Кларк концентрации и кларк рассеяния. Коэффициент биофильности

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

Кларк

Кларк – это среднее содержание химического элемента в той или иной вещественной среде (космическом объекте, Земле в целом, литосфере, гидросфере, атмосфере, различных типах горных пород, почв, живом веществе и др.), полученное по данным изучения его естественной вариации. Термин введен в геохимию в 1923 году русским геохимиком и минералогом, академиком А.Е. Ферсманом (1883-1945) в память о Ф.У. Кларке (1847-1931) – американском геохимике, положившем начало статистическому изучению распределения химических элементов в природных объектах (земной коре, природных водах и др.). Различают глобальные, региональные (местные) и локальные кларки химических элементов. Единицами их измерения являются г/т, г/г, мг/кг, %. Анализ значений кларков позволяет понять закономерности распределения химических элементов в природных объектах Земли и доступной нашим наблюдениям части Вселенной.

Содержание различных элементов в земной коре, а, следовательно, и их кларки, меняется в миллиарды раз (на десять математических порядков) (табл. 1). При этом в составе земной коры преобладают одиннадцать химических элементов (О, Si, Al, Fe, Ca, K, Na, Mg, Ti, H, Mn), высокое содержание которых позволяет им образовывать самостоятельные химические соединения – минералы, слагающие горные породы. Эти химические элементы получили название главных элементов (макроэлементов). Остальные элементы с малыми кларками преимущественно распылены, рассеяны среди химических соединений этих элементов, вследствие чего их называют рассеянными (редкими, следовыми, микро-) элементами. Среди них преобладают: P, F, Ba, S, C, Sr, Rb, Cl, Zr, Rb. Условной границей между группами главных и рассеянных элементов в земной коре может служить величина 0, 1%.

О среднем химическом составе гидросферы судят по химическому составу морской (океанической) воды. Ее современный состав представляет собой результат длительных изменений под влиянием жизнедеятельности организмов. В отличие от земной коры, разброс значений кларка элементов в гидросфере выражен сильнее – на уровне пятнадцати математических порядков. К числу главных элементов принадлежат лишь пять – O, H, Cl и Na, на долю которых приходится 99, 67% от массы всех элементов гидросферы. Среди прочих элементов доминируют Mg, S, Ca, K, Br и C (табл. 2).

Подобно химическому составу гидросферы, состав атмосферы Земли в значительной мере обусловлен деятельностью живых организмов. В настоящее время ее газовое вещество на 99, 9% состоит из N, O и Ar. Среди компонентов, содержащихся в малых количествах, выделяются пары воды, инертные газы и соединения, обусловленные биологическими процессами и фотохимическими реакциями (табл. 3).

Кларки химических элементов в живом веществе[1] Земли (табл. 4) получены, исходя из данных об их содержании в организмах высших растений Мировой суши, которые преобладают над другими группами организмов по своей массе. Главные химические элементы в живом веществе – это O, C, H, N, Ca, K, S, Mg и Si (в сумме 99, 04%). Среди других элементов по массе выделяются P, Cl, Na, Al. Таким образом, для большинства химических элементов кларки в живом веществе значительно ниже, чем в земной коре. Большая степень корреляции химического состава живого вещества наблюдается с составами гидросферы и атмосферы, о чем свидетельствует преобладание в живом веществе элементов, образующих на поверхности Земли пары и газы (O, C, H, N).

Таблица 1

Кларки химических элементов в земной коре, весовые % (по А.П. Виноградову, 1962)

Таблица 2

Кларки химических элементов в гидросфере, весовые % (по А.А. Ярошевскому, 1990)

Продолжение табл. 2

Таблица 3

Химический состав атмосферы, объемные % (по Г.В. Войткевичу, 1986)

Таблица 4

Кларки химических элементов в живом веществе, весовые % (по А.А. Ярошевскому, 1990)

Продолжение табл. 4

Материалы и оборудование: калькулятор, миллиметровая бумага формата А4, линейка, простой и цветные карандаши, стёрка, ножницы, клей.

Задание 1.

На миллиметровой бумаге постройте столбчатые диаграммы распределения содержания пяти химических элементов (на выбор) в различных компонентах биосферы (земная кора, гидросфера, атмосфера, живое вещество). Диаграммы вклейте в тетрадь и сделайте вывод о сходстве и различии химического состава компонентов биосферы по анализируемым элементам.

Рекомендации к работе. Для удобства сопоставления значений кларков химических элементов, которые могут различаться между собой на несколько математических порядков, необходимо их прологарифмировать. Тогда на диаграмме по оси «х» указывается наименование химического элемента, а по оси «у» – величина десятичного логарифма его кларка (lg). Для большей наглядности отображаемого материала на диаграммах разных геосфер рекомендуется сохранять одну и ту же последовательность расположения химических элементов, а также цвет их столбцов.

Кларк концентрации и кларк рассеяния. Коэффициент биофильности

Химические элементы непрерывно мигрируют в природных средах. Следствием этой миграции нередко является возникновение участков и объектов повышенных либо пониженных содержаний тех или иных элементов по сравнению с их кларками. Чтобы оценить неоднородность такого распределения, в 1937 году В.И. Вернадский предложил использовать специальный показатель – кларк концентрации (К_к), который показывает, как отличается содержание химического элемента в изучаемом природном объекте от его кларка.

Кларк концентрации рассчитывают по формуле:

где C_i – содержание химического элемента в исследуемой геохимической системе (горной породе, почве) или ее таксономической части (типе горной породы, руде, минерале, типе почвы); К – кларк этого же элемента в земной коре.

Величина кларка концентрации всегда больше единицы (К_к > 1), что указывает на накопление (концентрирование) химического элемента в исследуемом природном объекте по сравнению с земной корой. При К_к = 1 содержание элемента в природном объекте и земной коре сходно.

Если C_i значительно меньше К, то при математическом расчете обнаруживают, что К_к < 1. Тогда для получения целых чисел и большей контрастности показателя целесообразно воспользоваться понятием «кларк рассеяния»(К_р), а не «кларк концентрации», так как химический элемент в изучаемом объекте рассеивается, а не накапливается. Кларк рассеяния – это величина обратная кларку концентрации, представляющая собой отношение кларка элемента в земной коре к его содержанию в исследуемом природном объекте. Она показывает, во сколько раз кларк химического элемента в литосфере (К) больше его содержания в данном объекте (C_i):

Расчет коэффициентов концентрации и коэффициентов рассеяния позволяет выделять геохимические ассоциации накапливающихся и рассеивающихся химических элементов. В ассоциациях накапливающиеся элементы принято располагать в порядке уменьшения их значений К_к, тогда как рассеивающиеся элементы располагают в порядке увеличения их значений К_р. Например, в почвах Правобережья Самарской области ассоциация накапливающихся химических элементов представлена следующим рядом:

Cu _{(5, 95)}[2] – Pb _{(1, 94)} – Zn _{(1, 68)} – Co _{(1, 49)} – Ti _{(1, 32)} – Cr _{(1, 23)} – Ni _{(1, 19)}

К числу рассеивающихся элементов относятся Sr и Fe:

Fe _{(1, 70)}[3] – Sr _{(2, 22)}

Содержание Mn _{(1, 02)}[4] близко к кларку литосферы.

Таким образом, кларки концентрации и кларки рассеяния являются показателями, характеризующими относительную распространенность химических элементов в природе и позволяющими судить о концентрации или рассеянии элементов в исследуемой системе (объекте) относительно земной коры.

Частным случаем кларка концентрации, рассчитываемого для живых организмов, является коэффициент биофильности, или биофильность химического элемента(Б). Термин «биофильность» предложен в 1975 году А.И. Перельманом. Коэффициент биофильности показывает, насколько содержание того или иного химического элемента в живых организмах отличается от его содержания в земной коре, и рассчитывается по формуле:

где Ж – содержание химического элемента в живой (сырой) массе организма или группы организмов; К – кларк элемента в земной коре.

Наиболее биофильны С (Б = 7800), N (160) и Н (70). Биофильность остальных химических элементов чуть больше единицы [O (1, 5), Cl (1, 1), S (1, 0)] либо меньше ее (все остальные элементы). Наименее биофильны Fe (0, 002) и Al (0, 0006).

Материалы и оборудование: калькулятор.

Задание 2.

Используя табл. 1, 5 и 6, рассчитайте коэффициенты концентрации и коэффициенты рассеяния для почв двух природно-территориальных комплексов Самарской области (на выбор – Самарская Лука, правобережье в целом, левобережье в целом, лесостепь левобережья, подзона богаторазнотравно-типчаково-ковыльных степей левобережья, подзона разнотравно-типчаково-ковыльных степей левобережья, подзона типчаково-ковыльных степей левобережья) и двух типов региональных почв (черноземы, аллювиальные дерновые насыщенные, серые лесные, дерново-карбонатные, темно-каштановые, солонцы, слабогумусированные пески, техногенные грунты). Выделите ассоциации накапливающихся и рассеивающихся химических элементов. Сделайте заключение о геохимических особенностях почвенного покрова Самарской области, сопоставив между собой почвы природно-территориальных комплексов, а также типы анализируемых почв.

Рекомендации к работе. Для выполнения этого задания требуется перевести значения кларков химических элементов в земной коре, выраженные в весовых процентах, в величины кларков, выраженные в мг/кг. С этой целью значения кларков в весовых процентах умножают на 10000. Например, кларк кислорода в земной коре составляет 47 весовых процентов (табл. 1). Умножаем эту величину на 10000 и получаем 470000, – именно столько мг химического элемента содержит 1 кг земной коры.