перемещение под воздействием физико-химических процессов.

Геохимия решает следующие основные задачи:

• определение распространенности элементов в пределах планеты;
• исследование их распределения и перемещения в частях Земли с целью выведения на основе этого закономерностей;
• анализ распределения элементов на прочих планетах Солнечной системы и в космосе (космохимия);
• исследование геологических веществ и процессов, производимых организмами (биогеохимия).

Ввиду междисциплинарности в геохимии используются методы смежных наук: геологических, химических, физических и т. д. Так, многие редкоземельные элементы исследовали с применением эмиссионной спектроскопии, для определения кристаллических структур служит рентгеновская дифракция и т. д.

Кроме того, геохимией разработаны собственные методы: локальных и глобальных геохимических констант (кларков), использование единого круговорота вещества (геохимического цикла) с учетом принципиальной роли органического мира для исследования формирования и эволюции земной коры, геохимическое районирование и картирование, датирование, физико-химический анализ минеральных парагенезисов.

Для интеграции практических достижений и теории используют физическое и математическое моделирование.

Образование и работа

Профессии геохимика обучают на специальности Прикладная геохимия, петрология, минералогия, которая весьма распространена. Она предполагает освоение геологических, картографических, инженерных и др. дисциплин и как лабораторные, так и полевые практические работы.

Специальность весьма универсальна, так как позволяет работать в нескольких сферах. Так, выпускники трудятся в научно-исследовательских геолого-геохимических организациях, учебных заведениях высшего и среднего специального уровней, связанных с разведкой и добычей ресурсов учреждениях, государственных службах (Комитет по экологии, Министерство природных ресурсов, МЧС).

Заключение

Геохимия является комплексной наукой о Земле, объединяющей знания о химическом составе всех ее сред и компонентов, а также космического вещества. Благодаря этому она взаимодействует со всеми естественно-научными направлениями, используя их методы, проводя исследования в их сферах и предоставляя данные для их развития. К тому же геохимия имеет прикладное значение, состоящее в использовании ее данных в ресурсодобывающей и экологической сферах.

Источник

Геохимия почв

Геохимические идеи проникли в почвоведение в начале XX века. Основоположниками геохимии почв были В.И. Вернадский и К.К. Гедройц. Почва – верхний горизонт литосферы, вовлечённый в биологи­ческий круговорот при участии растений, животных и микроорганиз­мов, область наивысшей геохимической, энергии живого вещества. Именно в почвах наиболее сосредоточена геологическая работа живого вещества; именно в почвах готовится тот материал континентальных и морских отложений, из которого в дальнейшем образуются новые поро­ды. Но в то же время в почвах сосредоточены и те процессы, совокупность которых обусловливает эволюцию органического мира. Здесь разыгрываются многообразные формы борьбы за существование и прис­пособления организмов к изменяющимся условиям их жизни, создают­ся многообразные сообщества (биоценозы) и формируются новые виды многочисленных низших организмов и высших растений.

Геохимическая сущность почвообразования заключается в разло­жении органических веществ микроорганизмами. Эти процессы интен­сивны во влажных тропиках, слабы в тундре. Разлагая остатки расте­ний и животных, микроорганизмы поставляют в почву растворы CO₂, органические кислоты и другие химические высокоактивные соединения. Чем больше разлагается органического вещества, тем богаче почва химически работоспособной энергией, тем дальше она от равновесия. Почвы – это особо неравновесные, чрезвычайно динамичные биокосные системы.

Корни растений, как насос, «перекачивают» элементы из нижних горизонтов почвы в верхние. Это относится к P, S, Ca, K, многим микроэлементам. В результате такой биогенной аккумуляции создаётся возможность обогащения этими элементами верхних гори­зонтов почв, улучшения среды существования растений. Биогенное на­копление Be, Co, Ni, Zn, Ge, As, Cd, Sn и других редких элементов в гумусовом горизонте лесной почвы впервые обнаружил в 30-х годах В.М. Гольдшмидт. Позднее эти явления были установлены и в других почвах. Поглощая катионы, корни выделяют H + , а погло­щая анионы – ОН — . Возможно, что в результате минерального питания растений в почву непрерывно поступает H + – важный фактор выветри­вания.

Наряду с биогенной аккумуляцией, направленной снизу вверх, в почвах наблюдается и нисходящая миграция водных растворов. Поэто­му реальное распределение элементов в почвах определяется не толь­ко биогенной аккумуляцией, но и выщелачиванием. В результате почва расчленяется на горизонты с особыми физико-химическими условиями. Имеются почвы, в которых верхний горизонт кислый, нижний – щелоч­ной, в верхнем горизонте господствует окислительная среда, в ниж­нем – восстановительная и т. д.

Таким образом, почвообразование приводит к дифференциации элементов – однородная горная порода превращается в неоднородный почвенный профиль со многими горизонтами. Поэтому в почве накапли­вается не только энергия, но и информация.

Разложение органических веществ – это окислительно-восстановительный процесс, так как C, H и другие элементы, входящие в состав органических соединении, при их разложении окисляются до простых минеральных соединений, а главный окислитель O₂ восстанавливается. Окислителями и восстановителями могут быть и Fe, Mn и другие элементы, но суть процесса от этого не меняется. С гео­химических позиций сущность почвообразования состоит в окислитель­но-восстановительных реакциях. Поэтому и главные различия между почвами связаны с этими реакциями. Для всех почв характерна окис­лительно-восстановительная зональность, которая наиболее наглядна, когда в почве окислительная обстановка сменяется восстановитель­ной, – глеевой или сероводородной.

Геохимический анализ почвообразования позволяет выделить три основных ряда почв. Почвы первого ряда – с окислительной обстанов­кой. Они образуются там, где атмосферный воздух легко проникает в почву, где глубоко залегают грунтовые воды. Это горные почвы, мно­гие водораздельные почвы равнин. К ним относятся чернозёмы, крас­нозёмы, каштановые почвы, бурозёмы, большинство почв пустынь и т.д. Почвы второго ряда – с глеевой обстановкой распространены на заболоченных равнинах в районах влажного климата. В глеевых поч­вах часто содержится растворимое органическое вещество, в том числе различные органические кислоты, которые образуются при не­полном окислении растительных остатков. Почвы третьего рода – с восстановительной сероводородной обстановкой распространены не столь широко. К ним относятся многие солончаки и некоторые дру­гие почвы. В пределах рядов выделяются чернозёмные, подзолистые, бурые лесные, коричневые, серозёмные, краснозёмные и другие типы почв. Размещение их подчиняется климатической зональности. Типы почв – это, прежде всего, типы разложения органических веществ, ти­пы биогенной аккумуляции химических элементов, типы окислительно-­восстановительной зональности.

Илы.

В.И. Вернадский писал, что ил – это природное тело, аналогичное почве, где гидросфера занимает место атмосферы. Как и поч­вы, илы – неравновесные динамические биокосные системы, богатые свободной энергией. Сущность илообразования заключается в разло­жений органических веществ, в окислительно-восстановительных реак­циях. И для илов характерен профиль, расчленяющийся на горизонты, окислительно-восстановительная зональность, геохимические барьеры. Однако в отличие от почв илы растут снизу вверх и, следовательно, не имеют «материнской природы». Для них характерно, постоянное увлажнение. В образовании илов, как правило, не принимают участие, высшие растения. Всё это определяет меньшее разнообразие илов, их большую однородность в пространстве. Выделяют три ряда илов. Окис­лительные илы образуются в океанах, морях, озёрах и реках – всюду, где господствуют кислородные воды, создаются условия для переме­шивания вод. В морях и океанах окислительная среда характерна для. прибрежных песков, зоны волнений, а также для больших глубин, где мало органических остатков, а холодная вода богата растворённым O₂. Около 50% дна Тихoгo океана покрыто красной глубоководной глиной, ко­торая осаждается на глубинах более 4500 м с очень малой скорос­тью (за 1000 лет образуется лишь несколько миллиметров ила). Окис­лительные илы имеют преимущественно жёлтую, бурую, красную окрас­ку, обусловленную гидроксидом трёхвалентного железа.

Глеевые илы особенно характерны для озёр районов влажного климата. Здесь разлагается много органического вещества, сульфатов в водах мало. В результате развивается глеевая обстановка, Fe 3+ , Mn 4+ восстанавливаются, илы приобретают сизую, зеленоватую, се­рую окраску. В глеевых илах не хватает O₂ дляокисления органи­ческих веществ, их разложение замедляется. В лесной зоне постепен­но на дне накапливается «гнилой озёрный ил». Он богат органическими соединениями (до 29%), среди которых обнаружены витамины и дру­гие биологически активные вещества. Он используется как удобрение, подкормка для животных (белок, витамин В₁₂), как лечебная грязь.

Сероводородные (сульфидные) илы широко распространены в мо­рях и океанах, озёрах степей и пустынь, где преобладают сульфат­ные воды, развивается десульфуризация, продуцируется HgS, обра­зуются сульфиды железа. Илы имеют серый, чёрный и синеватый цвет (за счёт сульфидов). Сульфидные илы солёных озёр степей и пустынь представляют большую ценность в бальнеологическом отношении и ис­пользуются как лечебные грязи. Процессы превращения ила (осадка) в осадочную породу называются диагенезом.

Источник