Содержание к диссертации
Введение
1. Основные закономерности накопления химических элементов растениями (основы биогеохимии растений) 15
1.1. Барьерные типы накопления химических элементов растениями 20
1.1.1. Методика исследований 21
1.1.2. Основные результаты исследований барьерного накопления химических элементов растениями 26
1.2. Содержание изучаемого химического элемента во внешней среде 62
1.3. Формы нахождения изучаемого химического элемента во внешней среде 63
1.3.1. Роль твердой, жидкой и газообразной фаз внешней среды в поглощении химических элементов растениями 65
1.3.2. Зависимость содержаний химических элементов в растениях от минеральных форм нахождения в почвах 70
1.4. Количественные характеристики контакта корней растений с источниками изучаемого элемента 105
1.4.1. Глубина и активность корневых систем растений. 105
1.4.2. Биогеохимические ореолы над открытыми и погребенными рудными телами и их литохимическими ореолами 126
1.4.3. Биогеохимические ореолы над погребенными рудными телами и их гидро- и литохимическими ореолами 130
1.4.4. Биогеохимические ореолы над погребенными рудными телами и их атмо- и литохимическими ореолами 137
1.5. Другие факторы, влияющие на накопление химических элементов растениями 144
1.5.1. Геохимические ландшафты 146
1.5.2. Климатические факторы. 152
1.5.3. Виды растений 158
1.5.4. Органы и части органов растений 162
1.5.5. Дисперсия биогеохимических параметров растений 171
2. Практические приложения биогеохимии растений при поисках рудных месторождений 179
2.1. Общие научные основы биогеохимических поисков рудных месторождений 188
2.2. Биогеохимические поиски урановых месторождений ...200
2.3. Биогеохимические поиски бериллиевых месторождений 210
2.4. Биогеохимические поиски других рудных месторождений .217
2.4.1. Молибденовые месторождения 224
2.4.2. Вольфрамовые месторождения 262
2.4.3. Полиметаллические месторождения 274
2.4.4. Некоторые выводы и рекомендации 296
2.5. Рекомендуемая методика биогеохимических поисков рудных месторождений 299
2.6. Практика биогеохимических поисков рудных месторождений по безбарьерным видам и частям растений. 309
Заключение 313
Литература 320
Приложение 350
- Содержание изучаемого химического элемента во внешней среде
- Количественные характеристики контакта корней растений с источниками изучаемого элемента
- Биогеохимические поиски урановых месторождений
- Практика биогеохимических поисков рудных месторождений по безбарьерным видам и частям растений.
Введение к работе
Актуальность, Основоположник биогеохимии - академик В.И.Вернадский в 1920-х гг. пришел к выводу о том, что совокупность живых организмов - живое вещество - является самой мощной силой движения атомов химических элементов на поверхности нашей планеты. Изучению этой проблемы он посвятил 30 последних лет своей жизни, заложив основы биогеохимии как самостоятельной науки (Вернадский, 1922, I960, 1965, 1980). Учеником В.И.Вернадского академиком А.П. Виноградовым была установлена связь физиологических реакций растений, животных и человека с их химическим элементным составом и составом внешней среды. Это явилось основой учения о биогеохимических провинциях, имеющего большое практическое значение. В настоящее время в биогеохимии выделилось несколько самостоятельных разделов: геохимическая экология, биогеохимия океана, .биогеохимия растений, биогеохимия животных, палеобиогеохимия, биогеохимический круговорот и т.д. Биогеохимия растений, изучающая историю атомов химических элементов в растениях во взаимосвязи с внешней средой, является одним из важнейших разделов биогеохимии, поскольку живая масса растений составляет более 98$ общей биомассы большинства ландшафтов суши.
Настоящее исследование посвящено изучению биогеохимии растений суши и использованию ее закономерностей при поисках рудных месторождений. Актуальность его определяется необходимостью выявления и изучения основных факторов формирования химического состава растений в разнообразных условиях их произрастания. Без этого невозможны практические приложения биогеохимии растений в различных отраслях современных наук и народного хозяйства. Биогеохимия растений имеет большое значение для разработки научных и практических основ биогеохимических поисков месторождений полезных ископаемых, а также для почвоведения, особенно в изучении биогеохимического круговорота атомов химических элементов, для проблем контроля за биогеохимической деятельностью человека и охраны окружающей среды и для других научных и практических приложений данных о химическом {элементном) составе растений.
Дели и задачи исследования. Основными целями работы являлись количественная оценка значимости различных, одновременно действующих факторов на химический (элементный) состав растений и изучение закономерностей накопления химических элементов растениями, произрастающими на рудных месторождениях. Конкретные задачи сводились к следующим.
1. Количественная оценка значимости всех возможных факторов, влияющих на химический (элементный) состав растений, и выявление основных факторов поглощения химических элементов растениями в широком диапазоне изменения их содержаний в питающей среде, характерных для рудных месторождений.
2. Изучение барьерных типов накопления химических элементов для максимального числа видов и частей растений и группирование изучаемых биообъектов по их количественным барьерным характеристикам.
3. Сопоставление интенсивности поглощения доступных растениям форм химических элементов из твердой, жидкой и газообразной фаз внешней среды.
4. Изучение интенсивности поглощения растениями рудных элементов в зависимости от минеральных форм и крупности зерен минералов, находящихся в корнеобитаемой зоне почв и почвообразующих горных пород, а также от рН почв и других факторов, с использованием для количественной оценки растительно-почвенного коэффициента (РПК).
5. Выявление и изучение закономерностей формирования биогео б
химических ореолов над рудными телами и месторождениями; разработка научных и практических основ биогеохимических поисков рудных месторождений по безбарьерным видам и частям растений и внедрение их в практику геолого-разведочных работ.
Научная новизна. В результате исследований по биогеохимии растений и биогеохимическим поискам рудных месторождений получены следующие новые данные и выводы.
I. Основными факторами накопления химических элементов растениями, произрастающими на рудных месторождениях, являются четыре: а) содержание рассматриваемого химического элемента во внешней среде; б) форды нахождения элемента в питающей среде, определяющие его доступность растениям; в) наличие у видов, органов, частей органов и тканей растений (биообъектов) прямого, линейно-пропорционального (безбарьерного, концентрирующего) или барьерных типов накопления, когда при высоких содержаниях в питающей среде накопление элемента в биообъекте ограничивается некоторым пределом и часто наблюдается парадоксальный, на первый взгляд, диапазон обратно пропорциональной зависимости при максимальных концентрациях в питающей среде; г) количественные характеристики степени контакта корней растений с локальными источниками поступления изучаемого элемента. Под влиянием каждого из этих факторов содержание химических элементов в растениях может изменяться, при прочих равных условиях, в сотни и тысячи раз. Остальные многочисленные (более 20-ти) факторы, важнейшие из которых - кислотно-щелоч-ный показатель (рН) почв и питательных растворов и влияние сопутствующих химических элементов на содержание изучаемого элемента, можно считать факторами второго и третьего порядка значимости, изменяющими содержание отдельных химических элементов не более, чем в 10 раз - в пределах одного математического порядка. Их влияние может быть существенным и даже основным только при стабильности первых четырех факторов, что характерно для растений, произрастающих за пределами рудных месторождений. Поэтому закономерности, установленные при обычных, низких содержаниях микроэлементов во внешней среде, не могут быть распространены на условия произрастания растений при высоких концентрациях и наоборот.
2. Ограничение накопления химических элементов некоторым пределом с частым уменьшением содержания в растении при максимальных концентрациях в питающей среде (барьерный тип накопления) установлено в настоящее время для 76 элементов. Это обычная реакция растений, обеспечивающая их жизнедеятельность при избыточных содержаниях химических элементов во внешней среде. Для особей, видов, родов, семейств и классов растений свойственно сочетание определенных анатомических частей с барьерным и безбарьерным накоплением микроэлементов.
3. Количественные барьерные характеристики (КЕХ) являются константными биогеохимическими параметрами видов и частей растений. К настоящему времени автором определены КБХ и составлены таблицы группирования с выделением 4-х групп от 50 до 500 видов и частей растений Сибири для 23 элементов-индикаторов разнообразных руд: Li, Rb, Cs, Си, Ag, Аи, Be, Sr, Ba, Ra, Zn, Cd, U, B, Pb, As, Bi, Mo, w, Mn, P, Co, їе.Анализ данных о КБХ большой группы химических элементов позволил выявить типичные анатомические части разнообразных растений (корни, внешние слои корки или корка стволов деревьев и кустарников, нижние узлы стеблей злаков и т.д.) и специфические группы растений (лишайники и мхи), накапливающие большинство изученных микроэлементов преимущественно по безбарьерному типу. Биообъекты, безбарьерные или практически безбарьерные (с высокими предельными содержаниями, превышающими фон в 30-300, в среднем, приблизительно в 100 раз) к определенному комплексу МИКрОЭЛемеНТОВ, ДаГОТ КОЛИЧеСТВеННуЮ ИЛИ Приближенно К0ЛИЧ6СТ 8 венную информацию о питающей среде и рекомендуются для использования при различных биогеохимических исследованиях. Они нашли применение при биогеохимических поисках ряда рудных месторождений.
4. Наиболее интенсивно растения поглощают доступные их надземным частям и корням газообразные формы химических элементов (C,N, s,Se,F,ci,i, Hg и др.); менее доступны им растворенные в водах формы жидкой фазы. С наименьшей интенсивностью растения поглощают элементы минерального питания, находящиеся в твердой фазе почв и почвообразующих горных пород. Средние интенсивности накопления химических элементов из газообразной, жидкой и твердой фаз внешней среды относятся между собой приблизительно как 300 000: 3000:1, принимая интенсивность накопления из твердой фазы равной единице. В связи с этим на формирование рудных биогеохимических ореолов элементов - водных мигрантов оказывают влияние гидрохимические, а на рудные биогеохимические ореолы элементов - газовых мигрантов, - атмохимические ореолы. Это обусловливает неодинаковую глубинность выявления погребенных, скрытых и скрыто-погребенных руд по элементам-индикаторам, имеющим различные типы восходящей миграции вторичных ореолов над рудными телами и месторождениями.
5. Доступность корням растений химических элементов, находящихся в твердой фазе почв и горных пород, определяется в основном растворимостью и крупностью зерен минералов и выделений, контактирующих с всасывающими корнями растений. Поэтому минеральные типы руд и их вторичных ореолов следует разделять на благоприятные и не пригодные для выявления биогеохимическими методами, а значения растительно-почвенного коэффициента могут использоваться для определения и картирования некоторых форм химических элементов в почвах и горных породах.
6. Над погребенными рудными телами накопление химических эле 9 ментов определяется количественными характеристиками контакта корневых систем растений с выходами рудных тел и их остаточными, элювиальными и элювиально-делювиальными, а также со вторичными сорб-ционно-солевыми, гидро- и атмохимическими ореолами. В связи с этим количественная интерпретация рудных биогеохимических аномалий и ореолов ограничивается небольшой мощностью экранирующих рыхлых покровов, близкой к максимальной глубине корней изучаемых растений (порядка 2-20 м), а качественная интерпретация может сохраняться до 20-200 м для элементов - водных мигрантов и до 100-1000 м для элементов - газовых мигрантов, например, ртути.
7. Выявлены основные черты биогеохимии и количественные биогеохимические параметры растений Сибири (фоновые содержания; их стандарты; аномальные концентрации; количественные барьерные характеристики от 50 до 500 видов и частей растений; относительные содержания: в одинаковых частях различных видов, отобранных на одних и тех же точках наблюдения, в различных одновременно опробованных частях растений одного вида, в растениях, отобранных на тех же точках наблюдения в разное время; величины растительно-почвенных коэффициентов для безбарьерных видов и частей растений при различных минеральных формах ряда элементов в почвах и т.д.) для 23 элементов: Li, Rb, Cs, Си, Ag, Аи, Be, Sr, Ва, Ra, Zn, Cd, U, в, Pb, As, Bi, Mo, w, Mn, F, Fe, Co. Получены новые данные по биогеохимии еще 29 элементов: Na, К, Mg, Са, Hg, Sc, Y, La, Се, lb, Th, Al, Ga, ТІ, Ті, Zr, Hf, Si, Ge, Sn, V, Nb, Та, N, P, Sb, Cr, Ni, Rn. Для ряда изученных биогеохимических параметров проведено сопоставление с другими районами Земного шара, в том числе с западным полушарием. Анализ этих данных говорит о стабильности многих количественных характеристик растений и о наличии закономерных изменений некоторых биогеохимических параметров растений для элементов-гомологов, составляющих подгруппы периодической системы Д.И.Менделеева, в частности, для элементов второй и шестой групп. Это является началом разработки биогеохимической периодической системы элементов и основой практических рекомендаций по биогеохимическим поискам большинства рудных месторождений.
8. Закономерности накопления химических элементов растениями определяют особенности формирования рудных биогеохимических ореолов и являются важнейшей составной частью научных и практических основ биогеохимических методов поисков рудных месторождений.
Объемы и методы исследований. В основу работы положено обобщение фактических данных, полученных автором в 1957-1982 годах, а также многочисленных публикаций. Эти исследования включают в себя полевые экспедиционные, стационарные, лабораторно-аналитические, вычислительные и обобщающие работы. На 72 ключевых участках, в том числе на 4 стационарах в Восточной и Западной Сибири, было отобрано и изучено около 80 000 проб растений, почв и горных пород, сделано более 2 млн. элементоопределений 45-54 химических элементов более чем в 500 разнообразных биологических объектах. Основным методом исследований было комплексное литобиогеохимическое профилирование и картирование, сопровождаемое или комплексируемое с полевыми геоботаническими, почвенными, гидрохимическими, атмохими-ческими, радиометрическими, рентгено-радиометрическими и ядерно-физическими исследованиями. Основными методами анализов отобранных проб были приближенно-количественные эмиссионные спектральные, дополняемые разнообразными количественными методами, а также минералогическими, петрографическими, литологическими и другими исследованиями. Математическая обработка большого объема количественной информации производилась как вручную, так и с использованием ЭВМ. В процессе исследований были разработаны и использованы следующие методические приемы и методики: I) система взаимосвязанных относительных биогеохимических параметров растений; 2) определение горизонта питания растений; 3) определение количественных барьерных характеристик различных видов и частей растений; 4) определение радия в золе растений альфа-импульсными методами; 5) выделение и изучение фитошлихов растений; 6) определение ряда химических элементов в корке стволов живых деревьев и в их неозо-ленных пробах; 7) определение ртути в золе растений.
Практическая ценность. Результаты проведенных теоретических исследований дали начало новому направлению в разработке глубинных биогеохимических методов - поисков по наиболее информативным безбарьерным видам и частям растений, накапливающим элементы-индикаторы соответствующих руд прямо- и линейно-пропорционально концентрации в почвах и почвообразующих горных породах.
Включение этих методов в комплекс поисковых и поисково-разведочных работ на закрытых площадях увеличивает эффективность поисков при 3-30-кратном снижении затрат по сравнению с глубинными литохимическими поисками с использованием буровых скважин. При широком внедрении в СССР они могут ускорить открытие новых месторождений и дать прямую экономию средств на поисковые работы, исчисляемую сотнями миллионов рублей, не считая во много раз большей стоимости выявленных при этом новых месторождений полезных ископаемых.
Разработка научно-практических основ биогеохимических поисков благоприятных минеральных типов рудных месторождений по безбарьерным видам и частям растений представляет собой вклад в решение крупной народнохозяйственной проблемы - увеличения эффективности поисковых работ на закрытых площадях с наименьшими затратами времени и средств.
Реализация -работы на производстве. Разработанные автором, научные и практические рекомендации используются производственными геологическими организациями с 1959 г., когда совместно с М.С.Ма 12 каровым были составлены "Временные методические указания по проведению биогеохимических поисков". Использование рекомендаций, относящихся к комплексу рудных месторождений, началось в 1973 г. после передачи производственным организациям рукописных "Справочных материалов по биогеохимическим поискам рудных месторождений в Восточной Сибири", опубликованных в обзоре 1974 г., а также проведения семинаров, стажировок и инструктажа ответственных исполнителей.
Производственные биогеохимические поиски по безбарьерным видам и частям растений, в основном по корке стволов деревьев, были начаты в Восточной Сибири в 1973-1978 гг. К 1983 г. Производственными геологическими объединениями (ПГО) изучено более 300 тысяч проб корки деревьев и других безбарьерных биологических объектов. При проверке биогеохимических аномалий Бурятским геологическим управлением в 1978 г. выявлено Жарчихинское молибденовое, а в 1979-1980 гг. - стронциевое месторождения (Радченко, 1979, 1982; Игнатович, 1980).
Дальнейшее более широкое внедрение биогеохимических поисков благоприятных минеральных типов руд в СССР по безбарьерным видам и частям растений обеспечено включением их основных положений во второе издание "Инструкции по геохимическим методам поисков рудных месторождений" (1983). Для внедрения новых методов и улучшения качества проведения биогеохимических поисков полезных ископаемых Министерство геологии РСФСР в 1978 г. назначило автора диссертации куратором по биогеохимическим поискам в Иркутском, Бурятском и Читинском территориальных геологических управлениях. С мая 1982 г. он является научным куратором Министерства геологии СССР. Теоретические представления диссертационной работы используются в настоящее время в ряде научно-исследовательских и учебных институтов и университетов.
ІЗ Атюбапия работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях ученых советов Бурятского комплексного НИИ СО АН СССР (1965-1966), Института естественных наук БФ СО АН СССР (1966-1973) и Геологического института БФ СО АН СССР (1973-1982); в Министерствах геологии СССР (І97І-І983) и РСФСР (І97І-І983); Министерстве цветной металлургии СССР (1979-1981); Министерстве геологии Казахской ССР (1982), Геологическом отделе Совета Экономической Взаимопомощи (1980-1982); в Бурятском (1965-1983), Иркутском (1966-1982), Читинском (1968-1978), Красноярском (1972) и Новосибирском (1976, 1982) территориальных геологических управлениях; трестах и ПГО: "Зарубежгеология" (1982), "Киевгеология" (1968-1978), "Севукргеология" (1980), "Самарканд-геология" (1978, 1982), "Ташкентгеология" (1978), "Центргеология" (1983), "Востказгеология" (1982); на Коршуновском ГОКе (1977); в Дарасунской экспедиции Министерства цветной металлургии СССР (1976, 1978) и Центральной методической экспедиции геологической экспертизы проектов и смет Мингео СССР (1983); в университетах: Дружбы народов, Московском, Ленинградском и Иркутском; Московском геолого-разведочном институте и Ленинградском горном институте и во Всесоюзном заочном политехническом институте; во Всесоюзном институте минерального сырья МГ СССР, Институте геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии АН СССР, Всесоюзном институте Разведочной геофизики МГ СССР, Институте минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов АН СССР, Институте геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского, Центральном научно-исследовательском геолого-разведочном институте МГ СССР, Институте геохимии им. А.П.Виноградова СО АН СССР, Институте геологии и геофизики СО АН СССР, Сибирском НИЙ геологии, геофизики и минерального сырья, Институте геохимии и физики минералов АН УССР, Казахском институте минерального сырья, Институте геологии и геофизики АН УзССР. Они обсуждались и публиковались в материалах научных и научно-практических конгрессов, конференций, совещаний и симпозиумов, состоявшихся в Москве (1963-1980), Ленинграде (1970, 1973, 1975), Киеве (1969, 1979, 1980), Новосибирске (1961, 1965, 1970), Иркутске (1958-1979), Томске (1959, 1978), Красноярске (1964), Душанбе (1967), Улан-Удэ (1968, 1972, 1977), Омске (1969), Ташкенте (1969), Алма-Ате (1973, 1981), Чите (1973, 1976, 1981), Караганде (1974), Якутске (1979), Челябинске (1981), Благовещенске (1982), Новороссийске (1982), Самарканде (1982); на Между народном корневом симпозиуме (Москва-Ленинград, 1968 ),Ш Международном Ботаническом конгрессе (Ленинград, 1975), первом (ЧССР, г. Острава, 1979) и втором (СССР, г. Иркутск, 1981) Международных симпозиумах "Прикладная геохимия", 8-м (ФРГ, Ганновер, 1980) и 10-м (Финляндия, Эспоо, 1983) Международных симпозиумах "Геохимические исследования".
Публикации и отчеты. По теме диссертации опубликовано 160 работ: 4 монографии, 2 обзора, 87 статей и 67 тезисов докладов. Одна монография и 12 статей переведены и изданы за рубежом на английском языке. 24 рукописных отчета находятся в фондах производственных геологических организаций и НИИ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, двух частей, включающих в себя И глав, и заключения. Ее общий объем составляет 358 страниц машинописного текста, в том числе 224 страницы текста, 37 таблиц, 52 иллюстрации и приложение на 9 страницах. Список литературы включает 322 названия.
Неоценимую помощь в аналитической работе автору оказали спектральные лаборатории Бурятского (зав. Н.М.Ходос) и Иркутского (зав. Ю.Л.Скаляр) территориальных геологических управлений, спектральная лаборатория Геологического института БФ СО АН СССР (Ю.Н.Каперская, Е.Ш. Трубачеева) и многие другие лаборатории научно-исследовательских институтов и производственных геологических органи 15 заций. Автор приносит им глубокую благодарность.
В процессе выполнения диссертационной работы автор пользовался советами и консультациями многих специалистов различных наук: геологии, геохимии, геофизики, географии, биологии, химии, физики. Среди них В.И.Баранов, А.А.Беус, Д.Б.Вахмистров, А.П.Виноградов, П.А.Власюк, В.В.Гальченко, В.И.Гальченко, В.А.Дворкин-Самарский, М.В.Ефимов, М.В.Каталымов, В.М.Клечковский, О.М.Ковалевская, В.В.Ковальский, Д.П.Малюга, Я.В.Пейве, П.СПогребняк, В.В.Поликар-почкин, Я.Д.Райхбаум, Ф.Э.Реймерс, А.К.Русанов, В.И.Смирнов, А.П.Соловов, Н.А.Солодов, Д.Я.Суражский, С.М.Ткалич, А.И.Тугаринов, В.В.Федынский, Ф.Н.Шахов, С.С.Шварц, Е.М.Янишевский и А.А.Яценко-Хмелевский. Всем перечисленным лицам автор выражает свою искреннюю благодарность.
Содержание изучаемого химического элемента во внешней среде
Содержание химического элемента во внешней среде всегда рассматривалось как фактор, влияющий на его содержание в растений. Однако эта связь затушевывается наличием у растений механизмов, регулирующих накопление и распределение химических элементов в их органах и тканях, влиянием форм нахождения химического элемента в питающей среде (различные формы имеют неодинаковую доступность растениям, а некоторые из них могут быть недоступны для них) и других одновременно действующих факторов. Поэтому зависимость между содержаниями химического элемента в растении и во внешней среде следует рассматривать только для однородных, доступных растению, форм этого элемента во внешней среде, и неизменных прочих условиях. Такие стабильные условия могут быть созданы только в экспериментах по выращиванию растений в строго контролируемых условиях. Близкие к подобным стабильные условия могут наблюдаться в однородных элементарных ландшафтах. Однако, как показывает практика наших биогеохимических исследований, формы нахождения изучаемых химических элементов, могут изменяться даже в элементарном геохимическом ландшафте. Поэтому обычно небольшие площади, для которых установлены однородные условия произрастания растений, могут быть названы элементарными биогеохимическими (фитогеохимическими) ландшафтами. В их пределах сохраняются стабильными тип горной породы и почвы, рельеф, фитогеоценоз и РПК растений. Поэтому в их пределах возможна количественная интерпретация биогеохимических данных.
При рассмотрении влияния форм нахождения химических элементов во внешней среде на их поглощение растениями следует иметь в виду, что формы твердой, жидкой и газообразной фаз изучены в различной степени. Наиболее хорошо изучено почвоведами, агрохимиками, биогеохимиками и геологами влияние различных форм химических элементов, находящихся в твердой фазе почв. Это обусловлено практическими потребностями сельского хозяйства, связанными в основном с применением разнообразных удобрений, В соответствии с этими потребностями длительное время изучаются и поэтому относительно хорошо изучено влияние на поглощение растениями (в основном культурными) форм макроэлементов (N, Р, к, Na, Са, Mg, s, 01, Fe). Изучение физиологически активных микроэлементов (Си, Zn, в, Мо, Мп, I, Со и др.), используемых в качестве микроудобрений, было начато значительно позднее (приблизительно в последние 50 лет). Еще позднее было начато изучение токсических микроэлементов ( Cd, Hg, ті, РЬ, As, Se и др.). Поэтому влияние форм микроэлементов в почвах на поглощение растениями раскрыто в значительно меньшей степени, чем макроэлементов. Большинство микроэлементов, которые считаются физиологически неактивными, остаются в этом отношении практически неизученными.
Растворенные в водах химические элементы считаются доступными растениям. Однако в зависимости от форм химических соединений интенсивность их поступления в растения может изменяться в значительной степени - до 10 раз и более ( Rosenfeld, Beath,. 1964; Wallace, 1971 и. др.). Несомненно, что этот вопрос требует проведения специальных исследований, имея в виду, что интенсивности поглощения многих химических элементов растениями из растворов минеральных солей и хелатов резко различны (Wallace, 1971).
Поглощение растениями газообразных форм химических элементов изучается в основном В СВЯЗИ С ИХ ТОКСИЧНОСТЬЮ (N, S, F, С1) вблизи соответствующих промышленных предприятий, где их концентрации значительно превышают кларковые содержания в атмосфере. Несомненно, что изучение газообразных форм представляет не только теоретический, но и практический интерес. Это касается в первую очередь химических элементов, для которых известно существование газообразных соединений в обычных условиях, произрастания растения (н, Cd, Hg, в, ті, РЬ, Р, S, AS, Se, Ро, І, СІ, ВГ, І, Rn), или их можно ожидать, исходя из имеющихся данных о летучести известных химических соединений (Li, Be, Zn, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Sb, Bi, W, Fe, Co, Ni). Особый интерес при этом представляют газообразные формы химических элементов, являющихся физиологически активными (N, Р), токсическими (Cd, Hg, ті, РЬ, As, Se) или элементами-индикаторами определенной рудной минерализации. К последним относится большинство из перечисленных выше микроэлементов. Особое место среди них занимает ртуть, являющаяся спутником и индикатором большинства типов рудной минерализации.
Количественные характеристики контакта корней растений с источниками изучаемого элемента
Глубина проникновения корневых систем может являться фактором, объясняющим наличие или отсутствие и количественные характеристики биогеохимических ореолов в безбарьерных частях изучаемых растений. Для выбора видов растений с наиболее глубокими корнями в конкретных условиях необходимо иметь данные о максимальных глубинах корней широкораспространенных растений, пригодных для систематического опробования при поисковых работах. Эти данные целесообразно представлять в виде таблиц группирования видов растений по глубине проникновения корневых систем (Ковалевский, 19746, 19766). Для поисков рудных месторождений с помощью растений удобно разделять виды растений на следующие 4 группы (табл. 8): I) с неглубокопроникающими корнями (0,2-1,0 м), соответствующими открытым площадям, на которых возможно опробование первичных или остаточных элювиальных ореолов рудных тел с поверхности или с помощью закопушек, прикопок и шпуров глубиной до I м; 2) со средними глубинами корневых систем (1-5 м), характерными для большинства видов растений и требующими для опробования высокоинформативного при поисках элювия проходки канав, траншей или мелких шурфов; 3) с глубокопроникающими корнями (5-20 м), характерными для многих растений зоны аридного климата и требующими для изучения элювия проходки мелких скважин или глубоких шурфов; 4) с весьма глубокопроникающими корнями (20-70 м), установленными для небольшого числа видов аридной зоны.
Морфология корневых систем растений и глубина проникновения их в покров рыхлых образований зависят от типа водного питания данного вида. Растения, водное питание которых обеспечивается поверхностными дождевыми и снеговыми водами, образуют группу, широко-, но не глубоко распространенные корневые системы которых не проникают в почву на глубину более I м. К этой группе относятся преимущественно однолетние травянистые растения (например, эфемеры и ксерофиты зоны аридного климата) и различные растения мерзлотной зоны с маломощным деятельным слоем - до 0,5-1,0 м. Эта группа растений имеет ограниченное использование при поисках рудных месторождений.
Большинство растений средней и южной зон, а также мерзлотной зоны с деятельным слоем мощностью более I м, относятся к группе видов, имеющих средние глубины проникновения корней от I до 5 м, в среднем около 2 м. Эта группа растений может использоваться в качестве объекта опробования при биогеохимических поисках. При этом следует иметь в виду, что благодаря поглощению воды нижними частями корневых систем из верхнего водоносного горизонта биогеохимические аномалии в этих растениях могут давать информацию о более глубоких, чем предел проникновения корней, горизонтах рыхлого покрова. Практика биогеохимических поисков говорит о том, что при наличии неглубокопогребенных гидрохимических и сорбционно-солевых ореолов растения этой группы могут давать информацию о рудах и их литохимических ореолах, располагающихся на глубинах до 30 м.
Растения, имеющие глубины проникновения корней порядка 5-20 м, не характерны для северной и средней зон, но часто встречаются в южной зоне аридного климата. К этой группе относятся многие древесные, кустарниковые и многолетние травянистые растения сухих степей, полупустынь и пустынь, в том числе плодовые деревья южной зоны. Все они представляют интерес для опробования и часто используются в практике биогеохимических поисков, обеспечивая глубинность опоискования территорий в районах аридного климата до 30 м и более.
Наибольшие глубины проникновения корневых систем растений в рыхлый покров, по опубликованным данным, достигают 50-70 м. Они отмечаются в районах аридного климата у некоторых древесных и кустарниковых растений, например, у акации и криптомерии японской (см. табл.8). Такая большая глубина проникновения корней некоторых видов растений в покров рыхлых образований делает особо ценным использование их для глубинных биогеохимических поисков - каждое растение с большой глубиной корней можно рассматривать как "живую скважину".
Очевидно, что информация о глубине проникновения корней в рыхлый покров весьма важна для правильного выбора растений при биогеохимических поисках. Поэтому таблицы группирования растений по глубине их корневых систем должны составляться для конкретных районов поисковых работ и являться одним из необходимых документов при планировании биогеохимических поисков. При достаточно точной информации о глубинах проникновения корней в рыхлый покров появляется возможность использовать данные одновременного опробования различных видов растений для определения приблизительной глубины залегания руд ила их лито- и гидрохимических ореолов на биогеохимических аномалиях. При составлении таблиц группирования растений по глубине проникновения их корневых систем в конкретных районах обычно нельзя использовать опубликованные материалы, полученные биологами, так как их, как правило, не интересуют максимальные глубины корней. Дня этого следует использовать результаты документации канав, шурфов и скважин картировочного бурения. Необходимо иметь в виду, что вблизи корневых окончаний корни редки, тонки (диаметр их меньше I мм) и очень хрупки (Онищенко, 1967), что делает их труднодоступными для наблюдения и количественного изучения.
Биогеохимические поиски урановых месторождений
Разработка научно-практических основ биогеохимических поисков урановых месторождений являлась первым опытом автора в области практических приложений биогеохимии растений. Первый этап этих работ (1957-1959 гг.) был начат по инициативе и при поддержке И.Ф. Гладких в специализированной экспедиции Министерства геологии СССР. В них принимали участие М.С. Макаров, A.M. Бильтаев, О.М. Ковалевская, В.А. Разумова и М.А. Хилова. Важнейшим результатом работ этого этапа было получение эмпирических данных о том, что радий является значительно лучшим индикатором урановых руд в сравнении с ураном. В это время понятие об антиконцентрационных барьерах у растений отсутствовало и полученные эмпирические результаты не имели научного объяснения.
В этот период были составлены "Временные методические указания по проведению биогеохимических поисков" (Ковалевский, Макаров, 1959). На следующем этапе исследований (1960-1972 гг.) был получен основной объем фактических данных и обобщены многочисленные публикации по биогеохимии урана, радия и других естественных радиоактивных элементов. Интенсивные опытно-методические и опытно-производственные работы этого периода на разнообразных типах урановых руд, находящихся в различных геологических и ландшафтных условиях (исследования были проведены на 42 месторождениях и ру-допроявлениях), позволили выявить основные факторы, влияющие на эффективность биогеохимических поисков урана и разработать методику, пригодную для использования в производственных условиях. Эта методика включена в книгу: Методы поисков урановых месторождений (Яковлева, Ковалевский, 1969). Результаты этого этапа исследований были обобщены в монографии "Естественные радиоактивные элементы в растениях Сибири" (Ковалевский, 1966а), в ряде статей (Ковалевский, 1960-1972а; Балабанов, Ковалевский, 1963; Макаров, 1965; Макаров, Калабин, 1965; Яковлева, 1969; Kovalev-skii, 1973) и в рукописной работе "Биогеохимические поиски урановых месторождений" (Ковалевский, 1970, 601 с). В результате обобщения собственных и опубликованных работ высокая информативность радия и низкая информативность урана при поисках урановых месторождений в этот период были объяснены накоплением урана до некоторого предельного уровня. Установление предела поглощения урана надземными частями всех изученных видов высших растений позволил говорить о наличии у них биологического барьера по отношению к урану (Ковалевский, 1966а, с. 13). Важным результатом исследований этого периода было выявление зависимости эффективности биогеохимических поисков по радию в растениях от стадии развития зон окисления на эродируемых выходах ураноносных рудных тел (Ковалевский, 1972а, 1974а; Kovaievskii, 1973, 1979а). В 1973-1982 гг. исследования по биогеохимическим поискам урановых месторождений проводятся нами в незначительных объемах в связи с переходом на изучение других видов рудной минерализации. Важнейшим результатом исследований этого периода является выявление видов и частей растений, безбарьерных по отношению к урану и составление первых таблиц группирования изученных биообъектов по их поисковой информативности на уран и радий. Основные положения рекомендуемой нами методики биогеохимических поисков урановых месторождений включены в учебное пособие: "Поиски и разведка месторождений редких и радиоактивных металлов" (Каждая, Соловьев, 1982). Выявленные к настоящему времени особенности биогеохимиче- ских поисков урановых месторождений сводятся к следующим. I.
Основным биогеохимическим индикатором урановых руд является радий, накапливающийся по безбарьерному типу ъо всех 139 изученных видах и частях растений (см. табл. I и рис. 17 и 38). повышенным и высоким концентрациям этого элемента в корнеобитаё-мой зоне (см. табл. I, 24, рис. 17 и 38). Уран может использоваться при биогеохимических поисках урановых месторождений при опробовании небольшого числа видов и частей растений, накапливающих этот элемент по безбарьерному или практически безбарьерному типу. Такими информативными биообъектами являются корни всех видов растений, внешние слои корки стволов некоторых видов древесных растений и опробковевшие шишки некоторых хвойных деревьев с лесного полога (см. табл. 24). Таким образом, использование урана в качестве биогеохимического индикатора урановых месторождений имеет ограниченное практическое применение и требует выявления надземных биообъектов, безбарьерных по отношению к этому токсичному элементу в конкретных условиях ведения поисковых работ. 3. Эффективными биогеохимическими индикаторами соответству ющих типов урановых руд являются их нерадиоактивные спутники,об разующие совпадающие или зональные с ураном первичные литохимиче- ские ореолы. Наиболее интересными из них являются: Pb, Mo, As, Ag, Zn, Cd, Hg, Gu, Bi, Ni, Co, Y, Yb, V, Se, F И Ре. 4. В связи с целесообразностью одновременного определения в пробах растений наряду с радием и ураном комплекса нерадиоактив ных спутников урановой минерализации, для систематического опро бования в лесных и таежных ландшафтах следует использовать внеш ние слои корки в нижней части стволов деревьев. В степных и пус тынных ландшафтах наиболее пригодны для опробования надземные части некоторых многолетних травянистых,кустарниковых или древес ных растений, например, различные виды полыни, безбарьерные к наибольшему числу элементов-индикаторов соответствующих типов урановых руд и радию, но малоинформативные по отношению к урану.
Практика биогеохимических поисков рудных месторождений по безбарьерным видам и частям растений.
Разработка научно-практических основ биогеохимических поисков урановых месторождений являлась первым опытом автора в области практических приложений биогеохимии растений. Первый этап этих работ (1957-1959 гг.) был начат по инициативе и при поддержке И.Ф. Гладких в специализированной экспедиции Министерства геологии СССР. В них принимали участие М.С. Макаров, A.M. Бильтаев, О.М. Ковалевская, В.А. Разумова и М.А. Хилова. Важнейшим результатом работ этого этапа было получение эмпирических данных о том, что радий является значительно лучшим индикатором урановых руд в сравнении с ураном. В это время понятие об антиконцентрационных барьерах у растений отсутствовало и полученные эмпирические результаты не имели научного объяснения. В этот период были составлены "Временные методические указания по проведению биогеохимических поисков" (Ковалевский, Макаров, 1959).
На следующем этапе исследований (1960-1972 гг.) был получен основной объем фактических данных и обобщены многочисленные публикации по биогеохимии урана, радия и других естественных радиоактивных элементов. Интенсивные опытно-методические и опытно-производственные работы этого периода на разнообразных типах урановых руд, находящихся в различных геологических и ландшафтных условиях (исследования были проведены на 42 месторождениях и ру-допроявлениях), позволили выявить основные факторы, влияющие на эффективность биогеохимических поисков урана и разработать методику, пригодную для использования в производственных условиях. Эта методика включена в книгу: Методы поисков урановых месторождений (Яковлева, Ковалевский, 1969). Результаты этого этапа исследований были обобщены в монографии "Естественные радиоактивные элементы в растениях Сибири" (Ковалевский, 1966а), в ряде статей (Ковалевский, 1960-1972а; Балабанов, Ковалевский, 1963; Макаров, 1965; Макаров, Калабин, 1965; Яковлева, 1969; Kovalev-skii, 1973) и в рукописной работе "Биогеохимические поиски урановых месторождений" (Ковалевский, 1970, 601 с). В результате обобщения собственных и опубликованных работ высокая информативность радия и низкая информативность урана при поисках урановых месторождений в этот период были объяснены накоплением урана до некоторого предельного уровня. Установление предела поглощения урана надземными частями всех изученных видов высших растений позволил говорить о наличии у них биологического барьера по отношению к урану (Ковалевский, 1966а, с. 13). Важным результатом исследований этого периода было выявление зависимости эффективности биогеохимических поисков по радию в растениях от стадии развития зон окисления на эродируемых выходах ураноносных рудных тел (Ковалевский, 1972а, 1974а; Kovaievskii, 1973, 1979а). В 1973-1982 гг. исследования по биогеохимическим поискам урановых месторождений проводятся нами в незначительных объемах в связи с переходом на изучение других видов рудной минерализации.
Важнейшим результатом исследований этого периода является выявление видов и частей растений, безбарьерных по отношению к урану и составление первых таблиц группирования изученных биообъектов по их поисковой информативности на уран и радий. Основные положения рекомендуемой нами методики биогеохимических поисков урановых месторождений включены в учебное пособие: "Поиски и разведка месторождений редких и радиоактивных металлов" (Каждая, Соловьев, 1982). Выявленные к настоящему времени особенности биогеохимиче- ских поисков урановых месторождений сводятся к следующим. I. Основным биогеохимическим индикатором урановых руд является радий, накапливающийся по безбарьерному типу ъо всех 139 изученных видах и частях растений (см. табл. I и рис. 17 и 38). повышенным и высоким концентрациям этого элемента в корнеобитаё-мой зоне (см. табл. I, 24, рис. 17 и 38). Уран может использоваться при биогеохимических поисках урановых месторождений при опробовании небольшого числа видов и частей растений, накапливающих этот элемент по безбарьерному или практически безбарьерному типу. Такими информативными биообъектами являются корни всех видов растений, внешние слои корки стволов некоторых видов древесных растений и опробковевшие шишки некоторых хвойных деревьев с лесного полога (см. табл. 24). Таким образом, использование урана в качестве биогеохимического индикатора урановых месторождений имеет ограниченное практическое применение и требует выявления надземных биообъектов, безбарьерных по отношению к этому токсичному элементу в конкретных условиях ведения поисковых работ. 3. Эффективными биогеохимическими индикаторами соответству ющих типов урановых руд являются их нерадиоактивные спутники,об разующие совпадающие или зональные с ураном первичные литохимиче- ские ореолы. Наиболее интересными из них являются: Pb, Mo, As, Ag, Zn, Cd, Hg, Gu, Bi, Ni, Co, Y, Yb, V, Se, F И Ре. 4. В связи с целесообразностью одновременного определения в пробах растений наряду с радием и ураном комплекса нерадиоактив ных спутников урановой минерализации, для систематического опро бования в лесных и таежных ландшафтах следует использовать внеш ние слои корки в нижней части стволов деревьев. В степных и пус тынных ландшафтах наиболее пригодны для опробования надземные части некоторых многолетних травянистых,кустарниковых или древес ных растений, например, различные виды полыни, безбарьерные к наибольшему числу элементов-индикаторов соответствующих типов урановых руд и радию, но малоинформативные по отношению к урану.
