2.3. Глобальный элементопоток железа.

Масса железа в земной коре оценивается в 755 трлн. т /177/. В результате вулканической деятельности в литосферу ежегодно поступает около 3 млрд. тонн железа в виде магматических расплавов, причем почти 90 % приходится на подводные вулканы. Значительное количество железа содержится в железомарганцевых конкрециях (ЖМК) Мирового океана. Химический состав океанских конкреций крайне разнообразен: в них в тех или иных количествах присутствуют практически все элементы периодической системы. В таблице приведены средние содержания главных рудных элементов в морских железомарганцевых конкрециях и в глубоководных пелагических осадках /178, 179/.

Таблица 12. Средний химический состав железомарганцевых конкреций Мирового океана

Проблема генезиса железомарганцевых конкреций сопряжена с оценкой скорости их роста /180/. Согласно результатам датирования конкреций традиционными радиометрическими методами, скорость их роста оценивается миллиметрами за миллион лет, т.е. намного ниже скоростей отложения осадков. По другим данным, в частности по возрасту органических остатков и по изотопному составу гелия, конкреции растут в сотни и тысячи раз быстрее и могут, как предполагают, оказаться моложе подстилающих осадков /181/.

Окраинные районы океанов являются «фабрикой», поставляющей Mn и Fe в океан. В морские и океанические воды металлы попадают, в том числе и при подводных вулканических процессах, как в виде примеси в породообразующих и акцессорных минералах, так и из флюидов. Во флюидах подводных гидротермальных систем (курильщики) содержание металлов в 10-50 раз выше, чем в океанической воде. В ламинарной части гидротермального факела происходит образование свежего гидроксида железа, который является сильнейшим сорбентом /182/. Он, как и другие сорбенты, захватывает металлы. Осаждение гидроксида железа приводит к обогащению осадков этими металлами.

Транспортировка вещества с континентов в океанические бассейны осуществляется в виде механического переноса (18,4 10¹⁵ г/год) и переноса в растворенном виде (4,3 10¹⁵ г/год). Большая часть вещества переносится реками: 87% от механического переноса и 91% от переноса в растворенном виде /183/. Исходя из содержания металла в верхней континентальной коре, можно оценить его общий снос за год в бассейны накопления.

В настоящее время скорость химической эрозии на различных континентах различается в 3-4, а механической примерно в 25 раз, что определяется тектонической активностью и климатом региона. От этого зависит количество и характер вещества, сносимого в разные части Мирового океана. На длительность нахождения элемента в природных водах существенно влияет величина электростатического действия энергии связи элемент - кислород. Путем геохимических сопоставлений доказано, что основная часть (62 – 88 %) Fe, Mn, Pb, Zn поступает в глубоководные осадки из гидротермальных источников, в то время как основная часть других металлов (54 – 94 %) Ba, Ni, Co, Zr, La, Sm – из океанской воды /182, 183/.

В связи со сложностью количественной оценки движения железа с мантийными флюидами и при формировании океанических конкреций, эти процессы в глобальном элементопотоке железа не учитывались.

Содержание железа в почвах колеблется от 2 до 550 мг/кг /184/. Среднее значение концентрации железа в органическом веществе педосферы составляет 200 – 300 мкг/г сухого вещества. В целом масса железа в педосфере оценивается в 31,436 млрд. т /185/. В зонах металлургических комбинатов (производительностью свыше 5 млн. т стали в год) в твердых выбросах содержится от 22000 до 31000 мг железа /кг пыли. Поэтому в прилегающие к комбинатам почвы ежегодно поступает до 31 – 42 мг железа /кг сухого вещества /186, 187/.

Железо, растворенное в природных и техногенных водах, представлено соединениями, находящимися в ионной форме, в виде гидроксокомплекса и комплексов с растворенными неорганическими и органическими веществами природных вод. Содержание железа в поверхностных водах суши составляет десятые доли миллиграмма, вблизи болот – единицы миллиграммов. Наибольшие концентрации железа (до нескольких десятков и сотен миллиграммов в 1 дм³) наблюдаются в подземных водах с низкими значениями рН.

Интенсивность миграции железа в подземных водах зоны гипергенеза /132, 188/:

• содержание в водах – 5,47*10^-4 г/л

• содержание катионов железа (Fe²⁺, Fe³⁺) в речных водах – 0,04 мг/кг

Главными источниками соединений железа в поверхностных водах являются процессы химического выветривания горных пород, сопровождающиеся их механическим разрушением и растворением. Значительные количества железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и с сельскохозяйственными стоками.

По данным /189/ содержание железа в речных водах и озерной воде составляет ~ 10^-4 %, в морской воде ~2·10^-7%, в подземных водах ~10^-5%.

Таблица 13. Содержание железа в источниках воды. /132, 188, 189/

Таким образом, суммарное количество железа в гидросфере составляет 5,83·10⁹ т. Годовой речной сток оценивается /178/ в 991·10⁶ т железа в год, из которого 963·10⁶ т составляют взвешенные формы, а 28·10⁶ – растворенные.

Естественными источниками выбросов железа в атмосферу являются: вулканическая деятельность, выветривание горных пород, выдувание почвы, дым от лесных и степных пожаров, метеоритная пыль. Принято считать, что средняя концентрация естественной пыли в атмосфере в настоящее время не подвержена значительным колебаниям. /190, 191/. В таблице 14 представлено количество аэрозолей, поступающих от различных источников /190/, и содержание в них железа.

Таблица 14. Количество аэрозолей и содержание в них железа /190, 191/

Подавляющая часть пыли аэрозолей быстро оседает с крупными частицами, и над континентом в атмосфере постоянно находится около 1 % этого количества /191/. Таким образом, количество железа, постоянно находящееся в атмосфере, составляет:13,38 + 3,56 = 16,94 1% - 0,17 млн. т.

Таблица 15. Мировое поступление железа в атмосферу, млн. т/год

Поведение железа в биосфере. Железо присутствует в организмах всех животных и в растениях (в среднем около 0,02 %); оно необходимо главным образом для кислородного обмена и окислительных процессов. Железо активно вовлекается в биологический круговорот, т.к. входит в состав многих ферментов. Характерные содержания железа в организмах животных и в растениях представлены в таблице 16 /184, 189, 192/. Таким образом, суммарное количество железа, постоянно находящегося в биосфере, составляет 487,5 млн. т. В биоте суши находится 485,89 млн. т железа, а 1,613 млн. т – в океане.

Таблица 16. Характерные содержания железа в организмах животных и в растениях

Железо, мигрирующее в ходе биологических процессов. Поскольку масса растений суши составляет ~ 98 % от общей массы биоты, то в расчетах учитываем только движение железа в процессах жизнедеятельности растений. Захват железа растительностью оценивается количеством 516 кг/км² в течение года /189, 190/. Общая площадь земельного фонда всей планеты составляет 134 млн. км² /193/, а площадь суши, на которой осуществляется вовлечение железа в биологический круговорот - 75 % от общей площади суши или 100,5 млн. км². В этом случае количество железа в биологическом круговороте: 100,5·10⁶·0,516 = 51,9·10⁶ т железа в год, что подтверждается данными источника /178/, согласно которым, вовлечение железа в биологический круговорот достигает 34·10⁶ т/год.

Схема элементопотока железа в природной среде, приведенная на рисунке 5, не учитывает движение железа с магматическими флюидами и рассолами, поступающими из недр земли, и в результате тектонической деятельности. Поэтому этот элементопоток можно назвать своеобразным «мгновенным» природным элементопотоком, так как масштабы годового переноса железа учтенными природными средами представляют собой малую величину в сравнении с длительностью Большого геохимического цикла миграции элементов.

Таблица 17. Наиболее значимые параметры движения железа в природной среде.

Движение железа в техносфере. Учитывалось только движение железа, связанное с процессами и изделиями черной металлургии. По оценкам /158/ на его долю приходится свыше 95 % всего железа, мигрирующего в техносфере. Расчеты производились для периода 2004…2005 годов для возможности сравнения с параметрами элементопотоков марганца, хрома, ванадия и галлия, которые определены в последующих разделах. Были использованы следующие источники /103, 194…215/. Результаты расчетов приведены в таблицах 18 и 19. На основе полученных данных можно построить «глобальный» элементопоток железа в природной и техногенной среде (Рисунок 5).

Таблица 18. Движение железа с материалами производственного (в том числе отложенного) рециклинга

Рисунок 5. Основные направления элементопотока железа в природной и техногенной среде.

Таблица 19. Макробаланс производства железа