CC BY
18УДК 622.331:553.97.042
Мокроусова И.В.
Мокроусова Ирина Владимировна, к. г.-м. н., доцент кафедры геологии, переработки торфа и сапропеля Тверского государственного технического университета (ТвГТУ). Тверь, Академическая, 12. [email protected]
Лаптева С.Б.
Лаптева Светлана Борисовна, старший преподаватель кафедры геологии, переработки торфа и сапропеля ТвГТУ Тверь, Академическая, 12. lapteva77@ bk.ru
Mokrousova I.V.
Mokrousova Irina V., PhD, Associate prof., Chair of Geology, Peat and Sapropel Processing of the Tver State Technical University. Tver, Academicheskaya, 12.
Lapteva S.B.
Lapteva Svetlana B., Senior lecturer, Chair of Geology, Peat and Sapropel Processing of the Tver State Technical University.
ИССЛЕДОВАНИЕ
БИОГЕННОЙ
АККУМУЛЯЦИИ
ХИМИЧЕСКИХ
ЭЛЕМЕНТОВ
В ТОРФЯНЫХ
МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
РАЗЛИЧНОГО
ГЕОЛОГИЧЕСКОГО
ОКРУЖЕНИЯ
Аннотация. Приведены предварительные результаты изучения биогенного накопления кремния, кальция, алюминия, железа, фосфора, серы, меди, цинка, и марганца в низинной торфяной залежи торфяных месторождений Тверской области. Рассчитаны коэффициенты аккумуляции для дернины, корнеобитаемого 0,10 м слоя, а также для верхнего (0,5 м) и придонного горизонтов.
Ключевые слова: геохимия органического вещества, торфяное месторождение, торф.
INVESTIGATION OF BIOGENIC ACCUMULATION OF CHEMICAL ELEMENTS IN PEAT DEPOSITS OF DIFFERENT GEOLOGICAL ENVIRONMENT
Annotation. Preliminary results of the study of biogenic accumulation of silicon, calcium, aluminum, iron, phosphorus, sulfur, copper, zinc, and manganese in the low-moor peat deposits of the Tver Region are presented. The accumulation coefficients for the sod, root layer 0.10 m, as well as for the upper (0.5 m) and bottom layers are calculated.
Key words: geochemistry of organic matter, peat deposit, peat.
Распределение химических элементов по глубине торфяных залежей связано со многими факторами, включающими как свойства генетических пластов торфа А, виды торфа), так и условия среды (рН, химический состав и др.).
На распределение элементов в верхних горизонтах торфяных залежей большое влияние оказывает растительный покров.
Содержание различных химических элементов в растениях зависит не только от их физиологической потребности, но и от кларков этих элементов в литосфере (почвах), их подвижности в конкретной геохимической обстановке. Часто подвижность химических элементов, т. е. способность в определенных условиях создавать растворимые формы и переходить в раствор, оказывает существенное влияние на его содержание в растениях. С жизнедеятельностью растений-торфообразователей связана биогенная аккумуляция различных химических элементов в торфяных залежах.
Вопросы аккумуляции и миграции веществ в торфяных почвах, главным образом кальция и железа, рассматриваются в работах Ефимова В.Н. [1], причем за основу брался метод сравнения состава торфа и торфообразователей.
В настоящей работе приведены предварительные результаты изучения биогенного накопления кремния, кальция, алюминия, железа, фосфора, серы , меди, цинка и марганца в низинной торфяной залежи торфяных месторождений Тверской области путем изучения накопления по глубине торфяной залежи.
Одно торфяное месторождение залегает в условиях моренного рельефа и имеет гли-
нистое окружение, другое залегает в аллювиальных песках. Исследовались они по трем пунктам бурения через 0,25 м; верхний кор-необитаемый 0,10 м и дернина отбирались и изучались отдельно.
Все отобранные образцы анализировались на содержание элементов химическим методом.
Были рассчитаны также коэффициенты относительного накопления химических элементов по глубине для верхних (0,5 м) и придонного горизонтов путем деления содержания элементов в верхнем слое залежи на содержание их в средней части, исключая придонные горизонты с повышенной зольностью.
В табл. 1 приведена геохимическая характеристика исследуемых элементов по их содержанию в литосфере (К), подвижности (Кх), и КПБ в ландшафте по А.И. Перельману [2].
Из исследованных элементов сера и кальций являются самыми подвижными в ландшафте по степени водной миграции (обладают самыми высокими коэффициентами миграции), Fe, Мп подвижны в восстановительных условиях, где мигрируют в двухвалентной форме. Си и подвижны в кислой и слабокислой среде, Si и Р - слабоподвижные элементы, А1 относится к группе очень слабоподвижных и инертных элементов.
Биофильность по КПБ этих элементов выражена по-разному: Р, S - это элементы очень интенсивного накопления, Si, А1, Fe - очень слабого накопления.
Анализ результатов изучения содержания и распределения химических элементов в
Таблица 1. Геохимическая характеристика некоторых элементов
Table 1. Geochemical characteristics of some elements
Элемент Кларк в литосфере, (I) Коэффициент водной миграции Кх Коэффициент биологического поглощения КПБ Кларк-концентрация КК (в торфе) КПБ-залежь с глинистым окружением
1 2 3 4 5 6
Si 2,95 0,п-п 0,51 0,3 0,5-1,8
Al 8,05 0,п-0,0п 0,17 0,2-0,3 0,3-0,8
Fe 4,65 0,п-п 0,25 0,3-1,05 0,8-1,4
Ca 2,96 п-10п 5,0 2,92 0,9-1,3
Mn 1,0 • 10-1 0,п-п 7,5 0,6 2,9-4,7
P 9,3 • 10-2 0,п-п 37,6 7,5 1,6-2,0
S 4,7 • 10-2 п-10-п-100 53 10,6 0,9-1,3
Zn 8,3 • 10-3 0,п-п 10,8 0,2 2,2-4,6
Cu 4,7 • 10-3 0,п-п 4,2 0,4 0,3-0,6
залежи с глинистым окружением позволяет говорить о различной степени относительной биогенной аккумуляции разных элементов в различных горизонтах торфяной залежи по глубине (табл. 2).
Дернина. Наиболее биофильными элементами являются марганец и цинк (Как > 2), в меньшей степени аккумулируются фосфор и сера, хотя в ландшафтах последние относятся к элементам очень интенсивного накопления (марганец же и цинк - элементы интенсивного и среднего накопления). По-видимому, имеет значение увеличение подвижности цинка и марганца в условиях слабокислой среды низинных торфяных месторождений.
Коэффициенты аккумуляции Si, Са, Fe колеблются от 0,5 до 1,8. Следует отметить меньшую по сравнению с другими ландшафтами активность кальция.
Слабая биогенная аккумуляция отмечена для меди и алюминия, которые попадают в одну группу. Вероятно, подвижность меди здесь уменьшается.
Корнеобитаемый слой 0,1 м. В этом слое следует отметить накопление марганца (Как до 5), кремния (Как до 4), фосфора (Как < 5) и обеднение цинком (Как < 1,8) по сравнению с дерниной. Медь по-прежнему ассоциируется с алюминием с Как < 1. Содержание кальция, железа, серы изменяется мало. В этом слое накопление элементов происходит не только
за счет биогенной аккумуляции, но и за счет приноса поверхностными водами и атмосферными осадками.
Горизонт 0,25 м. В этом горизонте накапливаются Fe, Мп, Р (Как > 1) по сравнению с другими элементами. Следует отметить накопление алюминия. Аккумуляция меди слабая.
Горизонт 0,5 м. В этом горизонте наблюдается накопление Мп и Са (Как > 1), алюминия, вынос серы, фосфора, цинка.
Придонный горизонт. Анализ содержаний химических элементов в придонном слое торфяной залежи (с А > 30%) позволяет сделать вывод о накоплении ряда элементов в минеральной части торфа, представленной в основном глинистыми минералами.
Особо заметно накопление кремния, затем железа и алюминия. Слабо накапливается марганец, медь, кальций, сера.
Сравнение содержаний химических элементов в отдельных горизонтах торфяной залежи по глубине позволяет говорить об их различном распределении. Элементы активного биогенного накопления (в дернине) Мп, 2п, Р, S, являющиеся подвижными, в придонных слоях с повышенной зольностью имеют низкое содержание. Для этого горизонта более характерно накопление слабых мигрантов - Si, Fe, А1, поэтому ряды относительной аккумуляции существенно изменяются. Это позволяет указать на значительно меньшую степень их
Таблица 2. Коэффициенты аккумуляции химических элементов в торфяной залежи моренного рельефа (в убывающем порядке)
Table 2. The accumulation coefficients of chemical elements in the peat deposits
of the moraine relief (in descending order)
Характеристика генетического горизонта и глубина, м Коэффициент аккумуляции Как
Дернина 2 < Как < 5 1 < Как < 2 0,5 < Как < 1,8 0,3 < Как < 1
Mn > Zn P > S Si > Са к Fe Cu К Al
0,1 Древесно-осоковый R = 30-40%; А = 11,3-17,4% 0,4 < Как < 5 0,5 < Как < 4 0,4 < Как < 3 0,5 < Как < 2 0,3 < Как < 1
Mn Si P S > Fe > Zn > Ca Al к Cu
0,25 Древесно-осоковый R = 30-45%; А = 10,9-21,5% 1 < Как < 3 1 < Как < 2 0,4 < Как < 3 0,7 < Как < 2 0,5 < Как < 1
Fe > Mn Р Si Al > Са > S > Zn Cu
0,5 Древесно-осоковый R = 35-45%; А = 10,8-18,4% 1 < Как < 3 1 < Как < 2 0,7 < Как < 3 0,2 < Как < 2 0,8 < Как < 2 0,6 < Как < 1,5 0,3 < Как < 1,5 Как = 0,7-1,0
Mn Са Fe Si Al P S Zn Cu
Придонный горизонт Древесный А = 38,8-54,5% 4 < Как < 16 2 < Как < 4 2 < Как < 3 1,4 < Как < 2 0,9 < Как < 2 0,7 < Как < 2
Si > Fe > Al > P > Zn > S Mn К Cu > Са
биогенной аккумуляции по сравнению с марганцем, цинком, серой.
Самым биофильным элементом в торфяной залежи является марганец, последними членами ряда являются медь и алюминий.
Степень биогенной аккумуляции и зависимость накопления от состава минеральной части позволяет судить об относительной подвижности исследованных элементов в торфяной залежи.
Для сравнения проводились исследования на торфяном месторождении, залегающем на аллювиальных песках.
Дернина. Как и в залежи с глинистым окружением, самыми биофильными элементами являются марганец и цинк (Как от 1 до 11). Причем следует отметить широкий диапазон колебаний коэффициентов относительной аккумуляции. По-видимому, эти элементы обладают большей подвижностью в торфяной залежи на аллювиальных песках. Значительная аккумуляция наблюдается для кремния (Как > 2), причем более высокая, чем в условиях моренного рельефа, что, вероятно, в определенной степени обусловлено большим валовым его содержанием. Более подвижным здесь является железо. Такие подвижные в ландшафтах элементы, как фосфор и сера, по степени относительной аккумуляции располагаются на последних местах (табл. 3). Алюминий и медь занимают промежуточное положение.
Корнеобитаемый слой 0,1 м. В этом слое происходит накопление марганца, кремния (Как < 2,5) по сравнению с дерниной. Содержание железа, кальция почти не изменяется, а фосфора, меди и серы уменьшается по сравнению с дерниной. Очевидно, цинк, фосфор и сера в условиях слабокислой реакции среды лучше усваиваются растениями. Накопление же марганца, кремния, алюминия можно объяснить за счет привноса их водами поверхностного стока и атмосферными осадками в виде коллоидов и механических взвесей, а марганца и за счет биогенной аккумуляции.
Горизонт 0,25 м. Этот горизонт характеризуется накоплением кремния (Как до 19), в меньшей степени марганца и алюминия. Происходит обеднение цинком (по сравнению с корнеобитаемым слоем), в содержании железа, фосфора, кальция заметных изменений не происходит. Аккумуляция серы и меди по-прежнему слабая.
Горизонт 0,5 м. Отмечается слабое накопление алюминия и марганца; обеднение кальцием и железом; вынос цинка, фосфора, серы, меди (Как < 1), в значительной степени - кремния (КаК < 0,7).
Придонный горизонт. В этом горизонте (с А > 50%) интенсивно идет накопление кремния и алюминия, по-видимому, связанное с минеральной песчаной фракцией (Как > 13), в меньшей степени кальция и железа и обедне-
Таблица 3. Коэффициенты аккумуляции химических элементов в торфяной залежи на аллювиальных песках
Table 3. The accumulation coefficients of chemical elements in peat deposits on alluvial sands
Характеристика генетического горизонта и глубина, м Коэффициент аккумуляции, Как
Дернина 1 < Как < 11 2 < Как < 7 1 < Как < 2 0,3 < Как < 3
Mn > Zn Si Fe Al > Си > Са > P > S
0,1 Древесно-осоковый R = 40%; А = 14,3-21,5% 1 < Как < 19 0,4 < Как < 8 0,8 < Как < 3,8 0 « Как < 2,5 0,5 < Как < 1,2
Mn > Si Al Fe > Са P > Zn Си > S
0,25 Древесно-осоковый R = 45%; А = 12,8-25% 1 < Как < 19 1 < Как < 4 1,5 < Как < 2,6 0,5 < Как < 2,4 0,3 < Как < 2 0,4 < Как < 1,5
Si Mn Al Fe P > Са Zn > S > Си
0,5 Древесный, древесно-тростниковый, древесно-осоковый R = 35-45%; А = 10,8-18,4% 0,8 < Как < 3 1,8 < Как < 2 0,5 < Как < 1,2 0,7 < Как < 1 0,5 < Как < 0,9 0,4 < Как < 0,7
Al Mn Са > Fe Zn > Р S > Си Si
Придонный горизонт 13 < Как < 57 2,7 < Как < 8 0,3 < Как < 5 0,5 < Как < 2 0,8 < Как < 1,2 0,5 < Как < 0,9 0 к Как < 0,75
Si Al P > Са Си > Fe Mn S Zn
Таблица 4. Коэффициент аккумуляции химических элементов в придонных горизонтах торфяных залежей
Table 4. The coefficient of accumulation of chemical elements in the bottom layers of peat deposits
" ^^Химические элементы Характеристика водосбросных площадей -------- Коэффициент аккумуляции
Si Fe Al P S Zn Mn Cu Ca
Моренный рельеф 15,3 3,2 2,3 1,8 1,1 2,0 1,7 1,6 1,3
Аллювиальные пески 56,7 1,5 1,8 4,5 0,9 0,75 1,2 2,0 5,0
ние, по сравнению с торфяной залежью, марганцем, серой, цинком, медью.
Анализ распределения химических элементов по глубине торфяной залежи (по Как) позволяет отметить следующее: активными элементами биогенного накопления являются (в порядке убывания Как) марганец, цинк, кремний, в некоторой степени железо. Особенно интенсивно идет накопление Мп и Si в горизонте 0,10 м, относительное содержание серы и железа по глубине изменяется мало. Происходит некоторое уменьшение по глубине меди и цинка.
Анализируя данные по содержанию химических элементов в верхних горизонтах торфяных залежей двух исследованных торфяных месторождений, можно отметить некоторое сходство в их распределении в дернине, кор-необитаемом слое. Расположив изученные элементы в порядке убывания наибольших значений их КБП (для дернин) и Как (для слоя 0,1 м), получим соответственно следующие ряды:
В условиях Мп > > Р > Si > Fe > S > Са > моренного А1 > Си
рельефа мп > Si > Р > S > Fe > > Са >
А1 > Си
На аллювиаль- Мп > Si > > А1 > Мп > Fe > S
ных песках Мп > Si > А1 > Fe > Са > Р > > Си > S
Элементами наибольшего биогенного накопления в любых условиях являются мар-
ганец и цинк. Однако порядок величин КБП и Как значительно выше на аллювиальных песках, несмотря на близкие показатели зольности и ботанический состав. Определяющими факторами, по-видимому, являются разные геологические условия залегания торфяных месторождений и, следовательно, различный минеральный состав питающих поверхностных вод, влияющий на формирование зольной части торфяных залежей. В связи с этим имеет значение и различие в степени подвижности химических элементов в условиях различного геологического строения водосборных площадок.
Условия залегания обуславливают ряд других различий в распределении содержаний химических элементов в верхних горизонтах торфяных залежей. Отмечается более значительное накопление слабых мигрантов - кремния и алюминия в дернине и поддернинном слое в аллювиальных песках, по-видимому, за счет большего их содержания, а в условиях моренного рельефа - аккумуляция фосфора и серы.
Сравнения проведены по наибольшим значениям.
Библиографический список
1. Ефимов В.Н. Формы аккумуляции и миграции веществ в болотных почвах // Почвоведение. - 1961. - № 6. - С. 67-77.
2. Перельман А.И. Геохимия элементов в зоне гипергенеза. - Л.: Недра, 1972. - 288 с.
