Некоторые результаты исследования геохимической подвижности макроэлементов в торфяных залежах

УДК 622.331:553.97:550.83/84

Мокроусова И.В.

Мокроусова Ирина Владимировна, к. г.-м. н., доцент кафедры геологии, переработка торфа и сапропеля Тверского государственного технического университета (ТвГТУ). Тверь, Академическая, 12.

Лаптева С.Б.

Лаптева Светлана Борисовна, старший преподаватель кафедры ГПТС ТвГТУ

Mokrousova I.V.

Mokrousova Irina V., PhD, Associate Professor of the Chair of Geology, Peat and Sapropel Processing of the Tver State Technical University (TSTU). Tver, Academi-cheskaya, 12.

Lapteva S.B.

Lapteva Svetlana B., Senior lecturer of the Chair of Geology, Peat and Sapropel Processing, TSTU.

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЕОХИМИЧЕСКОЙ

ПОДВИЖНОСТИ

МАКРОЭЛЕМЕНТОВ

В ТОРФЯНЫХ ЗАЛЕЖАХ

Аннотация. В работе количественно оценивается подвижность некоторых макроэлементов (кальция, кремния) с геохимических позиций, что позволяет применить эти данные для объяснения процессов аккумуляции и миграции минеральных веществ в торфяных залежах.

SOME RESULTS OF THE INVESTIGATION OF THE GEOCHEMICAL MOBILITY

OF MACROELEMENTS IN PEAT DEPOSITS

Annotation. The work quantifies the mobility of some trace elements (calcium, silicon) from geochemical positions, which allows to apply these data to explain the processes of accumulation and migration of minerals in peat deposits.

Ключевые слова: торф, торфяные отложения, геохимия.

Key words: peat, peat deposits, geochemistry.

Процессы аккумуляции и рассеяния химических элементов в геосфере Земли тесным образом связаны с их миграцией, обусловленной как внутренними (связанными со свойствами самих элементов), так и внешними (^ Р, рН, Еh и т. д.) факторами. Миграция элементов в биосфере осуществляется при активном участии живых организмов, на огромную геохимическую роль которых впервые указал В.И. Вернадский [1, 2].

Торфяные месторождения как продукт биосферы заключают в себе большие запасы органического вещества и, являясь очагами проявления активных биохимических процессов, представляют благоприятную среду для миграции многих химических элементов.

Поведение различных химических элементов в торфяных залежах, формы их аккумуляции и миграции, тесным образом связанные с геохимической подвижностью элементов в своеобразной физико-химической обстановке торфяных месторождений, до настоящего времени являются недостаточно изученными, особенно это относится к химическим элементам неорганической части торфа [3-6].

Изучение форм аккумуляции и миграции химических элементов в торфяных залежах тесно связано с необходимостью исследования их геохимической подвижности [7, 8].

Для оценки подвижности исследуемых химических элементов в торфяных залежах изучались месторождения верхового и низинного типов Тверской области. Пробы торфа отбирались по генетическим горизонтам торфяных залежей в пунктах, расположенных в различных участках торфяного месторождения, обычно на окраине и в центральной части, чтобы иметь возможность сравнения. В пробах торфа определялось общее содержание элементов и их подвижные формы - содержание элементов в водных и кислотных вытяжках из торфа. Проведение сопряженных анализов по

содержанию химических элементов в торфах (валовые - подвижные) позволило определить их относительную подвижность в торфяных залежах. На содержание исследуемых элементов анализировалось также поверхностная вода торфяных месторождений. Определение содержания кальция и кремния в воде и в водных вытяжках из торфа проводилось по общепринятой методике анализа природных вод [9].

Для суждения о миграционной способности исследуемых элементов, а также для сравнения между собой отдельных элементов по интенсивности водной миграции были рассчитаны коэффициенты их водной миграции (Кх) по А.И. Перельману [10, 11]. В качестве примера приводятся результаты исследования по торфяным месторождениям Тверской области Глухое (низинный тип залежи) и Локотенское (верховой тип залежи).

Анализ полученных данных показывает, что миграционная способность исследованных элементов изменяется по глубине и площади торфяного месторождения и различна в разных типах торфяных залежей [12, 13].

Кальций относится к легкоподвижным элементам зоны гипергенеза, коэффициент водной миграции КСа = п. Наиболее благоприятны для миграции кальция природные воды с рН < 6 [14].

Миграционная способность кальция в поверхностных водах исследованных торфяных месторождений составляет 0,12-0,7 (табл. 1), что объясняется, по-видимому, малым содержанием его в водном растворе: растворимый кальций активно поглощается из воды расте-ниями-торфообразователями, а затем после их разложения частично закрепляется в торфе.

Внутризалежная миграционная способность кальция на верховом торфяном месторождении увеличивается в несколько раз по сравнению с его миграцией в поверхностных водах. Такое явление, вероятно, связано с обратимым характером поглощения кальция тор-

Тип торфяного месторождения Время и место отбора рн Са, мг/л КСа Si, мг/л Ksi

Низинный Май, окраина центральная зона 5,5 6,0 38,8 34,0 0,7 0,6 4,8 3,8 0,12 0,14

Верховой Ноябрь, окраина 4,5 0,8 0,1 2,0 0,03

Таблица 1. Содержание макроэлементов в поверхностной воде торфяного месторождения «Глухое»

и коэффициенты их водной миграции

Table 1. The content of macroelements in the surface water of the peat deposit Glukhoye and the coefficients

of their water migration

фами в условиях кислой реакции среды (рН < 4). Наблюдается увеличение миграционной способности кальция в отдельных горизонтах торфяной залежи, представленных комплексным, пушицево-сфагновым, сосново-сфагно-вым видами торфа (табл. 2). Водорастворимые формы кальция удерживаются, по-видимому, ископаемыми остатками сфагновых мхов, которые наследуют высокую поглотительную способность от живых растений.

Низким коэффициентом водной миграции кальция характеризуется сосновый торф ^ = 55%), где практически КСа = 0. Подвижный кальций, вероятно, закрепляется в этом торфе в обменной форме.

В низинной торфяной залежи миграционная способность кальция меньше, чем в верховой. Этому способствует большая емкость поглощения торфов высокой степени разложения в условиях слабокислой реакции среды (рН = 5,9-6,4, табл. 3).

Количество водорастворимых форм кальция по слоям торфяной залежи составляет, в основном, десятые доли процента от общего содер-

жания, в то время как в верховых видах торфа водорастворимого кальция находится до 22,1%.

Намечается тенденция уменьшения подвижности кальция с увеличением степени разложения и зольности торфа (в древесном, древесно-тростниковом видах). Вероятно, с увеличением зольности, когда в составе золы преобладают зерна кварца, уменьшается обменная емкость поглощения торфа. Некоторое увеличение подвижности кальция наблюдается в верхнем горизонте торфяных залежей у окраин.

Кремний относится к слабоподвижным водным мигрантам с коэффициентом водной миграции в ландшафте Кя = 0, п [4]. Наиболее благоприятными для водной миграции подвижных форм этого элемента являются сильнокислые или щелочные воды.

В целом, исследованные торфяные залежи бедны подвижными формами кремния. Поведение этого элемента внутри торфяной залежи определяется в большей степени минеральной частью торфа и зависит от ее минерального состава и величины зольности. Вероятно, кремний представлен в этих залежах, в основном,

Таблица 2. Изменение содержания подвижных форм кальция и кремния по глубине верховых торфяных залежей

Table 2. Change in the content of mobile forms of calcium and silicon in the depth of the upper peat deposits

Н, м Строение залежи R, % А, % рН в выт. 1n КС1 Са, подвижный (в водной вытяжке), мг/100 г абс. сух. торфа КСа Si, подвижный (в водной вытяжке), мг/100 г абс. сух. торфа Ksi

Окраина

0,25 Комплексный 10 1,9 3,5 15,0 1,2 2,7 0,3

0,50 Пушицево-сфагновый 30 3,3 3,4 10,0 2,7 4,4 0,2

0,75 Комплексный 25 3,4 3,4 15,5 4,5 4,0 0,3

1,00 Сосново-сфагновый 45 3,0 3,5 15,0 1,5 4,2 0,3

1,25 Сосново-пушицевый 50 3,4 3,5 14,0 0,7 2,6 0,3

1,50 Сосново-сфагновый 50 1,1 3,5 23,0 0,6 4,0 0,4

1,75 Сосновый 55 4,0 3,5 0,0 0,0 2,0 0,2

2,00 Древесно-сфагновый переходный 40 1,5 5,1 10,0 0,3 1,0 0,1

Центральная зона

0,25 Комплексный 10 2,1 3,4 10,0 1,4 0,8 0,1

0,50 Пушицево-сфагновый 40 2,8 3,4 0,5 0,5 0,0 0,0

0,75 Сосново-сфагновый 45 2,2 3,5 0,5 0,4 4,0 0,2

1,00 Сосново-пушицевый 50 2,3 3,5 0,5 0,5 1,5 0,1

1,25 Сосново-сфагновый 50 2,2 3,5 10,5 1,1 1,2 0,3

1,50 Пушицевый 45 2,2 3,6 10,0 0,3 0,0 0,0

1,75 Шейхцериево-сфагновый 35 1,5 3,6 10,0 0,8 3,1 0,7

2,00 Древесный переходный 45 2,3 4,5 20,0 0,7 2,0 0,2

2,25 Шейхцериевый переходный 35 3,7 4,5 10,0 1,2 2,6 0,4

Таблица 3. Изменение содержания подвижных форм кальция и кремния по глубине низинных торфяных залежей

Table 3. Change in the content of mobile forms of calcium and silicon in the depth of eutrophic peat deposits

Н, м Строение залежи R, % А, % рН в выт. 1n КС1 Са, подвижный (в водной вытяжке), мг/100 г абс. сух. торфа КСа Si, подвижный (в водной вытяжке), мг/100 г абс. сух. торфа Ksi

Окраина

0,10 Древесно-осоковый 40 18,6 6,1 140 1,4 1,8 0,2

0,25 Древесно-осоковый 45 17,3 6,0 80 1,2 1,4 0,1

0,50 Древесный 50 14,8 5,9 40 0,5 0,8 0,2

0,75 Древесный 55 14,9 6,0 10 0,1 1,4 0,8

1,00 Древесно-осоковый 50 16,2 6,1 40 0,6 1,2 0,6

1,25 Древесный с примесью кварцевого песка - 54,9 6,3 10 0,2 1,2 0,1

Центральная зона

0,10 Древесно-осоковый 45 19,5 6,2 5,0 0,1 2,2 0,4

0,25 Древесно-осоковый 45 13,9 5,9 25,0 0,2 1,0 0,2

0,50 Древесно-тростниковый 50 13,4 5,8 20,0 0,6 0,2 0,3

0,75 Тростниковый 50 14,1 5,9 20,0 0,3 0,8 0,5

1,00 Древесно-тростниковый 50 12,5 5,9 15,0 0,2 0,5 0,5

1,50 Древесно-тростниковый 55 9,8 6,0 20,0 0,3 1,5 2,1

1,75 Древесный 60 11,1 6,2 10,0 0,2 2,0 2,1

2,00 Древесно-тростниковый 55 10,4 6,2 10,0 0,1 1,6 2,0

2,25 Древесно-тростниковый 55 12,1 6,2 10,0 0,2 1,2 0,8

инертной формой. Не исключено нахождение кремния в биогенной форме, не переходящей в водный раствор.

Миграционная способность кремния в поверхностных водах исследованных торфяных месторождений характеризуется коэффициентами водной миграции, равными 0,03-0,14 (табл. 1). Подвижность кремния внутри торфяной залежи верхового типа выше в несколько раз, чем на ее поверхности (табл. 2). Наибольшим коэффициентом водной миграции кремния характеризуется шейхцери-ево-сфагновый торф. Пушицево-сфагновый и пушицевый виды торфа практически не содержат подвижных форм кремния, переходящих в водную вытяжку. Содержание кремния в водной вытяжке верховых торфов составляет от десятых долей до 2% от общего количества.

Торфяная залежь низинного типа характеризуется более контрастными значениями коэффициентов водной миграции кремния по глубине (табл. 3).

Наблюдается увеличение подвижности этого элемента в древесно-тростниковом и древесном видах торфа, характеризующихся

высокой степенью разложения ^ > 50%) и низкой зольностью (А > 12%). Коэффициент водной миграции кремния в этой части торфяной залежи Кя = 2. По-видимому, в данном случае органическое вещество торфа на подвижность кремния оказывает влияние в большей степени, чем его минеральная составляющая.

Более высокое содержание подвижных форм кремния в торфяной залежи верхового типа (как абсолютное, так и относительное) связано с невысокой зольностью торфов и более кислой реакцией среды. В низинной торфяной залежи в условиях слабокислой реакции среды и повышенной зольности слагающих торфов кремний является более инертным элементом. В целом интенсивность водной миграции кремния ниже по сравнению с кальцием.

Анализ полученных данных позволяет сделать следующее заключение. Миграция элементов кальция и кремния в торфяных залежах изученных торфяных месторождений имеет свои особенности по сравнению с их миграцией в других объектах биосферы.

Миграционная способность их различна в разных типах торфяных залежей и изменяется

по глубине и площади торфяных месторождений. В целом в верховых торфяных залежах по интенсивности водной миграции изученные элементы более подвижны, чем в низинных.

Изменение подвижности макроэлементов по глубине и площади торфяных месторождений обусловлено стратиграфическими особенностями торфяных залежей, различной емкостью поглощения слагающих видов торфа, связанной со степенью разложения, зольностью, характером и прочностью связи элемента с органической составляющей торфа при определенных щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных условиях среды. Внутризалежная миграция элементов в торфяных месторождениях, богатых органическими коллоидами, осуществляется, по-видимому, в большей степени в виде коллоидных систем, о чем свидетельствуют невысокие коэффициенты водной миграции изученных элементов. В стратиграфических горизонтах торфяных залежей, представленных видами торфа высокой степени разложения, подвижные формы кальция закрепляются обменно. Для таких пластов торфяных залежей коэффициенты водной миграции кальция и кремния низки и практически равны 0.

Низкая геохимическая подвижность элементов в поверхностных водах исследованных торфяных залежей обусловлена жизнедеятельностью микроорганизмов и растительного покрова торфяных месторождений, вследствие чего эти элементы активно участвуют в биогенной миграции.

Вопрос о геохимической подвижности химических элементов в торфяных залежах требует дальнейшего изучения и представляет интерес с практической точки зрения при использовании торфяных месторождений в народном хозяйстве.

Библиографический список

1. Ферсман А.Е. Геохимия. Т. 1. - Л.: ОНТИ, 1934. - 324 с.

2. Вернадский В.И. Биогеохимические очерки. - М.-Л.: Изд. АН СССР, 1940. - 250 с.

3. Шарафутдинов Р.А. Дифференциация химических элементов в надпойменных торфяниках и минералогический состав торфа в различных частях речной долины // Болота и биосфера: Мат. пятой научной школы (Томск, 11-14 сентября 2006 г.). -Томск, 2006. - С. 278-283.

4. Крештапова В.Н. Изучение содержания редких и рассеяных элементов в торфя-

ных месторождениях Европейской части РСФСР [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук: спец. 314 - Разработка торф. месторождений / Калининский политехн. ин-т. -Калинин [б. и.], 1969. - 22 с.

5. Ларгин И.Ф. Основные геохимические и гидрогеологические показатели естественных торфообразующих фитоценозов // Физико-химия торфа и сапропеля, проблема их переработки и комплексного использования: Мат. 7-й Междунар. н.-т. конф. 31 мая-2 июня 1994. Ч. 1. - Тверь, 1994. - С. 8-9.

6. Ларгин И.Ф. Исследование состава вод естественных и осваиваемых торфяных месторождений [Текст]: доклад на 5-м междунар. конгрессе по торфу. Познань. Польша 21-25 сентября, 1976 г. - М. [б. и.], 1978. -12 с.

7. Ларгин И.Ф., Приемская С.Е. К вопросу об аккумуляции и геохимической подвижности микроэлементов в торфяных залежах Калининской области. Тезисы докладов VI Всесоюзного совещания по микроэлементам, Т. 1. - Наука, 1970. - С. 98.

8. Ларгин И.Ф. Качественные показатели торфяных залежей в зависимости от их гидрогеологических условий залегания // Природа болот и методы их исследования: Сборник. - Л.: Наука, 1967. - С. 169-173.

9. Инишева Л.И., Езупенок Е.Э., Инишев Н.Г. Макро- и микроэлементный состав болотных вод Западной Сибири // VI Всероссийский гидрологический съезд. - СПб., 2004. -С. 80-82.

10. Перельман А.И. Геохимия элементов в зоне гипергенеза. - М.: Недра, 1972. - 288 с.

11. Ларгин И.Ф., Приемская С.Е., Трошичева Т.В., Мокроусова И.В. К вопросу геохимии некоторых макро- и микроэлементов в биосфере. В сборнике «Исследование торфяных месторождений». - Калинин: КГУ, 1979. - С. 79-99.

12. Пичугин А.В. Водно-минеральное питание торфяных месторождений [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / Моск. торф. ин-т. - М. [б. и.], 1945. - 214 с.

13. Ковалев В.А. Болотные минерально-геохимические системы [Текст] / Ин-т геохимии и геофизики. - Минск: Наука, 1985. - 320 с.

14. Архипов В.С. Распределение кальция в торфяных залежах Центральной части Западной Сибири / Архипов В.С., Бернато-нис В.К. // Почвоведение. - 2006. - № 3. -С. 293-303.