Содержание лантанидов (Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm) и актинидов (Th, U) в почвах Хибинско-Ловозерской провинции
Автор: Водяницкий Ю.Н., Косарева Н.В., Савичев А.Т.
Журнал: Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева @byulleten-esoil
Статья в выпуске: 65, 2010 года.
Бесплатный доступ
В районе Хибинско-Ловозерской провинции на Кольском п-ове территория делится на три геохимически разных участка. На фоновой территории вблизи Умбозера как в минеральных, так и в оторфованных образцах содержание всех редких металлов ниже кларкового: лантаниды и актиниды сильно выщелачиваются из кислых подзолистых почв. В районе слабой геохимической аномалии (вблизи Ловозера) от лопаритсодержащей породы наследуются все лантаниды, а из актинидов - Th: их содержание в 1.3-5.4 раза превышает кларковое значение. В зоне сильной геохимической аномалии (на северном берегу Сейдозера и на берегу р. Эльморайок) концентрация лантанидов и актинидов еще выше: в 4-9 раз превышает кларковое значение. Проявляется влияние биологического барьера, препятствующего чрезмерному накоплению тяжелых металлов во мхах на территории геохимической аномалии.
Лантаниды, актиниды, почвы, хибинско-ловозерская провинция
Короткий адрес: https://sciup.org/14313535
IDR: 14313535
Текст научной статьи Содержание лантанидов (Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm) и актинидов (Th, U) в почвах Хибинско-Ловозерской провинции
Тяжелыми считаются металлы, начиная с V, вплоть до U. Их подразделяют на главные (от V до Sr) и редкие (остальные). Редкие металлы делятся на d-элементы (от Zr до Hg), р-элементы (от Ga до Bi) и f-элементы (лантаниды и актиниды) (Иванов, 1996; 1997а; 1997б). К лантанидам (редкоземельным элементам) относят лантан (La) и его группу из 14 элементов. Их разделяют на две подгруппы: 1) легкие элементы цериевой подгруппы с атомной массой менее 153 (La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu) и 2) тяжелые элементы иттриевой подгруппы с атомной массой более 153 (Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, исключение – иттрий). К актинидам относят элементы от Th до Lr, хотя в количествах, представляющих практический интерес, в природе встречаются лишь два Th и U.
Редкоземельные металлы используются в качестве микроудобрений в почвах, обедненных этими металлами (Муравин, Титова, 2009; Wu, Guo, 1995). При избыточном содержании они становятся опасными. Грунтовые и поверхностные воды и растения могут загрязняться при удобрении осадками сточных вод, при попадании отходов нефтеперерабатывающих заводов и т.п. (Olmez et al, 1991; Tyler, 2004a; Zhu et al, 1995). Значительное количество урана содержится в фосфоритах (Маленкина, Савичев, 1994). Если экологическая роль актинидов определенно негативная, то действие лантанидов плохо известно из-за недостаточной информации об их содержании в почвах. Есть и другие неясности. Например, в классической книге Кабаты-Пендиас и Пендиас (1989) вызывает удивление более высокая обо-гащенность редкоземельными металлами подзолов, чем черноземов. Это связано с трудностями их определения. Таким образом, необходимо пополнение банка данных о содержании редких тяжелых металлов в почвах. Это позволит, в частности, выявлять положительные и отрицательные геохимические аномалий лантанидов и актинидов.
Между тем, изучение данных металлов сдерживается техническими проблемами. В последние годы прогресс в изучении редких тяжелых металлов связан с применением дорогого метода масс-спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ICP MS) (Кашулина и др., 2007; Переломов, 2007).
С применением еще более дорогого нейтронно-активационного анализа на ядерном реакторе с использованием гамма-спектрометра в почвах определяют различные рассеянные элементы: Hf, La, Се, Sm, Eu, Yb, Lu, Th, U — даже при низкой концентрации (Самонова, 1992; Инишева, Езупенок, 2007; Никонов и др., 1999). Диагностика Рг и Nd этим методом затруднена в связи с малым временем жизни этих изотопов (Иванов, Бурмистенко, 1986).
Наиболее простым и дешевым методом изучения тяжелых металлов в почвах является рентгенофлуоресцентный (Савичев, Сорокин, 2000; Водя-ницкий, Савичев, в печати). Не все редкие металлы в почвах можно изучать методом рентгенофлуоресцентного анализа. С его помощью определяют содержание в почвах циркония Zr, ниобия Nb, а из лантанидов - иттрия Y.
Развитие рентгенофлуоресцентного метода с использованием рентгенорадиометрического способа, когда образец возбуждается не за счет излучения рентгеновской трубкой, а радиоизотопным источником с высокой энергией излучения, позволяет идентифицировать несколько лантанидов (La, Се, Pr, Nd, Sm) (Водяницкий, Савичев, в печати; Savichev, Vodyanitskii, 2009). При использовании рентгенофлуоресцентного метода актиниды Th, U не идентифицируется в силу низких кларков. Но в почвах геохимических аномалий, где содержание редких металлов повышено, в принципе возможна их идентификация.
Цель работы - определение содержания лантанидов (Y, La, Се, Pr, Nd, Sm) и актинидов (Th, U) в почвах Хибинско-Ловозерской провинции, где расположено крупнейшее месторождение лопаритов, обогащенных этими редкими металлами.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Почвы северной тайги в Хибинско-Ловозерской провинции (Кольский п-ов) изучали на трех геохимических разных участках (Косарева, 2006). На фоновой территории на восточном берегу Умбозера вскрыты подзолы (разр. 10 и И) и торфо-подбур (разр. 12). В районе слабой геохимической аномалии, обусловленной близостью редкометалльного месторождения лопаритовых руд, образцы взяты в двух разрезах на западном берегу Лово-зера, где вскрыты торфяная почва (разр. 1) и бурозем (разр. 2). В районе сильной геохимической аномалии образцы взяты на северном берегу Сей-дозера (бурозем, разр. 5), на берегу р. Эльморайок (иллювиальногумусовая почва, разр. 7; торфо-подбур, разр. 8 и подзол, разр. 9).
Все почвы легкого гранулометрического состава. На территориях фона и слабой геохимической аномалии почвы песчаные, на месте сильной аномалии - в основном, супесчаные. Все почвы кислые с pH водной вытяжки от 3.9 до 5.6 (табл. 1). Верхние горизонты почв сильно отрофованы. Торф преимущественно низинный, его поверхность заросла сфагнумом (Косарева, 2006). Зольность оторфованных образцов колеблется от 6 до 67%. Предварительный анализ воздушо-сухих образцов торфа показал низкое содержание редких металлов и не точное соотношение между ними по сравнению с анализом золы. Отчасти это связано со снижением точности анализа при малом содержании редких металлов. Поэтому их содержание определяли в золе торфа.
Степень обогащенности или обедненности почвы редкими металлом оценивали по величине кларков концентрации КК (Перельман, 1975):
КК = Сэл : Кларк (з.к.), где Сэл - содержание в почве данного элемента, Кларк (з.к.) - его кларк в земной коре. Сравнение с кларком земной коры, но не с почвенным кларком связано с тем, что последние менее надежны, чем кларки для земной коры: о содержании редких металлов в литосфере данных гораздо больше, чем в почвах. Сомнительность почвенного кларка иттрия будет показана ниже. По той же формуле оценивали степень обогащенности элементами органогенных горизонтов, но уже в золе, как это принято для растений (Перельман, 1975). Для органогенных горизонтов Сэл - содержание в золе данного элемента.
Концентрация лантанидов и актинидов в растениях сильно зависит от содержания металлов в почве, которое в свою очередь определяется составом материнской породы (Иванов, 19976). Анализируя низкозольные торфы, можно составить представление о степени биологического поглощения редких металлов растениями-торфообразователями (сфагнумом).
Таблица 1. Некоторые свойства почв Хибинско-Ловозерской провинции
|
Горизонт |
Глубина, см |
Гранулометрический состав %, размер частиц, мм |
Гумус, % |
pH |
|||||
|
1.0- 0.25 |
0.25— 0.05 |
0.05-0.01 |
0.01-0.001 |
<0.001 |
Н20 |
КС1 |
|||
|
т |
Разр. 10 0-12 |
. Бере] |
' Умбоз |
Фог ера. То |
зфяно-п |
одзолис |
тая поч1 86* |
за 4.2 |
2.3 |
|
Е |
12-18 |
23 |
64 |
9 |
2 |
2 |
0.5 |
4.9 |
3.7 |
|
ВТ |
18-28 |
20 |
66 |
9 |
2 |
3 |
0.2 |
4.7 |
4.7 |
|
с |
28-47 |
21 |
61 |
12 |
4 |
2 |
0.2 |
4.7 |
4.7 |
|
т |
Разр. 11 0-8 |
. Бере] |
' Умбоз |
ера. То |
зфяно-п |
одзолис |
тая поч1 84* |
за 4.1 |
2.9 |
|
Е |
8-10 |
30 |
54 |
11 |
3 |
2 |
0.1 |
5.2 |
4.8 |
|
ВТ |
10-29 |
24 |
58 |
12 |
3 |
3 |
0.1 |
5.4 |
4.7 |
|
с |
29-49 |
24 |
59 |
11 |
4 |
2 |
0.1 |
5.7 |
5.0 |
|
Т1 |
Ра 0-6 |
зр. 12 |
Берег |
/мбозет |
за. Торф |
ЯНО-ПОЛ |
бур 92* |
5.3 |
3.4 |
|
Т2 |
6-18 |
— |
— |
— |
— |
— |
33* |
5.2 |
3.7 |
|
ВНЕ |
18-25 |
33 |
53 |
7 |
3 |
4 |
0.1 |
5.5 |
4.5 |
|
Т1 |
Р 9-32 |
Слабая геохимическая аномалия азр. 1. Берег Ловозера. Торфяная почва - I - I - I - I - I 94* |
5.3 |
4.7 |
|||||
|
Т2 |
32-40 |
39* |
4.4 |
3.7 |
|||||
|
Ат |
Р 0-5 |
азр. 2. |
БерегJ |
Товозер |
а. Дерне |
во-под( |
>ур 72* |
4.6 |
3.8 |
|
А1 |
5-12 |
75 |
12 |
9 |
1 |
3 |
- |
4.7 |
3.6 |
|
ВНЕ |
12-40 |
92 |
4 |
1 |
1 |
2 |
0.3 |
5.1 |
4.7 |
|
ВС |
40-50 |
93 |
3 |
1 |
1 |
2 |
0.3 |
4.9 |
4.7 |
|
Ат |
Разр. 5. 0-13 |
Сил Берег |
ьная ге Сейдоз |
эхимич ера. Toi |
еская ан зфяно-п |
омалия эдзолис |
тая поче 70* |
а 4.1 |
2.8 |
|
Е |
13-24 |
66 |
17 |
8 |
3 |
6 |
3.9 |
3.6 |
|
|
ВТ |
24-40 |
79 |
7 |
6 |
5 |
3 |
1.2 |
5.5 |
4.7 |
|
С |
40-62 |
84 |
11 |
1 |
2 |
2 |
0.3 |
5.6 |
5.3 |
|
Разр. 7. Берег р. Эльморайок. Иллювиально-гумусовая почва |
|||||||||
|
АТ |
0-15 |
— |
— |
— |
— |
— |
65* |
4.5 |
3.7 |
|
В |
15-23 |
37 |
41 |
11 |
6 |
5 |
0.4 |
5.4 |
4.7 |
|
ВС |
23-40 |
34 |
37 |
14 |
10 |
5 |
0.2 |
5.6 |
4.5 |
|
Т |
Разр. 8. Берег р. Эльморайок. Торфяно-подбур 0-15 I - I - I - I - I - I 60* |
4.4 |
4.3 |
||||||
|
ВНЕ |
15-47 |
34 |
35 |
16 |
11 |
4 |
0.2 |
5.1 |
4.3 |
|
Ат |
0-5 |
Разр. |
9. Бере] |
' р. Эль |
морайок |
. Подзо |
Л 88* |
4.1 |
2.8 |
|
Е |
5-15 |
21 |
61 |
12 |
2 |
4 |
1.5 |
4.3 |
2.9 |
|
ВТ |
15-30 |
32 |
46 |
10 |
5 |
7 |
2.0 |
4.8 |
3.5 |
|
С |
30-52 |
25 |
46 |
16 |
10 |
3 |
0.4 |
5.3 |
4.6 |
Потери при прокаливании.
Примечание. Здесь и далее: прочерк - нет данных.
Для этого мы подсчитывали коэффициент радиальной дифференциации лантанидов и актинидов R, сопоставляя их содержание в золе торфа (Ст) с количеством в гор. С (Со):
R = CT:Cc.
Подсчет проводили для разрезов, где в верхнем гор. Т зольность ниже 30%. При R >1 сфагнум обогащен металлами относительно породы, а при R < 1 - обеднен ими.
Содержание лантанидов определяли на рентгенофлуоресцентном энергодисперсионном анализаторе «РеСПЕКТ» (Толоконников, 2003), где образцы вместо излучения рентгеновской трубки возбуждались излучением изотопного источника 241 Аш (энергия линии излучения 59.48 кэВ, активность - 3.7Т010 с"1). Остальные свойства почв: гранулометрический состав, потери при прокаливании, значения pH - определяли традиционными методами (Александрова, Найденова, 1976).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Кларки редких металлов в земной коре равны: ¥ = 31; La = 35, Се = 66, Рг = 9.1; Nd = 40, Sm = 7; Th = 8.1; U = 2.3 мг/кг (Гринвуд, Эрншо, 2008). В почвах их кларки отличаются. Они выше, чем в земной коре для У = 40 и Th = 9 и ниже для La = 26, Се = 49, Nd = 19, Рг = 7.6, Sm = 4.8 и U = 2 мг/кг (Bowen, 1979).
Геохимические свойства лантанидов (У, La, Се, Рг, Nd, Sm) определяются способностью образовывать прочные комплексы с органическими лигандами, что способствует их выщелачиванию из почв. Поэтому для большинства из них отношение кларка почвы и земной коры К(п/к) < 1. Действительно, для La оно 0.74, для Се - 0.85, для Рг - 0.84, для Nd - 0.47, для Sm - 0.64. Исключение составляет У, для которого К(п/к) = 1.29, вероятно, это связано с ошибочным, завышенным почвенным кларком иттрия.
Актиниды (Th, U) также активно выщелачиваются при почвообразовательном процессе. Но их почвенные кларки близки кларкам земной коры, это, вероятно, связано с низкой достоверностью почвенных кларков актинидов. Считается, что торий сильнее накапливается в гумусовом горизонте, а уран - сильнее вымывается (Иванов, 19976). Геохимические барьеры для них одинаковые - горизонты, обогащенные глинистыми минералами.
Геохимическая аномалия образовалась благодаря влиянию Ловозерского месторождения лопаритовых руд. В лапарите очень высоко содержание редкоземельных металлов: в пересчете на оксиды от 24 до 35%. Приведем средний химический состав лопарита с условной формулой №СеТ120б (Иванов, 19976). В лопарите в среднем содержится в расчете на оксиды: редкоземельных металлов - 30, Ti - 40, Nb - 12, Na - 8, Sr - 3, Ca - 5, Ta -0.8%. Среди редкоземельных металлов доминирует Се - 49.6 отн. %, со- держание других лантанидов ниже: La – 28.4, Pr – 3.4, Nd – 15.5, Sm – 2.4 отн. %.
В результате обогащенности лопарита редкоземельными металлами, их содержание во много раз превышает кларковые значения для земной коры: Се = 133900 : 66 = 2030, La = 76700 : 35 = 2190, Pr = 9180 : 9 =1020, Nd = 41850 : 40 = 1050, Sm = 6480 : 7 = 926. Таким образом, лопаритсодержащие материнские породы могут быть значительно обогащены лантанидам, особенно самыми легкими (Се и La). Обогащенность лопарита Pr, Nd и Sm, примерно вдвое ниже, но все же достигает 1000-кратного уровня.
Содержание лантанидов и актинидов в почвах дано в табл. 2. В табл. 3 приведены средние значения кларков концентрации КК лантанидов для трех участков провинции отдельно для минеральных и оторфованных горизонтов.
На фоновой территории как в минеральных горизонтах, так и в золе торфов содержание всех лантанидов ниже кларкового уровня, а актинидов ниже пределов обнаружения. Это говорит о выщелачивании редких металлов, которое ранее было установлено в подзолистых почвах Швеции и Кольского п-ова (Никонов и др., 1999; Tyler, 2004b).
Допуская, что в низкозольных торфах содержание редких металлов определяется их поглощением мхом сфагнумом, можно сравнить полученное количество лантанидов и актинидов в золе торфа с литературными данными об их содержании во мхах.
В золе фоновых мхов содержится 1–30 мг La/кг (Иванов, 1997б). По нашим данным, на фоновой территории в золе торфов присутствует 26–57 мг La/кг, что близко верхнему пределу содержания лантана в золе мхов. Но содержание лантана в золе низкозольных торфов резко возрастает на территории сильной геохимической аномалии, достигая 170–190 мг La/кг. В золе растительности содержится 9–280 мг Се/кг (Иванов, 1997б). По нашим данным, на фоновой территории в золе торфов присутствует 38– 97 мг Се/кг, что попадает в данный интервал. Но содержание лантана в золе низкозольных торфов резко увеличивается на территории сильной геохимической аномалии, достигая 327–390 мг Се/кг. Это подтверждает, ранее высказанное мнение, что концентрация лантанидов и актинидов в растениях сильно зависит от содержания металлов в почве (Иванов, 1997б), хотя, как будет показано ниже, на геохимической аномалии биологические барьеры тормозят поступление металлов в растения.
На территории слабой геохимической аномалии ситуация иная. Здесь в минеральных горизонтах накапливаются все лантаниды, а из актинидов – торий: значения КК = 1.3–2.5. В золе торфа накапливаются только лантаниды и значительно сильнее, чем в минеральных горизонтах: значения КК = 2.0–5.4. Очевидно, это связано с обогащенностью материнской породы лопаритом.
Таблица 2. Содержание лантанидов и актинидов в почвах Хибинско-Ловозерской провинции
|
Горизонт 1 |
Глубина, см |
Y |
La 1 |
Ce 1 |
Pr 1 |
Nd Sm |
Th 1 |
U |
|
|
Фон Разр. 10. Берег Умбозера. Торфяно-подзолистая почва |
|||||||||
|
T* |
0 – 12 |
19 |
34 |
55 |
7 |
16 |
5 |
— |
|
|
E |
12 – 18 |
8 |
16 |
24 |
4 |
8 |
– |
– |
– |
|
ВT |
18 – 28 |
10 |
17 |
27 |
2 |
7 |
– |
– |
– |
|
С |
28 – 47 |
15 |
30 |
46 |
4 |
15 |
– |
– |
– |
|
Разр. 11. Берег Умбозера. |
Торфяно-подзолистая почва |
||||||||
|
Т* |
0 – 8 |
23 |
57 |
97 |
13 |
30 |
8 |
– |
– |
|
E |
8 – 10 |
8 |
20 |
30 |
3 |
7 |
– |
– |
– |
|
ВT |
10 – 29 |
12 |
21 |
33 |
3 |
6 |
– |
– |
– |
|
С |
29 – 49 |
12 |
25 |
44 |
3 |
11 |
– |
– |
– |
|
Т1* |
Разр. 1 0 – 6 |
2. Бер 16 |
ег Умб 41 |
озера. 55 |
Торфян 11 |
о-под 17 |
бур 7 |
– |
– |
|
Т2 |
6 – 18 |
16 |
26 |
38 |
5 |
12 |
5 |
– |
– |
|
BHF |
18 – 25 |
13 |
25 |
38 |
5 |
10 |
3 |
– |
– |
|
Т1* 1 |
Слабая геохимическая аномалия Разр. 1. Берег Ловозера. Торфяная почва 9 – 32 53 291 553 44 141 16 |
20 1 |
– |
||||||
|
Т2* |
32 – 40 1 |
107 |
171 1 |
307 1 |
22 1 |
87 1 |
19 1 |
24 1 |
– |
|
Aт* |
Разр. 0 – 5 |
2. Бер 31 |
ег Лово 104 |
зера. Д 203 |
ерново 19 |
-подб 58 |
ур 16 |
15 |
|
|
А1 |
5 – 12 |
35 |
61 |
120 |
14 |
44 |
11 |
19 |
– |
|
ВHF |
12 – 40 |
61 |
108 |
198 |
13 |
57 |
10 |
16 |
– |
|
ВС |
40 – 50 |
43 |
97 |
185 |
12 |
59 |
10 |
14 |
|
|
Сильная геохимическая аномалия Разр. 5. Берег Сейдозера. Торфяно-подзолистая почва |
|||||||||
|
Ат* |
0 – 13 |
130 |
190 |
390 |
35 |
144 |
29 |
63 |
15 |
|
Е |
13 – 24 |
144 |
145 |
277 |
21 |
104 |
18 |
61 |
13 |
|
ВТ |
24 – 40 |
186 |
201 |
390 |
30 |
142 |
23 |
77 |
18 |
|
С |
40-62 |
227 |
259 |
498 |
46 |
198 |
35 |
78 |
19 |
|
Разр |
. 7. Берег р. |
Эльморайок. |
Иллювиально-гумусовая |
почва |
|||||
|
АТ* |
0 – 15 |
320 |
434 |
830 |
71 |
269 |
37 |
68 |
16 |
|
В |
15 – 23 |
281 |
439 |
836 |
75 |
250 |
46 |
61 |
18 |
|
ВС |
23 – 40 |
269 |
423 |
747 |
58 |
255 |
40 |
96 |
25 |
|
Т* |
Разр. 8. Берег 0 – 15 346 |
р. Эльморайок. Торфяно-подбур 292 655 47 201 32 |
53 1 |
13 |
|||||
|
ВНF |
15 – 47 1 |
231 |
255 1 |
500 1 |
41 1 |
158 1 |
25 1 |
81 1 |
19 |
|
Aт* |
Разр 0 – 5 |
. 9. Б 163 |
ерег р. 170 |
льмор 327 |
айок. 22 |
одзо 98 |
л 20 |
20 |
|
|
E |
5 – 15 |
199 |
147 |
294 |
22 |
106 |
16 |
30 |
– |
|
ВT |
15 – 30 |
246 |
218 |
460 |
36 |
156 |
26 |
124 |
34 |
|
С |
30 – 52 |
281 |
349 |
785 |
55 |
224 |
32 |
83 |
19 |
|
Кларк (к) |
31 |
35 |
66 |
9 |
40 |
7 |
8.1 |
2.3 |
|
|
Кларк (п) |
40 |
26 |
49 |
7.6 |
19 |
4.5 |
9 |
2 |
|
* Содержание лантанидов в золе.
Таблица 3. Средние значения кларка концентрации КК лантанидов и актинидов в почвах Хибинско-Ловозерской провинции
|
Y |
| La |
| Се | Рг | Nd | Sm | |
Th |
1 и |
|
0.4±0.03 |
0.6±0.05 |
Минеральные горизонты Фоновая территория 0.5±0.05 0.3±0.04 0.2±0.04 - |
||
|
1.5±0.26 |
2.5±0.42 |
Слабая геохимическая аномалия 2.5±0.37 1.4±0.06 1.3±0.12 1.5±0.06 |
2±0.17 |
1 ____________ |
|
7.4±0.5 |
| 8.7±1.8 |
Сильная геохимическая аномалия | 8±1.1 | 4.7±0.66 14.4±0.4814.1±0.471 |
9.4=Ы.О |
19.0±1.0 |
|
0.6±0.05 |
1±0.25 |
Органогенные горизонты Фоновая территория 0.9±0.2 1±0.2 0.4±0.09 0.9±0.1 |
||
|
2±0.7 |
5.4±1.2 |
Слабая геохимическая аномалия 5.4±1.6 3.1±0.9 2.4±0.6 2.4±0.13 |
2.5 |
1 ____________ |
|
7.8±1.7 |
| 7.7±1.7 |
Сильная геохимическая аномалия | 8.3±1.8 | 4.8±1.2 | 4.4±0.9 | 4.2±0.5 | |
6.3±1.3 |
16.4±0.4 |
Еще выше концентрация лантанидов и актинидов территории сильной геохимической аномалии. В минеральных образцах содержание актинидов превышает кларк в среднем в 9.0-9.4 раза; иттрия, лантана и церия - в 7.4-8.7 раз, а празеодима, неодима, самария - в 4.1-4.7 раз. Наиболее сильно минеральные образцы обогащены актинидами. Различие в степени обога-щенности редкими металлами обусловлено химической спецификой подстилающих руд.
Ранее было показано, что содержание лантанидов в растениях убывает в порядке возрастания их атомных масс, с учетом различия кларков металлов (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Согласно нашим данным, в золе торфов это правило соблюдается только при высокой концентрации металлов в районе сильной аномалии: там кларк концентрации КК более легких У, La, Се равен 7.7-8.3, а более тяжелых Pr, Nd, Sm снижается до 4.2-4.8. Интересно, что вопреки представлениям о низком накоплении растениями тория и урана (Иванов, 19976), на территории сильной геохимической аномалии их значения КК в золе торфа достигают 6.3-6.4, превышая таковые для Pr, Nd, Sm, хотя атомные массы актинидов значительно выше, чем Pr, Nd, Sm.
Мы обнаружили важные различия в распределении Рг и Nd. Оказалось, что из подзолов активнее выщелачивается неодим, чем празеодим. В результате отношение Pr : Nd возрастает до 0.43-0.50 в гор. А2 против 0.27 в гор. С. Таким образом, неодим более чувствителен к оподзоливанию, чем празеодим. Вероятно, это связано со способностью Nd образовывать более прочные комплексы с органическими лигандами, чем Рг (Дятлова и др.. 1988; Лурье, 1979).
Известно, что содержание тория и урана в фоновых почвах крайне незначительно. Среднее количество тория в почвах Сибири, Дальнего Востока и Средней Азии 6.6-6.7 мг/кг (Иванов, 19976). При этом содержание урана варьирует сильнее и, следовательно, изменяется используемое геохимиками отношение Th : U; оно ниже в аридной зоне (2.9), чем в гумид-ной (4.5). Рентгенофлуоресцентый анализ не позволяет определять содержание Th и U в количествах ниже 10-12 мг/кг. Поэтому содержание актинидов в фоновых почвах Хибинско-Ловозерской провинции мы определить не смогли. Но на территории слабой геохимической аномалии содержание тория определено - оно составляет 14-24 мг/кг. А на территории сильной аномалии содержание Th = 20-124 и U = 13-34 мг/кг. Это позволяет рассчитать отношение Th : U в почвах сильной аномалии - оно колеблется от 3.4 до 4.7, в среднем 4.1, что близко к таковому для фоновых почв гумидных регионов (4.5).
В табл. 4 приведены значения коэффициента радиальной дифференциации R = Ст : Со лантанидов и актинидов в разрезах. В фоновых почвах все значения R > 1, что говорит о накоплении мхом редких металлов относительно породы. Особенно сильно накапливается празеодим R ~ 2.8. Но по мере продвижения к центру геохимической аномалии мхи начинают относительно меньше накапливать редкие металлы. Например, относительное накопление празеодима снижается в таком порядке (по значениям R): 2.8 —> 1.6 —> 0.8. Это правило распространяется на все редкие металлы. Вероятно, в этом сказывается влияние биологической барьера, препятствующего чрезмерному накоплению тяжелых металлов в растениях.
Таблица 4. Значения коэффициента радиальной дифференциации R = Су : Со лантанидов и актинидов в почвах
|
Разрез |
Зольность торфа, % |
Y |
La |
Се |
Рг |
Nd |
Sm |
Th |
и |
|
10 |
14 |
1.26 |
( 1.13 |
Doh 1.20 |
1.75 |
1.07 |
|||
|
11 |
16 |
1.92 |
2.28 |
2.20 |
4.33 |
2.73 |
- |
- |
- |
|
12 |
8 |
1.23 |
1.64 |
1.45 |
2.20 |
1.70 |
2.33 |
- |
- |
|
Среднее |
1.47 |
1.68 |
1.62 |
2.76 |
1.83 |
2.33 |
- |
- |
|
|
2 |
Слабая геохимическая аномалия 28 | 0.72 | 1.07 | 1.10 | 1.58 | 0.98 |
1.60 |
1.07 |
||||||
|
5 |
Ci 30 |
шьная 0.57 |
reoxHN 0.73 |
шческ( 0.78 |
1я аноА 0.76 |
1алия 0.73 |
0.83 |
0.81 |
0.79 |
|
9 |
12 |
0.58 |
0.49 |
0.42 |
0.40 |
0.44 |
0.62 |
0.24 |
0.53 |
|
Среднее |
0.57 |
0.61 |
0.60 |
0.58 |
0.58 |
0.72 |
0.52 |
0.66 |
|
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В районе Хибинско-Ловозерской провинции на Кольском п-ове территория делится на три участка. На фоновой территории вблизи Умбозера как в минеральных, так и в оторфованных образцах содержание всех редких металлов ниже кларкового: лантаниды и актиниды сильно выщелачиваются из кислых подзолистых почв. В районе слабой геохимической аномалии (вблизи Ловозера) от лопаритсодержащей породы наследуются все лантаниды, а из актинидов - Th: их содержание в 1.3-5.4 раза превышает кларковое значение. В зоне сильной геохимической аномалии (на северном берегу Сейдозера и на берегу р. Эльморайок) концентрация лантанидов и актинидов еще выше: в 4-9 раз превышает кларковое значение. Проявляется влияние биологической барьера, препятствующего чрезмерному накоплению тяжелых металлов во мхах на территории геохимической аномалии.
Список литературы Содержание лантанидов (Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm) и актинидов (Th, U) в почвах Хибинско-Ловозерской провинции
- Александрова Л.Н., Найденова О.А. Лабораторно-практические занятия по почвоведению. Л.: Колос, 1976. 279 с.
- Водяницкий Ю.Н., Савичев А.Т. Возможности рентгенофлуоресцентного метода в изучении редких тяжелых металлов (Zr, Nb, Hf, Ta, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Th, U) в почвах//Почвоведение. В печати.
- Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. М.: Бином, 2008. Т. 1. 607 c. Т. 2. 670 с.
- Дятлова Н.М., Темкина В.Я., Попов К.И. Комплексоны и комплексонаты металлов. М.: Химия, 1988. 544 с.
- Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов. Редкие р-элементы. М.: Недра, 1996. Кн. 3. 352 c.
- Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов. Редкие d-элементы. М.: Экология, 1997а. Кн. 5. 574.
- Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов. Редкие f-элементы. М.: Экология, 1997б. Кн. 6. 606 c.
- Иванов И.Н., Бурмистенко Ю.Н. Нейтронно-активационный анализ и использование короткоживущих радионуклидов. М.: Энергоиздат, 1986. 160 c.
- Инишева Л.И. Езупенок Е.Э. Содержание химических элементов в торфах верхового типа//Современные проблемы загрязнения почв. II Межд. Науч. конф. М., 2007. Т. 2. С. 63-67.
- Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.
- Кашулина Г.М., Чекушин В.А. Богатырев И.В. Физическая деградация и химическое загрязнение почв Северо-Запада Европы//Современные проблемы загрязнения почв. II Межд. Науч. конф. М., 2007. Т. 2. С. 74-78.
- Косарева Н.В. Геохимия гидроморфных ландшафтов Хибинско-Ловозерской провинции. Автореф. … канд. геогр. н. М., 2006. 20 с.
- Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1979. 480 с.
- Маленкина С.Ю., Савичев А.Т. Геохимия урана мезозойских фосфоритов в центральной части Восточно-Европейской платформы//Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 1994. № 4. С. 54-58.
- Муравин Э.А., Титова В.И. Агрохимия. М.: КолосС, 2009. 462 с.
- Никонов В.В., Лукина Н.В., Фронтасьева М.В. Рассеянные элементы в подзолистых Al-Fe-гумусовых почвах в условиях воздушного загрязнения медно-никелевым производством и изменения литогенного фона//Почвоведение. 1999. № 3. С. 370-382.
- Переломов Л.В. Взаимодействие редкоземельных элементов с биотическими и абиотическими компонентами почв//Агрохимия. 2007. № 11. С. 85-96.
- Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М.: Высшая школа, 1975. 341 c.
- Савичев А.Т., Сорокин С.Е. Рентгенофлуоресцентный анализ содержания микроэлементов и тяжелых металлов в почвах//Агрохимия. 2000. № 12. С. 71-74.
- Самонова О.А. Редкоземельные элементы: лантан, церий, самарий, европий -в лесостепных почвах Приволжской возвышенности//Почвоведение. 1992. № 6. С. 45-49.
- Толоконников И.А. Энергодисперсионный рентгенофлуоресцентный анализатор состава вещества РеСПЕКТ//Атомная энергия. 2003. Т. 95. Вып.1. С. 69-70.
- Bowen H. J. M. Environmental chemistry of elements. N.Y.: Acad. Press, 1979. 333 p.
- Olmez I., Sholkovitz E.R., Hermann D., Eganhouse R.P. Rare earth elements in sediments off Southern California: a new anthropogenic indicator//Envir. Sci. Technol. 1991. V. 25. P. 310-316.
- Savichev A.T., Vodyanitskii Yu.N. Determination of barium, lanthanum and cerium contents in soils by the X-ray radiometric method//Eurasian Soil Science. 2009. V. 42. № 13. P. 1461-1469.
- Tyler G. Rare earth elements in soil and plant systems//Plant and Soil. 2004a. V. 267. P. 191-206.
- Tyler G. Vertical distribution of maior, minor, and rare elements in Haplic Podzol//Ceoderma. 2004b. V. 119. P. 277-290.
- Wu Z.M., Guo B.S. Application of rare earth elements in agriculture and medicines//Bioinorganic chemistry of rare earth elements/Ed. J.Z. Ni. Science Press. Beijing, 1995. P. 13-55.
- Zhu W.F., Xu S., Zhang H. Biological effect of rare earth elements in rare earth mineral zone in the south of China//Chin Sci. Bull. 1995. P. 914-916.
