Ландшафтно-геохимические системы.

Элементарные ландшафтно-геохимические системы (элементарный ландшафт). В геохимии ландшафта 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 вещества, представляет собой геохимически сопряженный ряд – звено (Глазовская, 1964) или катену. Части звеньев, приуроченные к разным элементам форм рельефа (вершинным поверхностям холмов, склонам, депрессиям), соответствуют подурочищам. Для урочищ и местностей, принятых в ландшафтоведении, в геохимии ландшафтов нет аналогов, но сам термин местность, местный геохимический ландшафт употреблялся для обозначения большей или меньшей территории, на которой наблюдается повторение определенных ландшафтных звеньев (катен). В современной литературе – это просто геохимические ландшафты (Гаврилова, 1985). Среди них различают простые и сложные. Простые состоят из одних и тех же звеньев и возникают в условиях однородного состава пород и простого расчленения рельефа. В сложных разные породы и (или) разное расчленение рельефа.

Характерная особенность элементарного ландшафта состоит в том, что в нем нет никаких каких-либо внутренних причин, ограничивающих его размеры. Отсюда А.И.Перельман предложил критерий выделения элементарного ландшафта: при отнесении какого-либо участка земной поверхности к элементарному ландшафту необходимо учитывать возможность (хотя бы мысленную) распространения данного элементарного ландшафта на значительно большей территории. Поэтому, например, пятно солончака размером в 10 кв.м является элементарным ландшафтом, так как известны солончаки размером в десятки и сотни раз  больше.

Наименьшая площадь, на которой размещаются все части элементарного ландшафта, называется площадью выявления. Чем сложнее элементарный ландшафт, чем интенсивнее в нем протекает миграция химических элементов, чем больше в нем информации, т.е. чем больше в нем информации, тем больше и площадь выявления. Поэтому наименьшие площади выявления характерны для пустынь без высшей растительности (шоровые солончаки, такыры), а наибольшие для – для лесных ландшафтов влажных тропиков с их огромным видовым разнообразием (биологической информацией). Площадь выявления – это важная константа, имеющая большое значение для классификации элементарных ландшафтов.

Под мощностью элементарного ландшафта понимается расстояние от его верхней границы до нижней. Верхняя граница находится в тропосфере и определяется зоной распространения пыли земного происхождения (из данного или соседнего ландшафта), обитания организмов. Нижней границей в ряде случаев является горизонт грунтовых вод (включительно). Мощность элементарного ландшафта колеблется в значительных пределах и общем подчиняется тем же закономерностям, что и площадь выявления: чем разнообразней элементарный ландшафт, т.е. чем больше в нем информации и чем она сложнее, тем больше и мощность. Так мощность мала на такыре и велика в экваториальном лесу.

Вследствие миграции химических элементов элементарный ландшафт неоднороден в вертикальном направлении, что создает радиальную геохимическую структуру (ярусы или горизонты), характеризующуюся рядом ландшафтно-геохимических коэффициентов (R-анализ).

Ярусы – это природные тела – надземная часть ландшафта (ярус живого вещества), почва, кора выветривания, водоносный горизонт. В надземной части вертикального профиля элементарного ландшафта выделяется ярус живого вещества. Для этого яруса характерна концентрация элементов-органогенов (углерод, кислород, азот, водород). Их соединения в летучих формах обусловливают специфический состав приземного воздуха. Мощность яруса живого вещества максимальная во влажных тропических лесах, минимальная в водорослевых и лишайниковых сообществах пустынь. Кроме того, ярус живого вещества) также дифференцируется в вертикальном отношении (например, растительный покров состоит из ярусов – ярус мхов и ярус деревьев в тайге и т.д.).

Ниже располагается ярус почв, мощность которого определяется степенью интенсивности почвообразовательного процесса. В пределах этого яруса выделяются почвенные горизонты, которые отличаются содержанием элементов и их сочетанием. В почвенной толще протекают процессы взаимодействия между живыми организмами и органоминеральными соединениями.

Ниже яруса почв расположена порода, где происходят физико-химические процессы, которые носят общее название – процессы выветривания. Этот ярус называется ярусом коры выветривания.

Самый нижний ярус вертикального профиля ландшафта – ярус грунтовых вод. Геохимические особенности процессов, протекающих в этом ярусе, определяются режимом и составом вод и водовмещающих пород, а также составом химических элементов, поступающих из ярусов коры выветривания и почв.

Не все ярусы имеются в каждом элементарном ландшафте. В некоторых из них отсутствует водоносный горизонт (т.е. он находится за пределами ландшафта), в других он совмещен с почвой (поймы, некоторые болота), в третьих кора выветривания совмещена с почвой и т.д. Каждый ярус отличается от другого химическим составом.

К числу морфологических признаков относится и окраска ландшафтов. Окраска – это физическое явление селективного поглощения или отражения кристаллом определенного диапазона электромагнитного излучения в пределах видимой части спектра. Общая окраска ландшафта зависит от наиболее распространенных элементов и минералов, а также от органических соединений. Совокупность ионов кремния придает кварцевому песку прозрачность. Белый цвет почвенных новообразований степных и пустынных ландшафтов объясняется наличием  кальция, натрия (корки солончаков, известковые конкреции). В ярусе почв и коры выветривания преобладают оттенки красного и желтого цвета как результат присутствия трехвалентного железа и гидрофильности его соединений. Зелено-голубой цвет глеевых горизонтов заболоченных почв определяется двухвалентным железом. Оттенки окраски изменяются также в зависимости от степени увлажненности породы. Влажная порода имеет более яркий и темный оттенок по сравнению с аналогичной сухой почвой.

Окраску высших растений (от оранжевой до синей) создают антоцианы, которые содержатся почти во всех растительных тканях.

Однако в научном отношении вопрос окраски ландшафтов почти не разработан, хотя некоторые пути были намечены А.Е.Ферсманом  в книге «Цвета минералов» (1936). Окраски минеральных соединений А.Е.Ферсман разделил на идиохроматические (собственные), аллохроматические (вызванные наличием в кристалле минерала второстепенных элементов – хромоформов, например, титана, железа, марганца и т.д.), псевдохроматичсекие (связанные с интерференционными явлениями).

По условиям миграции химических элементов Б.Б.Полынов (1952) выделил три основных элементарных ландшафта: элювиальный, супераквальный и субаквальный. М.А.Глазовская (1964) дополнила их новыми видами.

Элювиальный элементарный ландшафт приурочен к плоским водоразделам с глубоким уровнем грунтовых вод, не оказывающих заметное влияние на бик. А.И.Перельман предлагает его называть автономным элементарным ландшафтом. Вещество и энергия в этом ландшафте поступают из атмосферы и через атмосферу. Характерны прямые нисходящие водные связи. Слагающие породы по вертикальному профилю могут быть как однородными, так и разнородными. Почвы автоморфные (атмосферного увлажнения). В элювиальных почвах происходит вмывание растворимых веществ и образование иллювиальных горизонтов. Миграция химических элементов по профилю почвы связана с движением почвенной влаги в соответствии с типом водного режима. Здесь идет преимущественно вынос вещества с нисходящими токами влаги. Выносу противостоит активный биологический захват элементов растениями и удержание их в биологическом круговороте. Происходит отбор растительных форм, которые способны существовать в данных условиях. При аридном климате легкоподвижные химические элементы аккумулируются в почве, что приводит к избыточному накоплению солей. По всему вертикальному профилю элювиального элементарного ландшафта идет процесс окисления, который способствует миграции ванадия, молибдена, селена, урана, рения и аккумуляции железа, марганца, кобальта.

Супераквальный (надводный) элементарный ландшафт тяготеет к пониженным элементам рельефа. Грунтовые воды лежат близко от поверхности (как правило, в пределах корнеобитаемого слова). Они влияют на почвы и растительность. Здесь формируются полугидроморфные и гидроморфные почвы, в которых содержание элементов выше, чем в автоморфных. Здесь поселяются растения, приспособленные к избытку влаги и часто (например, галофиты) к избытку определенных химических элементов, привносимых грунтовыми водами. По содержанию химических элементов супераквальный ландшафт богаче за счет частичного привноса их из элювиального ландшафта. В тоже время из супераквального ландшафта химические элементы выносятся грунтовыми и поверхностными водами в субаквальный. Избыток влаги создает условия для восстановления химических элементов и соединений, что способствует миграции железа, марганца, кобальта и аккумуляции ванадия, селена, молибдена, урана. Поступление извне ряда химических соединений оказывает глубокое влияние на интенсивность и направление химических реакций, на внешние формы, анатомию и физиологию организмов, их общую массу. В супераквальных ландшафтах преобладают обратные водные связи.

Субаквальные (подводный) элементарный ландшафт формируется на различных по составу подводных отложениях рек, озер, шельфовой зоны морей и океанов. Для этих ландшафтов характерен привнос материала с твердым и жидким боковым стоком. В отличие от элювиального ландшафта, где происходит постепенное разрушение пород, в субаквальном ландшафте идет отложение и накопление наносов и осадков, которые превращаются в породу. В субаквальных ландшафтах наблюдаются особые жизненные формы растений и животных и местами особые систематические группы. Подводные растения усваивают химические элементы, накапливающиеся в донных отложениях, а при отмирании преобразуются в сапропели – органо-минеральные отложения с высоким содержанием битумов. В этих условиях протекает восстановление химических элементов и соединений, накапливается сероводород. Для субаквальных ландшафтов характерна аккумуляция тяжелых металлов и синтетических органических соединений – результата производственной деятельности человека.

Объем понятий «элювиальный», «супераквальный», «субаквальный» ландшафты в настоящее время несколько изменился. Так, к супераквальным ландшафтам относят верховые болота, хотя они занимают водораздельные поверхности и питаются не грунтовыми, а атмосферными водами.

Продукты выветривания и почвообразования элювиального ландшафта поступают с поверхностным и подземным стоком в пониженные элементы рельефа и влияют на формирование супераквальных и субаквальных ландшафтов. Поэтому последние называются подчиненными. Напротив, элювиальные ландшафты менее зависят от субаквальных и супераквальных ландшафтов, так как не получают от них химических элементов с жидким и твердым стоком. Поэтому элювиальные ландшафты называются также автономными, их почвы и растительность образуют центр всего ландшафта.

Независимость автономных ландшафтов от надводных и подводных весьма условна, так как поймы и водоемы оказывают определенное влияние на ландшафты водоразделов через циркуляцию водяных паров, распространение туманов, перенос ветром различных соединений, содержащихся в воздухе, миграцию флоры и фауны с прибрежных участков на водораздельные и т.д. Поэтому автономность водоразделов понимается в смысле отсутствия поступления жидкого и твердого стока от надводных и подводных ландшафтов. Таким образом, различия между автономными, надводными и подводными ландшафтами заключается в характере аккумулятивных процессов и водных связей: в автономных аккумуляция связана с поступлением веществ из горных пород и атмосферы, а в надводных и подводных еще имеет место поступление из грунтовых и поверхностных вод. Для автономных ландшафтов характерны прямые нисходящие водные связи, для подчиненных – обратные.

Наряду с основными элементарными ландшафтами существуют многочисленные переходные формы, приуроченные к склонам, поймам рек и т.д. Поэтому М.А.Глазовская дополнила классификацию элементарных ландшафтов. Замкнутое понижение водораздела с глубоким уровнем грунтовых вод было названо аккумулятивно-элювиальным ландшафтам. Верхняя часть пологого и крутого склона или выпуклая вершина относятся к трансэлювиальным ландшафтам. В нижней части склона, на делювиальных и пролювиальных отложениях, формируется трансаккумулятивный (элювиально-аккумулятивный) элементарный ландшафт. Супераквальные ландшафты она делит на транссупераквальный, с проточными грунтовыми водами и активным водообменном, и собственно супераквальный ландшафт – с застойными грунтовыми водами замкнутых понижений. Субаквальные ландшафты с проточной водой (река, проточное озеро, море) называются трансаквальными, а с непроточной водой (непроточное озеро) – аквальными.

В поймах выражено сезонное изменение водного режима. В межень миграция элементов осуществляется по типу транссупераквальных ландшафтов, а в половодье по типу – по типу трансаквальных.

Геохимический ландшафт. Элементарные ландшафты образуют связанные между собой образования (ассоциации). Так, в районах со стоком водоразделы, склоны, долины, водоемы – тесно связанные части одного целого, которое Б.Б.Полынов(1944, 1946)  назвал геохимическим ландшафтом. По определению А.И. Перельмана геохимический ландшафт – это парагенетическая ассоциация сопряженных элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией элементов. По К.Г.Раману – это ряд фаций. Геохимический ландшафт может не включать некоторые подчиненные элементарные ландшафты, например, субаквальный, транссупераквальный, трансэлювиальный. Ярусы коры выветривания и почв могут слагать породы монолитные (однородные по составу и генезису) и гетеролитные (разнородные). Примером геохимического ландшафта может служить степной мелкосопочник с соленным озером в понижении и солончаками по берегам этого озера или участок моренного рельефа в таежной зоне, составными частями которого служат холмы, покрытые хвойным лесом, заболоченные понижения, озера и реки. Наибольшее значение для осуществления связей между элементарными ландшафтами составляющими единый геохимический ландшафт, имеет поверхностный и подземный сток. Для характеристики геохимических ландшафтов кроме мощности и площади, а также структуры, окраски и других морфологических признаков выявления введены такие понятия, как геохимическое сопряжение и местный ландшафт. Геохимическое сопряжение представляет собой закономерное для каждого геохимического ландшафта сочетание образующих его элементарных ландшафтов. Или другими словами – это присущий геохимическому ландшафту тип обмена веществ, энергии и информации между элементарными ландшафтами. Различают геохимические ландшафты с совершенным и несовершенным сопряжением (по Н.К.Чертко, 1981).

Морфология геохимических ландшафтов рассматривалась Б.Б. Полыновым (1953)  и М.А.Глазовской (1964). Совокупность элементарных ландшафтов, свойственных определенному геоморфологическому элементу (водоразделу, склону, террасе и т.д.) Б.Б.Полынов предложил именовать местным ландшафтом. Разнообразие литологического состава пород, сочетаний почв, форм рельефа, растительных сообществ усложняет принципы классификации местных ландшафтов.