Геохимические барьеры как показатель загрязнения земельных ресурсов

Размещено на http://www.allbest.ru

СОДЕРЖАНИЕ

Аннотация

Введение

Геохимические барьеры как показатель загрязнения земельных ресурсов:

1. Геохимические барьеры

2. Физико-химические барьеры

3. Механические барьеры

4. Биогеохимические барьеры

5. Социальные барьеры

6. Комплексные геохимические барьеры

7. Определение загрязнений с помощью геохимических барьеров

Заключение

Список литературы

Расчетная часть

АННОТАЦИЯ

В курсовой работе рассматривается введенное в естественные науки в 1961 году академиком А.И. Перельманом новое фундаментальное понятие - геохимические барьеры. Дается классификация барьеров с выделением четырех основных классов: физико-химических, биологических, механических и социальных. Все они, за исключением физико-химических, только начинают изучаться, и вся приведенная информация отображает всю изученность вопроса на данное время. В каждом из классов для барьеров разных видов приводятся особенности концентрации определенных элементов и их соединений, характеристики барьеров, дающие возможность количественно оценить каждый из них. Показывается возможность прогнозировать на конкретных природных и техногенных (антропогенных) геохимических барьерах концентрацию определенных геохимических элементов и их соединений. Рассматриваются возможности формирования техногенных геохимических барьеров.

Также в качестве практического применения навыков выполнения инженерных расчетов по специальности «Экология» проводится расчет индексов загрязнения атмосферы, воды и почвы.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В курсе геохимии рассматриваются закономерности перемещения и концентрации атомов (чаще ионов) различных химических элементов в зависимости от внешних и внутренних факторов. Экологическая геохимия (понятие геохимических барьеров относится именно к этой отрасли науки) как часть общей геохимии занимается изучением данной проблемы в верхней оболочке Земли, населенной животными и растительными организмами, - биосфере.

Изучая особенности распределения элементов, как в пределах отдельных участков, так и в их различных объединениях, можно установить основные геохимические законы и закономерности миграции и концентрации химических элементов в биосфере. Без знания и учета этих законов антропогенная деятельность будет постоянно вступать в противоречия с природой. геохимический барьер загрязнение атмосфера

В экологической геохимии значительное внимание уделяется миграции и концентрации химических элементов, происходящих в биосфере под воздействием антропогенных процессов. Однако практически невозможно связать такое глобальное понятие, как биосфера, с влиянием на изменение процессов миграции и концентрации различных веществ (в частности, токсичных) отдельных предприятий и даже крупных промышленных и аграрных комплексов. В связи с этим геохимическую (в том числе и биогеохимическую) роль антропогенных процессов удобнее рассматривать на более низком уровне организации материи, а именно на ландшафтно-геохимическом. Именно на этом уровне геохимические барьеры лучше всего служат показателем загрязнения земельных ресурсов, потому что здесь они наиболее четко проявляются и здесь наиболее четко видны источники загрязнения.

На данный момент развития человеческой цивилизации масштабы использования земельных ресурсов стали глобальными, а объемы отходов - катастрофическими. Понятие же геохимических барьеров помогает характеризовать и оценить воздействие этих отходов на окружающую среду. Но это все в теории, а на практике существует множество препятствий этому, и поэтому, чем скорее будут решены все вопросы анализа генезиса геохимических барьеров, тем скорее будут решаться вопросы экологизации цивилизации.

История развития. Как уже указывалось, экологическая геохимия является одним из научных направлений геохимии - науки ХХ столетия. Время рождения геохимии можно назвать и более точно - это 1908-1911 года. Местом ее рождения считается Московский университет, его кафедра минералогии, которой в те годы руководил В.И. Вернадский. В числе основоположников геохимии нельзя не назвать аспиранта В.И. Вернадского, а впоследствии академика А.Е. Ферсмана и норвежского ученого В.М. Гольдшмидта.

Оформлению геохимии как самостоятельной науки способствовали работы многих ученых, которых сначала называли натуралистами. Из их числа вышли многие геологи, экологи, физики, химики и математики. Исследования, проведенные ими, и создали тот научный фундамент, на котором начала строиться геохимия.

Формированию геохимии как самостоятельной науки предшествовали работы, которые можно считать даже первыми собственно геохимическими исследованиями (наиболее важной из них является составление Ф.У. Кларком первой сводной таблицы среднего химического состава земной коры).

Первые геохимические законы и закономерности были открыты В.И. Вернадским, А.Е. Ферсманом и В.М. Гольдшидтом, которых и считают основоположниками геохимии.

Работы В.И. Вернадского предопределили возникновение и, как ожидается, бурное развитие экологической геохимии. Первой обобщающей работой в этой области была его монография «Биосфера» (1926), в которой дана довольно полная картина процессов, протекающих в биосфере. В работах Вернадского большое внимание уделяется влиянию на течение этих процессов антропогенной деятельности. Его работы также положили начало планомерному изучению химического состава живых организмов.

А.Е. Ферсманом в 1933-1939 годах были впервые систематизированы в четырех томах «Геохимии» данные о миграции и концентрации химических элементов с объяснением причин (внешних и внутренних факторов), обуславливающих их. Особо следует отметить введение им термина «техногенез»(1922), который характеризует геохимическую деятельность человечества и начало изучения этого процесса.

Лучшие работы В.М. Гольдшмидта связаны с установлением размеров ионных радиусов и определением их влияния на состав минералов. Можно считать, что под влиянием его идей началось бурное и плодотворное развитие кристаллохимии, первый закон которой был сформулирован им.

Наибольший интерес для нас представляет этап бурного развития и разветвления геохимии, когда шло углубленное изучение распределения и миграции элементов в различных частях земной коры. Именно в этот период выходили труды А.И. Перельмана, в которых впервые упоминаются геохимические барьеры. Вообще же во второй половине ХХ века вышло множество трудов видных геохимиков современности, недооценить которые просто нельзя: в них описываются основные законы формирования геохимических барьеров, основные характеристики и основы анализа барьеров.

Цель работы: Проанализировать возможность использования геохимических барьеров для оценки загрязнения земельных ресурсов.

Задачи: 1. Проанализировать всю имеющуюся современную информационную базу по теории возникновения геохимических барьеров и сделать обобщающий вывод по этому вопросу.

Рассмотреть факторы, влияющие на концентрирование элементов на геохимических барьерах.

Проанализировать возможности количественной и качественной оценки геохимических барьеров, как мест концентрации загрязняющих веществ.

Методы исследований:

анализ научного материала

системный анализ

анализ публикаций

Использованные материалы: Учебные пособия, монографии, научные публикации.

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЗЕМЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

1. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ

Классификация геохимических барьеров

Геохимические барьеры - одно из основных понятий современной геохимии. Сам термин «геохимический барьер» был предложен А.И. Перельманом в 1961 году. По его формулировке, это «те участки земной коры, на которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрация.

Геохимические барьеры биосферы разделяются на два основных типа - природные и техногенные. И те, и другие располагаются на участках изменения факторов миграции. В первом случае смена факторов, а соответственно и смена одной геохимической обстановки другой обуславливаются природными особенностями конкретного участка биосферы. Во второй - такая смена геохимических обстановок происходит в результате антропогенной деятельности.

Оба типа геохимических барьеров подразделяются Перельманом на три основных класса: физико-химические, биогеохимические и механические. Первый из них связан с изменением физико-химической обстановки. К настоящему времени детальная классификация разработана только для этого класса барьеров, а точнее, для случая осаждения химических элементов, мигрирующих в ионной форме в водах с различными окислительно-восстановительными и щелочно-кислотными условиями. Вариант этой классификации приведен на демонстрационном листе.

Механические барьеры представляют собой участки резкого уменьшения интенсивности механической миграции. Они в основном связаны с антропогенным типом миграции химических элементов в минеральной или коллоидной форме. Перемещение коллоидов и минералов может происходить в воздушной и водной средах, а также на границе сред (скатывание обломков по склонам).

Биогеохимические барьеры, в отличие от многих других, связаны в основном с природным типом миграции химических элементов. По своей сути они представляют собой накопление химических элементов растительными и животными организмами. Эти геохимические барьеры относятся к числу наиболее распространенных в биосфере. Концентрация химических элементов на геохимических барьерах непосредственно является частью биологического круговорота этих элементов.

Накопление химических элементов (соединений) на геохимических барьерах часто приводит к их аномальным концентрациям. При определенных условиях концентрация и общее содержание элементов на барьере резко возрастают, образуются месторождения полезных ископаемых. До недавнего времени рассматриваемые процессы были только природными. Сейчас техногенные процессы достигли таких масштабов, что и на природных, и на техногенных барьерах под их воздействием возможно накопление определенных элементов (соединений) в промышленных концентрациях. Так формируются техногенные месторождения различных полезных ископаемых, в первую очередь - металлов.

Геохимические барьеры могут существенно отличаться друг от друга не только концентрациями определенных элементов и их общим количеством на барьере, но и величиной самих барьеров. По этому критерию А.И. Перельман выделил макро-, мезо- и микробарьеры. К первым из них он отнес геохимические барьеры шириной до первых километров и длиной тысячи километров. Примером таких барьеров являются современные и древние зоны смешивания пресных речных вод с солеными морскими.

Протяженность мезобарьеров доходит до десятков километров при ширине до сотен метров. Их примером являются краевые зоны болот, где отлагаются многие элементы, сносимые с водоразделов.

Разделы микробарьеров колеблются от нескольких миллиметров до первых метров. Своеобразные микробарьеры возникают на отдельно разлагающихся на дне водоема раковинах или рыбах. Их также можно наблюдать в родниках, на месте выхода на дневную поверхность глеевых вод, из которых в присутствии свободного кислорода воздуха отлагается окислившееся трехвалентное железо Fe(OH)3.

Иногда к одному и тому же барьеру поступают химические элементы (соединения) из разных миграционных потоков. В этих случаях возникают многосторонние барьеры. Довольно часто при поступлении нескольких миграционных потоков в одно место геохимический барьер образуется именно за счет слияния этих потоков. В таких случаях возможно образование не только многосторонних, но и комплексных барьеров. Последние представляют собой пространственное наложение друг на друга нескольких разных геохимических барьеров.

Иногда барьеры разделяются в зависимости от положения в пространстве поступающих к ним миграционных потоков. Если они продвигаются в субгоризонтальном направлении, например по границе почв и подстилающих их горных пород, то говорят о латеральных геохимических барьерах. При вертикальном и слабонаклонном продвижении миграционного потока (независимо от того, сверху вниз или снизу вверх) формируются вертикальные, или радиальные барьеры.

Само положение барьера относительно поступающего к нему миграционного потока может изменяться. Если барьер перемежается в направлении водного потока, но медленнее фильтрации вод, то перед барьером в водах повышается концентрация химических элементов. Сам же миграционный поток также может передвигаться, обычно перпендикулярно или под углом к геохимическому барьеру. С подобным явлением приходится часто встречаться, когда русла рек постепенно меняют свое положение при впадении в моря и озера. При этом на барьерах формируется своеобразная зональность распределения химических элементов.

Вообще же следует отметить, что понятие о геохимических барьерах относится к числу важнейших в геохимии. Но изучение таких барьеров началось сравнительно недавно, и многие особенности накопления на них химических элементов еще не выявлены.

Количественные характеристики геохимических барьеров

К числу важнейших количественных параметров (см. таблица 1 на демонстрационном листе) относится градиент барьера. Он определяется по формуле:

G = (m1 - m2) / L,

где m1 - числовое выражение величины одного из показателей, определяющих изменение геохимической обстановки на барьере, установленное в миграционном потоке перед барьером; им могут быть величины pH, t, P, Eh, количество растворенного в воде кислорода, или сероводорода и т.д.;

m2 - числовое выражение величины этого же показателя в миграционном потоке сразу же после барьера;

L - мощность (ширина) барьера.

Величина градиента барьеров может быть выражена в градусах/м; pH/м; Eh/м и других показателях.

Еще одной количественной характеристикой геохимических барьеров является контрастность барьера S, определяемая по формуле:

S = m1 / m2

Так как в итоге на геохимическом барьере в большинстве формируются геохимические аномалии, то о контрастности барьера можно судить и по контрастности образовавшихся геохимических аномалий:

К = Са / Сф,

где Са - среднее содержание рассматриваемого компонента в аномалии;

Сф - фоновое содержание в ландшафте (определенном типе горных пород, почв, осадков, вод, растений и т.д.), аналогичном ландшафту, в котором расположен рассматриваемый барьер.

Обычно интенсивность накопления химических элементов (их соединений) усиливается с возрастанием градиента и контрастности геохимических элементов.

Для расчета концентрации элементов на барьере (h) была выведена следующая формула:

h = К • (С1 - С2) / (а1 - а2)

где К - коэффициент, зависящий от «инертной» массы (почв, осадков, живого вещества и т.д.), на которой происходит накопление рассматриваемого вещества; С1, С2 - содержание рассматриваемого вещества в миграционном потоке соответственно до и после барьера; а1, а2 - общее содержание всех веществ, мигрирующих в потоке соответственно до и после барьера.

Из приведенной формулы видно, что для концентрации какого-нибудь элемента на барьере не обязательно его высокое содержание в мигрирующих потоках. Если данный участок является барьером только для одного или нескольких элементов (соединений), а у большинства остальных элементов (соединений) на этом участке интенсивность миграции не изменяется, то даже при низкой концентрации рассматриваемого элемента в мигрирующем потоке его концентрация на барьере может со временем стать очень высокой, вплоть до образования рудных тел.

Следует отметить, что сейчас возникает необходимость чаще пользоваться указанной особенностью геохимических барьеров при формировании техногенных барьеров. Особое внимание следует при этом уделять формам нахождения химических элементов в миграционном потоке, их относительному количеству и особенностям самой среды миграции, так как именно они во многом определяют процесс осаждения элементов (соединений) на различных геохимических барьерах.

Принцип торможения химических реакций

В миграционных потоках, как и в других природных геохимических системах, содержится ряд геохимических элементов, способных вступать в химические реакции между собой и осаждаться на образующихся геохимических барьерах. Некоторых элементов в системе может быть настолько много, что их хватает для реализации всех возможных реакций. Эти элементы в данной системе являются избыточными. Например, на поверхности Земли таким элементом является кислород. Его содержание не лимитирует протекание реакций окисления, и он продолжает оставаться одним из основных газов в атмосфере. В системах кислых магм избыточен SiO2. Его хватает для реализации всех реакций и после этого он еще остается, выделяясь в виде кварца. К дефицитным в данной системе элементам относятся те, низкое содержание которых не позволяет реализовать все термодинамически возможные реакции. Элементы, избыточные в одной природной системе, могут быть недостаточными в другой. Так, в глубинах Земли становится дефицитным О2, а в основных магмах - SiO2.

В 1941 году А.И.Перельман сформулировал принцип торможения химических реакций (принцип Перельмана), учитывающий наличие в системе избыточных и недостаточных химических элементов: если в системе один из реагентов присутствует в количестве, недостаточном для реализации всех возможных реакций, то осуществляются лишь те реакции, для которых характерно максимальное химическое сродство.

Сущность принципа его автор иллюстрирует примером, хорошо известным из курса химии. Если к раствору с равными концентрациями Cl- и J- добавлять по каплям AgNO3 (в данной системе он будет дефицитным реагентом), то сначала начнет осаждаться AgJ. Это будет связано с его более низкой растворимостью по сравнению AgCl.

На первом этапе реакция осаждения AgJ «тормозит» осаждение AgCl, так как при отсутствии J шло бы осаждение AgCl. В дальнейшем, по мере расходования J, концентрация Ag+ в растворе начинает расти (растворимость AgJ - величина постоянная). Наступит момент, когда вместе с AgJ станет осаждаться AgCl. После того, как будет израсходован весь J- (ионы перейдут в осадок), начнется осаждение чистого AgCl.

В отличие от лабораторного эксперимента в природных условиях процесс полного расходования ионов в системе практически не происходит - их новые порции поступают извне. Создаваемая в этих условиях обстановка для продолжительного проявления принципа торможения более благоприятная, чем в лаборатории при исследовании рассмотренного выше дробного осаждения.

2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ

Сероводородные барьеры

При резком понижении величины Eh возникают восстановительные геохимические барьеры. Если на таких барьерах осаждение химических элементов происходит с участием H2S (в виде газа или водного раствора), то барьер считается сероводородным. В таблице 1, приведенной на демонстрационном листе, показано, что на сероводородном барьере происходит осаждение химических элементов, поступающих с кислородными и глеевыми водами, имеющими разные кислотно-щелочные характеристики. В биосфере такие воды находятся в изобилии, а следовательно, появление сероводородных барьеров лимитируется наличием самого сероводорода.

В зонах сероводородного заражения (а H2S может находиться в них в виде раствора и газа) происходит реакция взаимодействия H2S с растворенными солями и металлами в самородном состоянии. Ее результатом является образование труднорастворимых сульфидов. Так формируются сероводородные барьеры. Глобальное распространение и генетическое разнообразие таких барьеров в биосфере позволяет объединять сероводородные барьеры по отношению к породам (осадкам), в которых они образуются и где происходит отложение сульфидов. При таком подходе в биосфере можно выделить осадочно-диагенетические сероводородные и эпигенетические барьеры. Кроме них можно говорить о магматическом барьере, выходящем за пределы биосферы. Такое подразделение имеет и определенный геохимический смысл: есть некоторые различия в изотопном составе серы сульфидов, образующихся на этих барьерах. Осадочно-диагенетические сероводородные барьеры возникают в осадках при бактериальном разложении в них органического вещества. Эпигенетические сероводородные барьеры возникают в уже сформировавшихся горных породах и отличаются генетическим разнообразием, хотя все формируются благодаря жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий. Магматический сероводородный барьер находится за пределами биосферы, и мы можем изучать лишь образовавшиеся на нем сульфиды. В зависимости от генезиса магмы и источников в ней серы, изотопный состав серы в сульфидах бывает различным, и все же в подавляющем большинстве случаев он близок к среднему для Земли или относится к слегка утяжеленному - от 4 до 6‰ (В.И. Виноградов).

Важным является тот факт, что сероводородный барьер является одним из основных барьеров, на которых формируются разные месторождения, то есть участки с аномально высокими концентрациями и большими запасами Pb, Zn, Cu, Cd, Ag, Mo, Hg, As, Sb, Ni.

Следует отметить, что сероводородные геохимические барьеры могут возникнуть как природным путем, так и быть обусловленными загрязнениями антропогенного характера. Так как целью работы является рассмотреть роль геохимических барьеров как показателей загрязнения земельных ресурсов, то будут приведены примеры природных сероводородных барьеров, имеющих в своем генезисе антропогенный фактор.

Довольно крупные природные и техногенные сероводородные геохимические барьеры формировались и формируются в настоящее время в дельтах крупных рек. Показательно будет рассмотреть процесс образования барьера на примере реки Дон (рисунок 3 на демонстрационном листе). При впадении ее в Таганрогский залив Азовского моря сульфатами обогащены не только воды реки, но и илы. Этому способствует «ветровой нагон» морской воды в реку на десятки километров. В таких условиях (по данным анализа илов) выделен ландшафт с сульфатно-сульфидно-кальциево-натриевым классом водной миграции. Таким образом, имеется постоянный источник серы в водах и илах участка. Есть и все предпосылки для широкого развития сульфатредуцирующих бактерий. Это в первую очередь достаточно теплый климат и обилие органических веществ, связанных с буйной растительностью камышово-рогозово-тростниковой формации. Вырабатываемого бактериями в дельте H2S столько, что его не успевают окислить кислородные воды даже такой крупной реки, как Дон. В илах возникает восстановительная сероводородная обстановка. Начинаясь у обоих берегов, она охватывает 2/3 площади реки, лишь в районе сильного течения остается место для глеевой обстановки в донных отложениях. На границе сероводородных илов и кислородных вод формируется нормальный сероводородный барьер с накоплением сульфидом таким металлов, как Fe, Cu, Pb, Zn, Cd, Ag и другие.

При практически неподвижном барьере миграционным потоком и источником осаждающихся металлов являются воды реки. Их (металлов) концентрация в донных отложениях, в соответствии с формулой Перельмана, будет обратно пропорциональна общему количеству материала, отложившегося на барьере. Следовательно, даже при концентрациях определенных металлов, обычных для поверхностных вод континентов, на аналогичном барьере концентрация этих металлов может соответствовать промышленной концентрации. С подобным процессом в прошлом связывается образование многих стратифицированных месторождений меди.

Своеобразное строение рассматриваемого сероводородного барьера, переходящего в центральной части в глеевый, создает предпосылки для зонального строения формирующейся рудной залежи. Постепенное горизонтальное продвижение дельты (обычное явление для многих рек) осложняет рудную зональность и в итоге может привести к зональности, соответствующей наблюдаемой на известных месторождениях.

В рассматриваемом примере на природном геохимическом барьере постоянно отлагается довольно много материала, переносимого в реке. Концентрация тяжелых металлов в донных отложениях в большой мере зависит от содержания их в водах реки, а следовательно, от количества промышленных сбросов в реку. Таким образом, в данном случае мы имеем дело с формированием на природном сероводородном барьере антропогенных геохимических аномалий тяжелых металлов.

Выше по течению той же реки Дон имеет место уже не природный, а техногенный сероводородный барьер, подобный ранее описанному. Источниками серы в этом случае являются сульфаты, поступающие в реку с нагонными течениями из Азовского моря и со сбросами промышленных предприятий Ростова и Аксая. Природные сообщества планктонных водорослей (а именно они развиты в этой части реки) не создают достаточного количества органических соединений для жизнедеятельности большого числа бактерий, и основной объем органики поступают с бытовыми стоками городов Аксай и Ростов.

В этих условиях формируется сероводородный барьер. Концентрирующиеся на нем металлы имеют в основном тоже техногенное происхождение. Образование таких барьеров в реках у крупных населенных пунктов - явление аномальное и опасное. Во-первых, сам H2S, накапливающийся в илах, - это сильный яд для большинства живых организмов. Во-вторых, тяжелые металлы, осевшие из вод в илы, постепенно поступают в растительные и животные организмы (включая человека), вызывая их отравление.

Кислородные барьеры

К числу получивших наибольших наибольшее распространение в биосфере относятся и кислородные геохимические барьеры. Объясняется это тем, что такие барьеры образуются каждый раз, как только миграционные потоки с бескислородными водами (глеевыми или сероводородными) попадают в зоны со свободным кислородом. Поскольку такими зонами являются практически вся атмосфера (в том числе значительная часть почвенной атмосферы) и верхние горизонты большинства поверхностных вод (включая воды океана), то формирование кислородных барьеров на земной поверхности лимитируется в основном наличием миграционного потока бескислородных вод.

Окислительный барьер может также возникнуть при смене резковосстановительных условий слабовосстановительными и слабоокислительных - резкоокислительными. В этих случаях резко увеличивается значение Eh.

Из металлов на кислородных барьерах осаждаются железо и марганец с переменной валентностью и совместно с ними, но гораздо реже кобальт. Кроме этих металлов на кислородных барьерах могут концентрироваться сера и селен. Это происходит в тех случаях, когда к кислородному барьеру подходит поток сероводородных вод.

Примеры кислородных геохимических барьеров:

На многих сероводородных источниках видны образование и осаждение своеобразных «хлопьев» серы. Это явление связано с окислением (часто с участием серобактерий) сероводорода до свободной серы. Данный процесс можно представлять как аналог формирования более древних месторождений серы (смотри рисунок 2 на демонстрационном листе). Примером таких месторождений является Шорсу в Ферганской долине.

Один из наиболее распространенных кислородных барьеров - барьер, образуемый в результате окисления глеевых вод, поступающих на поверхность по разрывным нарушениям. На поверхности такие барьеры представляют собой железные шляпы, состоящие в основном из гематита и гидрогетита (лимонита). Одним из районов широкого распространения железных шляп, приуроченных к кислородным барьерам, является Джунгарский Алатау (Южный Казахстан). Железные шляпы встречаются по зонам нарушения в углистых сланцах и известняках, часто содержащих рассеянный пирит. В плане рассматриваемые железные шляпы представляют собой линзообразные тела размером до 10 на 100 метров, обычно вытянутые вдоль зон разломов.

Примером техногенного кислородного барьера (с локальной зоной воздействия, но развитый во многих горно-рудных районах), может послужить барьер, формирующийся в зоне отлива глеевых шахтных (рудничных) вод. В этих случаях идет (пока в миниатюре) процесс, аналогичный формированию природных «железных шляп». Рассматриваемый кислородный барьер постепенно становится комплексным (раздел 6), так как происходит наложение сорбционного (в основном коллоидами Fe[OH]3), а часто и щелочного барьера. Таким образом, на относительно небольшом участке концентрируется целый ряд металлов, выносимых с шахтными водами.

К кислородным барьерам можно отнести и многочисленные родники с выходами на поверхность глеевых вод. Дно таких родников обычно сплошь покрыто оседающими рыхлыми гидроксидами железа, из-за чего сами воды часто получают название «железистых» или «железных вод». К их числу относят известные «железные воды» на курорте Горячий Ключ (Западный Кавказ).

Своеобразные кислородные микробарьеры в луговых и болотных почвах были изучены В.В. Добровольским (1966). Он описал трубчатые железистые стяжения в почвах Европейской части России. Их диаметр колеблется от 0,5 до 3 сантиметров при длине 3,8 сантиметра. Такие стяжения формируются вокруг отмерших корней растений, по которым атмосферный кислород проникал в оглееные горизонты.

Следует отметить, что этот вид геохимических барьеров крайне редко может служить показателем антропогенного загрязнения земельных ресурсов, так как к настоящему времени в пределах биосферы среди кислородных барьеров преобладают природные. Но среди имеющихся техногенных на одном из первых мест по площади развития стоят барьеры, образующиеся при осушении болот. В этот период глеевая обстановка, характерная для болот, сменяется кислородной. И хотя продолжительность существования таких барьеров мала (даже в истории человечества), эколого-геохимические последствия перехода на больших территориях от глеевой обстановки к кислородной чрезвычайно велики. Не все из них еще изучены, однако изменение интенсивности водной миграции железа, марганца и кобальта на больших площадях осушиваемых болот фиксируется довольно четко.

Глеевые барьеры

Глеевые барьеры возникают в тех случаях, когда на участки с восстановительной бессероводродной обстановкой попадает поток кислородных или глеевых вод. При этом щелочно-кислотное состояние этих вод может быть различным. Если на барьер поступают глеевые воды, слабоглеевая обстановка должна сменяться сильноглеевой. Это происходит при понижении величины Eh. К настоящему времени теоретически обосновано появление таких глеевых барьеров в биосфере, но пока они в природных условиях практически не изучены.

Глеевые условия обычно возникают на участках разложения органических веществ без доступа кислорода или при его недостаточном поступлении, а также в зонах поступления водорода по разломам из глубинных слоев. Показателями глеевой обстановки может служить наличие углеводородов (чаще всего CH4), а в водных потоках, кроме того, растворенных органических соединений, Fe2+,H2. Горные породы глеевой обстановки имеют белую, сизую, серую и зеленую окраски. При переходе Fe2+ в Fe3+ окраска резко меняется, становясь ржаво-бурой.

Примеры глеевых барьеров:

К числу наиболее распространенных глеевых барьеров относятся краевые части болот. Из поверхностных кислородных вод в этих частях, при смене окислительной обстановки глеевой начинается осаждение таких элементов, как Cu, Mo, U, Ag, Cr, V, As.

На глеевых барьерах, как правило, четко выражена их двусторонность. Кроме рассмотренного потока кислородных вод, из глеевой зоны идет встречная миграция элементов, подвижных в бескислородной обстановке. К их числу относится Со, концентрирующийся за пределами глеевой зоны на кислородном барьере.

Своеобразные глеевые барьеры встречаются в западинах с солодями в лесостепях. Сами барьеры в таких условиях (осолоделые горизонты отличаются большой степенью выщелачивания высокодисперсных и водорастворимых компонентов, которые аккумулируются в лежащих ниже горизонтах вмывания) обычно расположены в нижней части гумусового горизонта. На рассматриваемых барьерах наиболее энергично накапливается молибден. Его содержание на барьере может быть в 8-10 раз выше, чем в лежащих выше («кислородных») почвах.

Щелочные барьеры

На участках, где кислая среда сменяется щелочной, слабощелочная - резкощелочной или сильнокислая - слабокислой, начинают формироваться щелочные геохимические барьеры. Другими словами, щелочные барьеры возникают при резком скачкообразном увеличении значений pH. В этих условиях из водных растворов на щелочных барьерах осаждаются многие минералы, относящиеся к карбонатам, гидроксидам, фосфатам.

Примеры щелочных геохимических барьеров:

Формирование кислых природных растворов часто связано с окислением сульфидных руд. Величина рН таких вод , по данным многочисленных исследований, может уменьшатся до 2,6-3,0. Если же недалеко от рудных тел есть карбонатные породы, то в результате их взаимодействия рН растворов, мигрирующих от сульфидных руд, резко повышается. На небольшом расстоянии кислые воды (рН=2,6) становятся нейтральными (рН=7,0) и даже слабощелочными.

Кислые воды сульфидных полиметаллических месторождений, как правило, обогащены Cu, Zn, Fe, Pb. Так, в водах полиметаллических месторождений Джунгарского Алатау концентрации Pb и Zn достигают 90-100 мкг/литр. При поступлении таких вод в карбонатные породы и смешивании их с так называемыми «фоновыми водами» на щелочных барьерах происходит отложение сульфатов цинка, железа, свинца.

Щелочные барьеры образуются и на контакте ультраосновных пород с известняками в результате боковой миграции кислых вод (смотри рис.4 на демонстрационном листе). Так как кислые водные потоки, мигрирующие из ультраосновных пород, обогащены никелем и кобальтом, концентрации этих металлов на щелочном барьере могли стать основой некоторых гипергенных месторождений.

Довольно часто щелочные геохимические барьеры формируются в районах с шахтной отработкой месторождений полезных ископаемых. Откачиваемые из штолен и шахт воды представляют собою техногенный поток кислых растворов целого ряда химических элементов. При смешивании этих растворов с нейтральными и слабощелочными поверхностными и подземными водами биосферы, а особенно при взаимодействии шахтных вод с карбонатными породами образуются многочисленные щелочные барьеры. На них, в зависимости от минералогических и геохимических особенностей отрабатываемых месторождений, осаждаются многие тяжелые металлы, особо токсичные в высоких концентрациях: свинец, кадмий, цинк, ртуть, кобальт и другие (смотри таблица 1 на демонстрационном листе, барьер Д-6).

Кислые барьеры

Кислые геохимические барьеры формируются в тех случаях, когда нейтральные и щелочные условия скачкообразно меняются на слабокислые и кислые, а также при довольно резкой смене слабокислой обстановки на сильнокислую или даже при резкой смене сильнощелочных условий слабощелочными. Другими словами, можно сказать, что кислые геохимические барьеры возникают при резком уменьшении величины рН.

На кислых барьерах чаще концентрируются анионогенные химические элементы, как, например, Si, Ge, Mo и другие. Такие барьеры характерны как для условий биосферы, так и для гидротермальных систем. Роль кислого барьера в формировании контрастных геохимических аномалий и руд считается меньшей, чем щелочного.

Примеры кислых геохимических барьеров:

Довольно часто небольшие по размерам кислые барьеры образуются в почвах с внутрипочвенной щелочно-кислотной дифференциацией. Как пример, можно рассмотреть почвенный профиль колочных солодей Северного Казахстана. Величина рН в нем до глубины 30-40 см равняется 5-6, а на глубине более 40 см повышается до 8-9. Продвижение к поверхности элементов, растворимых в щелочной среде, происходит до появления кислой обстановки. Затем начинается их осаждение на кислом барьере. Н.С. Касимовым (1982) в таких условиях наблюдались концентрация Y, Se, Be, Zr и образование их ложных геохимических аномалий в верхнем почвенном горизонте.

На многих кислых барьерах химические элементы осаждаются из потока содовых вод. Такие воды чаще всего образуются за счет обменных реакций и выветривания натриевых силикатов. В рассматриваемых водных потоках легко растворяются и часто находятся в повышенной концентрации Mo, V, Se, U, Si, Y, Zr, Ag, Se, Be, Cu, Al, Cr.

Испарительные барьеры

Испарительные геохимические барьеры представляют собой участки, на которых увеличение концентрации химических элементов происходит в результате процессов испарения. Наиболее распространены они в регионах с засушливым климатом (пустынях [рис.5 на демонстрационном листе], сухих степях и саваннах), но встречаются и в черноземных степях и даже лесостепях. В сухие периоды их временное появление возможно даже в тайге и тундре (в дождливый период идет промывание почв и аномальные концентрации элементов на испарительных барьерах могут исчезнуть).

Испарительные геохимические барьеры могут образовываться в различных окислительно-восстановительных условиях, но чаще всего встречаются испарительные барьеры, формирующиеся в условиях кислородной окислительной обстановки.

Следует отметить большой хозяйственный ущерб, наносимый в результате образования испарительных барьеров на сельскохозяйственных угодьях (а также засоление земель). Особые бедствия связаны с содовым засолением, которое переходит в ранг мировых проблем. В качестве примера можно привести высохшие участки акватории Аральского моря, на которых сейчас регистрируются фантастически аномальные концентрации солей (это вполне сформировавшаяся глобальная экологическая катастрофа).

Наиболее простым и очень распространенным примером образования испарительного геохимического барьера может быть засоление почв в результате поднятия грунтовых вод выше уровня их капиллярного подъема на поверхность. При поднявшемся уровне грунтовых вод часть их вместе с растворенными в них солями по капиллярам достигает почв. С поверхности идет атмосферное испарение вод, а растворенные соли накапливаются в почвах. Так происходит формирование испарительного геохимического барьера. Чем выше концентрация растворимых в воде солей, тем более мощной будет зона барьера и быстрее произойдет засоление почв. Поднятие уровня грунтовых вод может быть как природным, так и антропогенным. В последнем случае сформировавшиеся барьеры относится к техногенным. Чаще всего техногенные испарительные барьеры образуются в результате чрезмерного орошения почв, вызывающего подъем уровня грунтовых вод выше критического. Техногенный подъем уровня вод может быть связан с созданием водохранилищ, особенно в равнинных регионах, а также со сбросами сточных вод.

Испарительные техногенные барьеры с чрезвычайно опасными концентрациями многих тяжелых металлов образуются около промышленных отстойников, в которые сбрасывают жидкие отходы предприятия химической промышленности. Но, к сожалению, большинство отстойников расположено в поймах рек и на таких участках в периоды паводков и дождей происходит растворение солей на барьерах и вынос токсичных веществ в реки.

Один из подобных отстойников сделан в старице реки Северный Донец. Уровень грунтовых вод, связанных со старицей, высокий, что и привело к образованию испарительного геохимического барьера. Постоянная же подпитка из старицы, ставшей отстойником, способствовала повышению концентрации в грунтовых водах целого ряда тяжелых металлов, в том числе свинца и цинка. Отложение металлов в почвах на испарительном барьере привело к образованию (в направлении продвижения грунтовых вод от озера - отстойника к реке) крупных аномалий металлов. Так, размер контрастной аномалии цинка превышает 1,5 км2, а свинца - 0,5 км2.

Особо следует отметить, что содержания металлов в почвах этих техногенных аномалий вполне сопоставимы с промышленными содержаниями в рудах, хотя в периоды таяния снега и половодья почвы ежегодно подвергаются интенсивнейшему природному промыванию. Столь высокое содержание металлов в почвах способствовало их резко повышенному накоплению в растениях, включая различные сельскохозяйственные культуры. Это в свою очередь вызвало резкое увеличение заболеваемости населения в районе.

В случаях, когда для накопления токсичных отходов производства создаются отстойники - накопители, но недостаточная степень их изоляции допускает (хоть и отдельные) прорывы загрязняющих отходов в грунтовые воды, размеры аномалий на испарительных барьерах уменьшаются по сравнению с описанными ранее. Однако и в этих случаях их площадь остается довольно большой. Аномалия цинка на испарительном барьере около такого отстойника в летний период достигала 0,35 км2, а свинца - 0,05 км2. Содержание металлов в верхнем почвенном горизонте оставалось по-прежнему очень высоким.

К числу распространенных испарительных барьеров относятся и формирующиеся за счет непосредственного испарения растворов, находящихся на поверхности. Как правило, для функционирования таких барьеров необходимо в первую очередь наличие водоупоров, препятствующих более быстрому, чем испарение, просачиванию. В природных условиях такими водоупорами обычно являются глины и сланцы. При создании техногенных барьеров для формирования водоупоров часто также используются сланцы и глины (для этих целей их обычно дополнительно утрамбовывают), а также асфальт, цемент и различные синтетические материалы.

Следует отметить, что испарительные техногенных барьеры, вероятно, получили наибольшее площадное развитие среди техногенных физико-химических барьеров. Они образуются практически везде, где в больших объемах проводится орошение земель и отмечается поднятие уровня грунтовых вод.

Сорбционные барьеры

Сорбционные геохимические барьеры формируются на участках встречи водного или газового потока с сорбентами. До последнего времени сорбционные барьеры выделялись только при миграции в водных потоках. Изучение миграции поллютантов техногенного происхождения показало большую роль сорбционных барьеров в концентрации в ландшафтах загрязняющих веществ при аэрозольном переносе. Правда, в большинстве подобных случаев мы имеем дело с комплексными (обычно сорбционными и механическими) барьерами.

Примеры сорбционных геохимических барьеров:

Наиболее часто встречающимися сорбционными барьерами являются участки, на которых водные растворы, как правило, с концентрацией ионов, далеко не достигающей насыщения (в этих случаях не идет осаждение их собственных минералов), встречаются с природными сорбентами (рисунок 6 на демонстрационном листе). Среди последних резко преобладают глины, гумусовые вещества и гидроксиды Fe и Mn. Рассматриваемые барьеры характерны для краевых зон болот (сорбентом является торф), гумусовых и глинистых почв, кор выветривания.

Сорбционные процессы, происходящие в Океане и речных водах (несомненным является то, что они относятся к числу основных процессов, очищающих воды от многих токсичных элементов), также можно рассматривать как формирование громадного сорбционного макробарьера.

Сорбционные барьеры таких же громадных барьеров, как рассматриваемые выше в Океане, формируются и в атмосфере. Многочисленные аэрозоли природного и техногенного происхождения сорбируют молекулы определенных газов. В результате миграция этих газов существенно ограничивается, так как контролируется перемещением сорбировавших их аэрозолей и временем нахождения последних в атмосфере. Таким образом, идет формирование подвижного сорбционного барьера для целого ряда газов.

В свою очередь сорбированные молекулы газов создают вокруг аэрозолей своеобразную воздушную адсорбционную оболочку. Это позволяет аэрозолям (включая тонкую пыль), адсорбировавших газы, находиться в воздухе не 5 суток, как обычно, а 40 суток. Увеличение срока нахождения в атмосфере пыли способствует увеличению дальности ее переноса от места поступления до места концентрации на механических барьерах. В итоге могут появиться геохимические аномалии (и в первую очередь техногенные), оторванные от источников загрязнения.

В атмосфере одновременно с процессами сорбции происходит сталкивание и соединение разноименно заряженных частиц. Эти процессы также приводят к образованию в атмосфере сорбционных макробарьеров. Однако в отличие от барьеров, связанных с сорбцией газов, дальность миграции частиц в атмосфере в этом случае не увеличивается, а резко уменьшается, так как происходит укрупнение частиц и увеличение их массы. Расчеты показывают, что скорость осаждения коллоидных частиц в воздухе в 600 раз больше, чем в воде. Следовательно, укрупнение аэрозолей приводит к их более локальному осаждению в ландшафтах суши. При этом происходит сближение (пространственное и генетическое) сорбционного и механического барьеров.

Заряд частиц, попавших в атмосферу, может быть изначальным или приобретенным. Обычно основные вещества (CaO, ZnO, MgO и т. д.) заряжены отрицательно, а угольная пыль (дым) и кислые вещества (SiO2, P2O5 и т.д.) - положительно. Чем больше разноименно заряженных частиц будет находиться в определенной части атмосферы (над городом или даже отдельными предприятиями), тем чаще они сталкиваются, соединяются и оседают.

Таким образом, чем больше разнообразных предприятий - источников разнозаряженных аэрозолей - находится рядом, тем меньше становится дальность переноса аэрозолей. Это, с одной стороны, уменьшает глобальные (с точки зрения пространственного распространения) последствия аэрозольного переноса техногенной природы, так как уменьшается дальность переноса.

С другой стороны, на небольшой площади территории, обычно с максимальной плотностью населения, оседает максимум загрязняющих веществ. Их относительное рассеивание становится незначительным, но токсичное воздействие резко возрастает. Это, а также общее большое промышленных центров с разнообразными предприятиями позволяет относить последствия формирования рассматриваемого техногенного барьера к глобальным техногенным явлениям в биосфере.

Термодинамические геохимические барьеры

Формирование термодинамических барьеров происходит при довольно резком изменении давления и температуры в конкретных геохимических системах. К настоящему времени в биосфере природные термодинамические барьеры преобладают над техногенными. Последние, как правило, возникают в процессе выполнения отдельных технологических операций и пока существенного влияния на общее состояние биосферы не оказывают.

Наиболее иллюстративным является образование из растворов, продвигающихся по трещинам в горных породах, травертина (карбонат кальция). Процесс проходит при быстром падении давления, связанном с раскрытием трещин или приближением (выходом) на поверхность подземных гидрокарбонатно- кальциевых вод. Наибольшую известность получили травертины, образовавшихся на термодинамических барьерах крупнейших курортов, связанных с минеральными водами (районы Эльбруса и Казбека, горы горячей в Пятигорске, Карловых Вар).

Если формирование описываемых барьеров происходило в рудных районах, то продвигающиеся растворы обогащались рудными элементами, являющимися индикаторами оруднения в этих районах. При отложении на поверхности травертина вместе с ним выпадали из растворов и соответствующие металлы. Так, к примеру, травертины Коксу-Текелийского полиметаллического района обогащены Pb и Zn.

Пример термодинамического барьера приведен среди барьеров, образующих комплексный, в разделе 6: отложение цинка при распаде его хлоридных комплексов, связанное с охлаждением горячих рассолов (56°С) в Красном море.

3. МЕХАНИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ

Механические барьеры формируются в условиях резкого уменьшения интенсивности механической миграции веществ. Подробная классификация этих барьеров пока еще не разработана. Так как сами барьеры всегда представляют механическую преграду для веществ, перемещающихся в миграционном потоке, то их удобно разделять в зависимости от форм нахождения мигрирующих веществ и элементов потока, в котором эти вещества перемещаются (таблица 3.1)

Таблица 3.1 - Классификация механических барьеров

Характеристика миграционного потока (среды миграции)	Характеристика веществ, перемещающихся в миграционном потоке
	Минералы, изоморфные примеси в минералах	Растворенные газовые смеси и пары	Коллоиды и сорбированные ими вещества	Животные и растительные организмы	Техногенные соединения
Водные растворы (I)	I1 (+++)	-	I3 (+)	I4 (+)	I5 (++)
Газовые смеси (К)	К1 (++)	К2 (++)	К3 (+++)	К4 (+)	К5 (++)

Условные обозначения: «-» - барьер практически не получил развития; «+» - роль барьера незначительна; «++» - барьер получил широкое развитие в биосфере; «+++» - один из основных механических барьеров.

Механические барьеры в водных потоках

На механических барьерах осаждаются переносимые водными потоками минералы с находящимися в них изоморфными примесями (барьер I1, таблица 3.1), коллоиды с сорбированными ими веществами (барьер I3), живые и отмершие животные и растительные организмы (барьер I4), техногенные соединения, не имеющие природных аналогов (барьер I5).

Осаждение минералов происходит практически на всем протяжении водных потоков, постоянных и временных, которые могут быть на суше (реки, ручьи и т.д.) и в океане (течения, волноприбойная деятельность). На природных барьерах идет дифференциация в зависимости от массы перемещаемых обломков. Если же рассматривать обломки одного размера, то дифференциация будет происходить от удельного веса. При этом большое влияние могут оказывать ландшафтно-геохимические особенности места расположения механического барьера.

За счет дифференциации на природных барьерах I1 могут формироваться высокие концентрации отдельных минералов. В случае их промышленных запасов образуются россыпные месторождения самородных Au и Pt, алмазов, гранатов, цирконов и т.д. (большая часть золота в России добывается из россыпных месторождений). Иногда промышленную ценность представляют изоморфные примеси, содержащиеся в основных минералах россыпей (примером может служить Hf, извлекаемый из циркона). Протяженные россыпи образуются в прибрежных зонах морей благодаря гидродинамической деятельности морских вод. Многие из таких россыпей имеют большое промышленное значение. Размеры барьеров различные (от микро- до макро-).

Как правило, природные концентрации химических элементов на механических барьерах I1 не представляют опасности для живых организмов, так как находятся в труднорастворимых минералах. Техногенные минералы I1 в основном связаны с гидротехническими сооружениями. На континентах это чаще всего плотины, перегораживающие реки. Поскольку они преграждают путь как мелким, так и крупным обломкам, то дифференциация веществ на этих техногенных барьерах гораздо меньше, чем на природных. Промышленных скоплений каких-либо химических элементов на техногенных барьерах I1 пока не выявлено. При большой скорости отложения обломочного материала происходит быстрое заполнение водохранилищ терригенным материалом, поэтому теряет смысл построение плотин.

...