Геохимические барьеры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российский Государственный Педагогический Университет

им. А.И. Герцена.

РЕФЕРАТ

на тему: «Геохимические барьеры»

Выполнила:

студентка 2 курса, гр. 6

Бочарова Елена Юрьевна.

г. Санкт-Петербург, 2013 г.

Содержание

Введение

1. Понятие геохимических процессов. Исследователи

2. Классификация геохимических барьеров

3. Типы/виды геохимических барьеров

4. Техногенные геохимические барьеры и защита окружающей среды

5. Развитие геохимических процессов

Список используемой литературы

Введение

Прошло 40 лет с возникновения учения о геохимических процессах. За эти годы оно получило практическое применение в самых различных отраслях хозяйства. Появилось много публикаций, посвященных различным геохимическим барьерам, их возникновению, отрицательному и положительному воздействию на изменения эколого-геохимической обстановки в разных частях биосферы. Много работ за эти годы было посвящено рассмотрению роли геохимических барьеров и формировании месторождений полезных ископаемых окружающих их (и отдельные рудные тела) геохимических ореолов.

Анализ эколого-геохимических изменений, происходящих в процессе, характерном для современного периода перехода биосферы в ноосферу, показал, что в число основных показателей, определяющих этот процесс, входит формирование новых геохимических барьеров.

Как и в биосфере в целом, в пределах отдельных ландшафтов и в их группах, составленных по определенным признакам, практически непрерывно идет перемещение атомов химических элементов, часто с изменением форм их нахождения. Другими словами, идут процессы миграции. Однако их интенсивность в разных участках биосферы может весьма различаться. Само же перемещение, как правило, можно ограничить в пространстве, выделив своеобразный миграционный поток.

Участки биосферы (и даже земной коры), на которых в миграционном потоке на коротком (по сравнению с его протяженностью) расстоянии резко уменьшается интенсивность миграции химических элементов и, как следствие этого процесса, повышается их концентрация, получили название геохимических барьеров

Геохимические барьеры - участки ландшафтной сферы, на которых происходит резкое уменьшение интенсивности миграции и концентрация химических элементов и соединений. С латеральными (боковыми) миграционными потоками и сменой на их пути геохимической обстановки связано появление ландшафтно-геохимических барьеров, а с радиальными (вертикальными) потоками и контрастностью условий миграции в различных генетических горизонтах почв -- почвенно-геохимических барьеров. По форме геохимические барьеры разделяются на линейные, приуроченные к границам между элементарными ландшафтными ареалами, и площадные, имеющие субгоризонтальное простирание. Размеры геохимических барьеров могут варьироваться от нескольких сантиметров до сотен и тысяч метров. Выделяют следующие основные виды геохимических барьеров: механические -- участки резкого изменения скорости движения миграционных водных потоков или ветра, на которых происходит накопление химических элементов и соединений, передвигающихся в виде обломочных частиц различного размера; физико-химические -- возникающие на участках резкого изменения окислительно-восстановительных и/или щелочно-кислотных характеристик природных вод (среди них выделяют кислородный, сульфатный, карбонатный, испарительный и др.); биологические -- приурочены к местам накопления химических элементов и соединений за счет жизнедеятельности различных организмов.

В природе встречаются как отдельные виды геохимических барьеров, так и их разнообразные сочетания. Каждая разновидность геохимического барьера обладает способностью концентрировать лишь определенную ассоциацию мигрирующих веществ (например, на карбонатном геохимическом барьере теряют подвижность ионы Ca, Sr, Ba; на испарительном -- ионы Li, Na, Mg, Ca, U и т.п.). Детальное изучение геохимических барьеров является одной из основных задач геохимии ландшафта в связи с огромной практической значимостью, так как концентрации отдельных элементов на геохимические барьеры могут достигать значимых в промышленном отношении величин, а также иметь экологические последствия. Геохимические барьеры выполняют функцию природных "фильтров", сильно снижающих миграционную способность большинства загрязнителей и способствующих их фиксации и различению. Более того, теория геохимических барьеров служит основой для научного обоснования создания искусственных геохимических барьеров (техногенные геохимические барьеры), ограничивающих или полностью исключающих распространение химических загрязнителей.

1.Понятие геохимических процессов. Исследователи

Термин «геохимические барьеры» был предложен А.И. Перельманом в 1961 г., о чем он сам писал в монографии «Геохимия». Первоначально учение о барьерах начало использоваться для зоны гипергенеза. Уже первое применение, особенно с привлечением ландшафтно-геохимической основы, позволило объяснить многие процессы формирования повышенных концентраций химических элементов в почвах и растениях.

К началу 70-х годов теоритическая база учения была разработана в мере, достаточной для практического использования этого фундаментального понятия геохимии. Начинается внедрение новых разработок в поисковую геохимию. Этому способствовали работы целого ряда ученых, и в первую очередь учеников Александра Ильича и работавших вместе с ним сотрудников института геологии рудных месторождений, нетрологии, минералогии и геохимии Российской академии наук (ИГЕМ). Исследования проводились в различных регионах СССР: на Украине, в Казахстане, в Сибири (Е.Н. Борисенко, А.Е. Самонов, В.А. Алексеенко, Н.С. Касимов, Т.Т. Тайсаев, В.П. Иванчиков, Н.А. Шмелькова и многие другие).

Алексеенко Владимир Алексеевич

В эти же годы, используя учение о геохимических барьерах, делаются попытки объяснить особенности формирования рудных месторождений - сначала гипергенных, а затем и гидротермальных. Появляется возможность по-новому взглянуть и на первичные ореолы, а следовательно, увеличить достоверность поисковых геохимических прогнозов. В 1973 г. В.А. Алексеенко в учебном пособии для студентов вузов пишет: « Особо следует отметить, что учение о геохимических барьерах, разработанное А.И. Перельманом для гипергенных процессов, можно применять и при рассмотрении гипогенной миграции элементов».

Перельман Александр Ильич

Уже первые случаи привлечения учения о геохимических барьерах при проведении литохимических поисков по вторичным ореолам и биогеохимических поисках позволили существенно уменьшить число ложных геохимических аномалий. Можно считать, что к началу 80-х годов в поисковой геохимической практике утвердилось использование рассматриваемого учения при оценке аномалии в почвах. Такому широкому внедрению научных разработок в практические работы во многом способствовала публикация монографии А.И. Перельмана, Е.Н. Борисенко, Н.С. Касимова и др. «Геохимия ландшафтов рудных провинций».

На современном этапе развития геохимии в направлении изучения геохимических барьеров наряду с продолжающимися теоретическими разработками (Касимов Н.С., Солнцева Н П., Авессаломова И.А, Ваничкин В.И., Борисенко Е.Н, Левин В.Н., Мельников И В., Самонов А.Е., Тайсаев Т.Т.), идет внедрение научных разработок в практику. Ведется изучение геохимических барьеров на границе ландшафтов суши и аквальных, а также на самих аквальных ландшафтах (в основном в городах Москва, Ростов, Новороссийск, Калининград). Привлекается учение о барьерах для решения проблем радиогеологии и радиогеоэкологии (Москва, ИГЕМ). Практически во всех регионах страны геохимические барьеры учитываются при проведении поисков месторождений полезных ископаемых геохимическими методами Геохимические барьеры играют все большую роль при прогнозе антропогенных эколого-геохимических изменений в биосфере и в мониторинговых исследованиях (Балашова С.П., Воробьев А.Е., Зеркаль О.В., Касимов Н.С., Куриленко В.В., Уфимцева М.Д. и др.).

Установлено, что в переживаемый сейчас период перехода биосферы в ноосферу существенно возрастает количество геохимических барьеров. При этом возникают новые техногенные барьеры, не имеющие природных аналогов. И хотя в большинстве случаев концентрация на барьерах ряда элементов (особенно тяжелых металлов) рассматривается как негативное явление, следует отметить появление техногенных барьеров, улучшающих экологическую обстановку. К ним необходимо отнести барьеры, не позволяющие распространяться высоким концентрациям меди при обрабатывании медьсодержащими препаратами виноградников.

К числу особо перспективных направлений в рассматриваемом учении относится изучение социальных геохимических барьеров, не имеющих природных аналогов. Часть их вызывает резкое уменьшение безопасности жизнедеятельности. К ним относятся зоны складирования и захоронения большинства отходов. Другая часть социальных барьеров представлена отвалами горных пород и различными хвостохранилищами обогатительных фабрик. При определенных условиях многие из этих барьеров можно переводить в разряд техногенных месторождений и таким образом более рационально использовать природные ресурсы.

Значительное внимание стало уделяться изучению геохимических барьеров в техногенных ландшафтах (городских, промышленных, сельскохозяйственных и т.д.) в связи с решением ряда экологических проблем.

Необходимо также отметить развитие в последнее время такого перспективного направления, как моделирование геохимических барьеров. Биогеохимические барьеры А.А. Озол рекомендует учитывать при выращивании растений, используемых в медицинских целях,

Итоги последних разработок в области геохимических барьеров были подведены в 1999 г. на международном симпозиуме «Геохимические барьеры в зоне гипергенеза», посвященном памяти профессора А.И. Перельмана. Значительное внимание геохимическим барьерам уделено в книгах «Геохимия ландшафта» и «Экологическая геохимия», вышедших уже после смерти основателя рассматриваемого учения.

2.Классификация геохимических барьеров

Избирательность накопления или удаления химических элементов на ГБ является результатом специфического сочетания механических, химических, биологических, геологических и др. условий. Перечень элементов, которые концентрируются на ГБ, зависит от состава поступающих вод и от класса ГБ, определяющегося характером процессов. Перечисленные факторы положены в основу классификации ГБ.

v Кислородные, или окислительные

Такие барьеры возникают на участках резкого повышения Eh среды - окислительно-восстановительного потенциала. Поскольку в условиях земных ландшафтов увеличение Eh обычно связано с увеличением концентрации свободного кислорода (основного окислителя), то можно называть окислительный барьер кислородным, считая эти термины в данном случае практически синонимами.

На этих барьерах идут процессы окисления мигрирующих химических элементов. И, если окисленные формы того или иного элемента будут обладать меньшей подвижностью, они будут выпадать из раствора в осадок и концентрироваться на данном барьере.

В наиболее типичном варианте окислительный барьер возникает в зоне поступления глеевых или сероводородных вод в кислородную среду. Но иногда такие барьеры могут возникать и в пределах собственно кислородных обстановок, когда на границе раздела слабоокислительные условия сменяются резкоокислительными.

Рис.1 Кислородный геохимический барьер: 1 - глеевые воды; 2 - водоносный горизонт; 3 - изверженные породы; 4 - геохимический барьер

Окислительные барьеры очень широко распространены в равнинных ландшафтах, характеризующихся обилием органического вещества. Здесь для грунтовых вод характерна глеевая обстановка, а в местах их выхода на поверхность или на дно водоёма с кислородным режимом (реки, озера) она сменяется кислородной. В местах разгрузки таких вод происходит активное накопление гидроксидов железа и марганца в виде обохривания грунтов и горных пород (приобретающих характерную ржаво-бурую окраску) или даже формирования железистых и марганцовистых конкреций и стяжений (стяжения-минеральные тела, резко отличающиеся от вмещающих пород по физическим свойствам, структуре и составу, формирующиеся за счет диффузионной концентрации рассеянных компонентов вмещающей среды, процессов метасоматоза, переотложения а также при раскристаллизации коллоидных сгустков).

Нередко такие барьеры возникают в местах выхода глубинных подземных вод по зонам разломов, где в этих случаях наблюдается интенсивное обохривание пород.

Своеобразные барьеры возникают в местах выхода на поверхность сероводородных источников или при смешении сероводородных вод с богатыми кислородом грунтовыми водами. При этом сульфидная сера (2^-) окисляется или до элементарной, нейтральной серы (0), или, что бывает чаще, до сульфатной (с валентностью 6⁺).

2H₂S + O₂ = 2H₂O = 2S

H₂S + 2O₂ = H₂SO₄

В первом случае, если такие условия сохраняются в течение длительного времени, могут формироваться крупные скопления самородной серы (это бывает в зонах окисления на нефтяных месторождениях). Второй случай интересен и важен тем, что он ведёт к резкому увеличению кислотности среды (за счёт образования серной кислоты).



Рис 2. Скопление серы на вул. Узон (Камчатка).

Интересно, что в истории развития биосферы роль окислительных барьеров и их положение заметно изменялись. Как мы подробнее узнаем далее, первоначально атмосфера Земли была восстановительной и не содержала свободного кислорода. Не содержали его и природные воды. Начало накопления свободного кислорода связано с появлением фотосинтезирующих организмов, вначале морских. Но в течение очень долгого периода времени, на протяжении архея и раннего протерозоя, продуцируемый в океане кислород, видимо, практически не поступал в атмосферу. Дело в том, что первично-восстановительная морская водная среда содержала большое количество растворённого железа. И поначалу почти весь синтезируемый кислород расходовался на окисление железа и связывался с ним в нерастворимых оксидных соединениях. Весь ранний протерозой - это гигантская по продолжительности эпоха массового накопления на дне древних океанов железооксидных осадков (так называемых железистых кварцитов). Это было время функционирования первого и притом гигантского по своим размерам кислородного можно сказать даже не макро-, а мегабарьера. И лишь после того, как в результате его работы воды океана были очищены от растворённого в них железа, началось массовое поступление кислорода в атмосферу. Здесь тоже кислород первоначально расходовался на окисление серы - до всё той же серной кислоты - H2SO4. Окисление атмосферной серы неизбежно должно было сопровождаться кислотными дождями, что в конечном счёте привело к очищению атмосферы от сернистых соединений и вытеснению их свободным кислородом. И уже как следствие формирования кислородной атмосферы стало возможным появление окислительных барьеров в наземных ландшафтах.

v Сульфидный, или сероводородной

Эти барьеры возникают там, где кислородные или глеевые воды встречают на своём пути сероводородную обстановку. Естественно, если в сероводородную среду проникают сероводородные воды, никакого барьера не возникает. Сероводородные обстановки в зоне гипергенеза встречаются редко, так что и сероводородные барьеры тоже распространены мало. На сероводородных барьерах наиболее эффективно накапливаются халькофильные элементы (так как они непосредственно связываются с серой, образуя сульфидные соединения), отчасти-сидерофильные (железо, кобальт, никель, рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина, молибден, рений), и в наименьшей мере литофильные (Li, Be, В, С, О, F, Na, Mg, Al, Si, R, Cl, К, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Br, Rb, Sr, Zr, Nb, I, Cs, Ba, TR, Hf, Ta, W, At, Fr, Ra, Ac, Th, Pa, U).

Самый обычный случай возникновения природного сероводородного барьера при латеральной миграции - это контакт кислородных вод с сероводородными илами. Например, при впадении реки в озеро, на дне которого развиты сероводородные илы. Такой барьер может возникать в приустьевых частях рек. Подобный случай подробно изучен Алексеенко на примере устья Дона. Здесь при ветровом нагоне морской волны воды в приустьевой части реки приобретают сульфатно-кальциево-натриевый состав. А микроорганизмы в донных илах восстанавливают сульфатные соединения до сульфидных, и возникает сероводородная среда. На контакте этих илов с кислородными водами возникает сероводородный барьер, где накапливаются сульфидные соединения различных металлов.

Рис.3 Сульфидный геохимический барьер: 1 - кислородные воды; 2 - зона окисления; 3 - геохимический барьер; 4-сульфидныеруды; 5 - торф (низинное болото)

Известны случаи возникновения локальных очагов сероводородного заражения (и, следовательно, возможности появления сероводородных барьеров) в гумидном климате при смешении грунтовых кислородных и глеевых вод. Необходимое условие для этого - сульфатный состав кислородных вод. Это может быть следствием миграции кислородных вод через зону окисления горных пород, содержащих сульфиды. При окислении сульфидов образуется сульфат-ион SO₄^2-. При просачивании таких насыщенных сульфат-ионами кислородных вод в основание низинного торфяника, они попадают в среду с восстановительными условиями. Здесь сульфат-ион, действуя как окислитель, окисляет, при участии деятельности серобактерий, присутствующие в торфе органические углеводородные соединения. А сам при этом восстанавливается с образованием сероводорода. В результате в узкой полосе вдоль границы между кислородными водами и глеевой средой возникает сероводородная обстановка. И, с учётом направления водной миграции, функционирует сероводородный барьер типа.

v Глеевые ГБ

Эти барьеры в наиболее типичных случаях возникают на участках резкой смены кислородной обстановки глеевой. Реже - слабоглеевой обстановки резкоглеевой, то есть тоже глеевой, но характеризующейся ещё более низкими значениями окислительно-восстановительного потенциала. Теоретически можно предположить вероятность существования в природе глеевых барьеров типов, которые возникали бы при поступлении сероводородных вод в глеевую среду. Но такие барьеры пока не изучены.

Глеевые барьеры очень широко распространены в гумидных и семиаридных ландшафтах, особенно в супераквальных (с неглубоким залеганием грунтовых вод), где развиваются процессы заболачивания. При заболачивании формируется глеевая среда. В результате нисходящего движения почвенных вод или латерального стока грунтовых вод из сопряжённых возвышенных ландшафтов по периферии зоны заболачивания формируются глеевые барьеры.

Возможно также возникновение глеевых барьеров в краевых частях артезианских бассейнов. Воды внутренних частей этих бассейнов залегают между водоупорными горизонтами, которые также изолируют водоносный горизонт от проникновения атмосферного кислорода. Те же воды, которые поступают в артезианский бассейн из области питания, по мере своего продвижения могут терять кислород, расходуя его на окисление содержащегося в водоносном горизонте органического вещества. В результате во внутренних частях артезианского бассейна формируется бескислородная среда. Если при этом в водах содержится мало сульфат-иона, они будут глеевыми. На границе кислородных вод, поступающих из области питания, и глеевых вод внутренней части артезианского бассейна, будет формироваться подвижный глеевый барьер.

v Щелочные барьеры

Возникают на участках резкого повышения рН среды в нейтральной, кислой и щелочной обстановках. В соответствии с общими законами миграции на них происходит накопление преимущественно катионогенных химических элементов, лучше мигрирующих в кислой среде: Fe, Mn, Ni, Co, Cu, в том числе такие высокотоксичные загрязнители природной среды, как Pb, Cd, Hg, As, U и др.

Характерный пример: почвенный профиль элювиального ландшафта влажных тропиков на карбонатных породах. Сверху формируются кислые почвы, повышенная кислотность которых обеспечивается разложением больших объёмов органических остатков. Растворы, фильтрующиеся через эти почвы, попадают в карбонатные горные породы, трещинные воды которых имеют щелочную реакцию.

Способность многих токсичных элементов осаждаться на щелочных барьерах используют для локализации загрязнения, создавая такие барьеры искусственно. Например, для обработки виноградников широко используется в качестве фунгицида смесь медного купороса CuSO₄ и гашеной Ca(OH)₂извести (бордосская смесь). В результате при многолетнем применении этого средства в почве накапливается избыток меди, достигающий опасного уровня - особенно в почвах подчинённых ландшафтов, куда мигрируют почвенные растворы. Для борьбы с загрязнением на путях миграции растворов роют траншеи, которые заполняют песчано-карбонатной смесью, в которых возникает щелочная среда. Формируется щелочной барьер, на котором медь связывается в форме малоподвижного в этих условиях гидрокарбонатного соединения малахита - Cu₂CO₃(OH)₂.

v Кислые ГБ

Возникают на путях миграции химических элементов при резком снижении рН среды. В противоположность щелочным барьерам, на них накапливаются не катионогенные, а анионогенные элементы, более активно мигрирующие в условиях щелочной среды. К ним принадлежат Si, Al, Mo, Be, Ga, Sc, Y, Zr, TR и др. Как правило, эти элементы мигрируют в форме растворимых солей щелочных металлов, подвижных в щелочной среде - Na₂SiO₃, Na₂AlO₂, Na₂MoO₄ и др.

Чаще всего в природе встречаются (и лучше всего изучены) кислые барьеры, возникающие при попадании щелочных содовых вод в кислую среду. Такая ситуация возникает при радиальной испарительной миграции (капиллярное «вытягивание» щелочных растворов с глубины в более кислую почвенную среду) - пример хорошо изучен в Северном Казахстане. Накапливаются Si, Y, Be, Se, Zr и ряд других элементов.

Яркий пример действия кислого барьера - замещение древесных остатков опалом и халцедоном (оксидными соединениями кремния). Если древесина захороняется в почвах аридных ландшафтов, имеющих щелочную среду, то при её разложении возникают очаги повышенной кислотности на щелочном фоне. Щелочные растворы, содержащие подвижные соединения кремния, приникают в разлагающуюся древесину - и здесь, на локальном кислотном барьере, осаждаются слабо подвижные соединения кремнезёма. В более широком плане этот процесс назван М.А. Глазовским хемогенным опалогенезом. Он протекает в различных ландшафтных обстановках именно на кислых барьерах.

v Сорбционные барьеры

Возникают в результате резкого снижения миграционной способности химических элементов при фильтрации ионных водных растворов или газовых смесей через среды, обладающие повышенной сорбционной способностью. Эти барьеры особенно важны для элементов с низкими кларками, так как осаждение в процессе сорбции может происходить при очень низких концентрациях, намного меньших, чем концентрации насыщения. геохимический барьер техногенный экология

Таким образом, роль сорбции в миграционных процессах может быть двоякой, в зависимости от конкретных условий:

· сорбция может быть причиной осаждения вещества из раствора;

· сорбция может способствовать пассивной миграции вещества при механическом переносе частиц-сорбентов.

Различаются два вида процессов сорбирования: адсорбция и абсорбция. В первом случае сорбируемое вещество поглощается только поверхностью тела, во втором - всем его объёмом.

Адсорбция может иметь разную природу. Химическая адсорбция основана на установлении прочных химических связей адсорбента с поглощающим веществом и практически необратима. Физическая адсорбция происходит на основе слабых межмолекулярных связей (ван-дер-вальсовых) и является обратимой. Следовательно, возможны процессы не только сорбции, но и десорбции, то есть перехода сорбированных частиц обратно в раствор. Поэтому при таком типе сорбции адсорбированное вещество находится в состоянии подвижного равновесия с неадсорбированной (остающейся в растворе) частью того же вещества. Интенсивность адсорбции возрастает с уменьшением размеров частиц адсорбента и, следовательно. С возрастанием общей поверхности. Адсорбции способствует образование плохо растворимого соединения адсорбата и адсорбента (например, адсорбция фосфат-ионов гидроокисью трехвалентного железа). Величина адсорбции увеличивается при возрастании концентрации вещества и снижении температуры раствора. Снижение концентрации вещества в растворе и повышение его температуры, напротив, усиливают процессы десорбции. В целом, вещества адсорбируются тем лучше, чем ниже их растворимость (правило П.А. Ребиндера). Поэтому любой внешний фактор, снижающий растворимость, усиливает сорбцию, и напротив - любое изменение условий, приводящее к увеличению растворимости вещества, будет усиливать десорбцию. Важный фактор, влияющий на активность сорбционных процессов - изменение валентности ионов, то есть процессы окисления и восстановления. Многозарядные ионы адсорбируются легче, чем ионы низкой валентности. Например, хорошо растворимый в своей шестивалентной форме уран, попадая в богатые органическим веществом илы, оказывается в восстановительной среде и восстанавливается до четырёхвалентного. В результате растворимость его резко снижается, он сорбируется этими илами и накапливается в них.

Особой разновидностью сорбционных процессов является процесс обменной сорбции - когда адсорбент, поглощая какие-либо ионы из окружающего раствора, отдаёт эквивалентное количество ранее сорбированных им ионов другого вещества. Процессы обменной сорбции широко развиты в почвах (при этом участие в них обычно принимают только катионы). Совокупность присутствующих в почве веществ, способных к обменной сорбции, называется почвенным поглощающим комплексом (ППК). Он в основном состоит из гумусового вещества и глинистых минералов.

v Испарительные барьеры

Это участки зоны гипергенеза, где накопление химических элементов обусловлено процессами испарения. Первая существенная особенность этих барьеров - действие в условиях самых разнообразных по химизму обстановок. То есть действие испарительного барьера лишь в незначительной степени зависит от параметров кислотности-щёлочности среды или окислительно-восстановительного потенциала. Главным фактором является климат. Вторая важная особенность - то, что именно на этих барьерах концентрируются наиболее растворимые химические элементы. Те, которые подвижны в водах любого химического состава (Na, K, Rb, Cl и др.). Понятно, что самый простой способ осадить такие элементы - это просто выпарить раствор, в котором они переносятся.



Рис.4 Формирование испарительного барьера

Условия возникновения испарительного барьера - сухой климат и неглубокое залегание грунтовых вод. В такой ситуации водные растворы поднимаются с водоносного горизонта к поверхности. Поднимает их сила поверхностного натяжения в капиллярах. Так как в условиях сухости климата вытянутая по капиллярам вода сразу же испаряется, ей на смену с водоносного горизонта поступают всё новые и новые порции. И этот «вытягивающий» воду механизм действует непрерывно. Постоянно всё новые и новые порции H₂O испаряются, а содержавшиеся в них растворённые соли концентрируются в грунтах и почвах.

Глубина, с которой возможен капиллярный подъём грунтовых вод к поверхности, зависит от температуры (чем выше Т, тем с больших глубин возможен такой подъём). Другие факторы - размеры пор, минеральный состав грунтов, минерализация растворов. То есть зависимость достаточно сложная. Но в целом обычно испарительная концентрация солей в условиях аридного климата начинает проявляться, начиная с глубин 3,5-4 м, и особенно усиливается с глубин 2,5-3 м. Нередко полное испарение воды происходит раньше, чем она достигает поверхности, то есть внутри почвенного профиля. Для испарительных барьеров характерна вертикальная зональность, связанная с тем, что разные соли имеют разную растворимость и, при повышении минерализации раствора, выпадают в осадок поочерёдно. Вначале идёт осаждение и накопление карбонатов Ca и Mg, затем - гипса (сульфат Ca), и наконец - наиболее растворимых соединений (хлоридов Na и K, некоторых сульфатных соединений, реже - нитратов Na и Mg).

Аналогичная зональность нередко бывает развёрнута и по латерали, так как минерализация грунтовых вод обычно увеличивается в процессе их стока от области питания (если процессы испарения действуют на значительных интервалах по пути движения грунтовых вод).

Так как в типичном случае испарительный барьер возникает при вертикальном движении вод в сторону земной поверхности, он может в природе совмещаться с кислородным и термодинамическим барьерами. С кислородным - так как одновременно может резко увеличиваться окислительно-восстановительный потенциал среды. С термодинамическим - так как выход грунтовых вод на поверхность означает резкое изменение термодинамических параметров, в особенности давления.

Испарительные барьеры могут также формироваться по периферии водоёмов (рек, озёр, водохранилищ). Дело в том, что капиллярно-плёночное перемещение может иметь не только вертикальную, но и латеральную (горизонтальную) направленность. Если грунты постоянно «подпитываются» водами поверхностного водоёма, то в условиях засушливого климата тот же механизм капиллярного «вытягивания» может действовать и в латеральном направлении. Это явление нередко приобретает опасный характер в условиях техногенного загрязнения водоёмов в аридных ландшафтах. В.А. Алексеенко описан случай, когда в окрестностях отстойника, куда сбрасывались загрязнённые воды, содержание свинца в почвах окружающих территорий выросло до 1%, а цинка - даже до 10%!. На рудных месторождениях такие содержания уже считались бы промышленными, а здесь они сформировались в почве!

Но такие случаи являются относительно редкими. А вот типичный негативный результат действия испарительного барьера заключается в том, что с ним связано развитие процессов засоления почв и, как результат - ухудшение плодородия почв, вплоть до полной непригодности для земледелия. Ежегодно из-за процессов засоления огромные площади земель выходят из сельхозоборота. Особенно вредными являются процессы содового засоления, так как кроме увеличения содержания солей в почвах одновременно резко увеличивается и щёлочность среды.

Необходимо подчеркнуть, что наибольшее количество элементов концентрируется на всех типах барьеров при pH в пределах 3-6,5, независимо от различных окислительно-восстановительных и кислотно-основных условий вод, поступающих к барьерам.

v Термодинамический барьер - возникает в результате резкого изменения одного из факторов внешней миграции - температуры или давления.

Ca(HCO?)? = CaCO? + H?O + CO?

раствор тв. в-во газ

· Классификации по иным признакам

Можно классифицировать геохимические барьеры по целому ряду признаков, непосредственно не связанных с их генезисом. Так, в зависимости от размеров выделяются макро-, мезо - и микробарьеры. К микрогеохимическим барьерам относятся зоны с резким уменьшением интенсивности миграции химических элементов на расстоянии в тысячи метров. Мощности зон могут достигать нескольких сотен метров. Такими барьерами являются, например, дельты крупных рек, где происходит смешивание пресных речных вод (их можно рассматривать как своеобразные коллоидные растворы) с морскими, которые являются слабыми электролитами. В этих условиях происходит осаждение коллоидов, что может даже являться началом формирования осадочных месторождений.

Протяженность мезобарьеров обычно колеблется от первых метров до тысячи метров. Их примером могут быть краевые зоны болот, где резко изменяются окислительно-восстановительные условия и могут накапливаться многие химические элементы, предварительно вы-щелоченные из водораздельных и склоновых участков.

Рис.5 Создание восстановительного геохимического барьера

Размеры микробарьеров могут колебаться от долей миллиметра до первых метров. К ним относятся и барьеры, выделяемые А.Л Ковалевским в отдельных растениях, и барьеры, на которых формируются рудные прожилки и жилы в пределах месторождений полезных ископаемых.

При движении к одному и тому же барьеру с разных сторон потоков с мигрирующими в них вещества-ми формируются двусторонние геохимические барьеры. На них могут концентрироваться химические элементы, образующие разнородные ассоциации.

А.И. Перельманом выделяются в зависимости от ориентации в пространстве миграционных потоков и такие барьеры, как латеральные и радиальные (вертикальные). Первые образуются при субгоризонтальном, а вторые -- при субвертикальном направлениях потоков с веществами, образующими повышенные концентрации на барьерах. В случае техногенного загрязнения поверхности почв радиальные барьеры являются зоной накопления-осаждения продуктов техногенеза из мигрирующего потока в почвы. Кроме того, они, по мнению Н.П. Солнцевой, являются «основной формой зашиты почвенно-грунтовых вод от загрязнения». Отметим также, что радиальные барьеры формируются не только при движении потоков сверху вниз (как это было рассмотрено выше), но и снизу вверх. Имен-но на таких барьерах очень часто начинается распад различных комплексных соединений в гидротермах и начинает формироваться вертикальная зональность оруденения.

Природные латеральные барьеры биосферы во многом отражают ландшафтно-геохимическую контрастность территории, а при поступлении веществ с техногенными потоками -- контрастность свойств объектов, выполняющих барьерные функции, и свойств поступающих потоков.

С учетом способа поступления химических элементов на барьер среди последних иногда выделяются диффузионные и инфильтрационные, хотя обычно при наличии инфильтрационных барьеров возникают и диффузионные. Эта закономерность наблюдается при формировании и микробарьеров, и макробарьеров.

3.Типы/виды геохимических барьеров

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 геохимической обстановки, обусловливается природными особенностями конкретного участка биосферы. Во втором такая смена геохимических обстановок происходит в результате антропогенной деятельности.

Оба типа геохимических барьеров подразделяются А.И. Перельманом на три класса: физико-химические, биогеохимические и механические. Позже В.А. Алексеенко был выделен класс только техногенных (социальных) барьеров. На физико-химических барьерах концентрация веществ связана с их отложением из растворов при изменении физико-химической обстановки. В качестве примера уже был рассмотрен один из таких барьеров (испарительный), существенно воздействующий на безопасность жизнедеятельности.

Механические барьеры представляют собой участки с резким уменьшением интенсивности механического перемещения веществ и соответственно их отложения. В биосфере механические барьеры связаны в основном с миграцией элементов в минеральной или коллоидной форме. Миграция чаще всего происходит в воздушной и в водной средах, а также на границе сред (скатывание обломков по склонам).

При переносе в воздушных потоках паров воды своеобразными механическими барьерами являются горные системы. Задержка на них облаков и выпадение осадков могут приводить к нарушению безопасности жизнедеятельности и даже к экологическим катастрофам. Это необходимо учитывать при освоении новых районов, строительстве населенных пунктов и предприятий. Классическим примером такого барьера может служить район города Рио-де-Жанейро (Бразилия), зажатый между горами и Атлантическим океаном.

Рис.6

Катастрофические наводнения, связанные с продолжительными ливнями, происходят в этом районе довольно часто. Во время одного из последних ливней (1988) здесь погибло около 300 человек, а общий экологический ущерб оценен в 935 млн. долл. США. Подобных барьеров на земном шаре довольно много, однако сведения о существенных нарушениях безопасности жизнедеятельности в этих районах становятся широко известными лишь при высокой плотности населения. (В районе, приведенном в качестве примера, проживает около 10 млн. человек.)

Биогеохимические барьеры по своей сути представляют накопление химических элементов растительными и животными организмами. Наибольшее внимание следует уделять накоплению веществ в высоких (токсичных) концентрациях сельскохозяйственными культурами, используемыми для питания. Такое накопление обычно происходит при внесении в почвы чрезмерных доз удобрений и средств химической защиты растений. Известны случаи массового отравления населения арбузами с высоким содержанием нитратов. Известны случаи токсичных концентраций нитратов в кормовых культурах, картофеле, овощах.

Иногда в качестве удобрения используются илы из городских очистных сооружений, как, например, в Новороссийске. Многие овощи при этом увеличивают урожайность, но содержат в опасных для здоровья концентрациях многие тяжелые металлы. Их токсичное воздействие в одних случаях проявляется сразу. В других случаях они, накапливаясь в организме, нарушают безопасность жизнедеятельности через годы.

Биогеохимические барьеры могут приводить и к возрастанию безопасности жизнедеятельности, задерживая поступление токсичных веществ из атмосферы. Такими барьерами обычно служат зеленые насаждения (декоративные деревья и кустарники) около промышленных и селитебных ландшафтах. При этом подбор специальных растений, в больших концентрациях поглощающих определенные химические элементы, может резко повысить безопасность жизнедеятельности около определенных предприятий.

Социальные геохимические барьеры относятся только к техногенным, и представляют собой участки, в пределах которых вещества концентрируются в результате прекращения их социальной миграции. Этим термином целесообразно объединять зоны складирования и захоронения отходов, как промышленных, так и бытовых. Кратко рассмотрим их некоторые особенности, влияющие на безопасность жизнедеятельности.

Химические элементы (их соединения), накапливающиеся на социальных барьерах в повышенных концентрациях, не соответствуют ни одной природной ассоциации. Это значит, что совместно могут встретиться элементы, которые в повышенных содержаниях в биосфере до вмешательства человека в их распределение не встречались. Последствия их необычного для природы совместного влияния на безопасность жизнедеятельности не изучены.

Окислительные геохимические барьеры. Развиваются на участках резкой смены восстановительных условий окислительными или же в общей форме в местах перехода от менее окислительных условий к более восстановительным (или от более восстановительных к менее окислительным). Наиболее изучены такие барьеры в местах смены восстановительной обстановки окислительной, причем главным агентом окисления служит свободный кислород. В связи с этим данную разновидность окислительного барьера можно назвать кислородным барьером.

Восстановительные геохимические барьеры. Эти барьеры возникают в тех участках зоны гипергенеза, где окислительные условия сменяются восстановительными или, в более общей форме, где менее восстановительные резко переходят в более восстановительные. В соответствии с двумя основными классами восстановительной среды - сульфидным (сероводородным) и глеевым - устанавливаются и два класса восстановительных геохимических барьера: сульфидный (сероводородный) и глеевый. Оба класса барьеров распространены как в почвах, так и в водоносных горизонтах.

Сульфидный барьер. Современные термальные сероводородные барьеры формируются на дне впадин Красного моря, в других морских и океанических районах, в районах вулканизма, в зонах разлома и т. д.[1]. Сульфидный (сероводородный) барьер так же возникает в почвах и водоносных горизонтах, когда дренирующие воды встречают на пути своего движения сероводород (сероводородные воды; выделение газов, содержащих H2S; гниющее органическое вещество). При этом происходит выпадение металлов в форме нерастворимых сульфидов.

Сероводород осаждает медь из природных вод в форме различных сульфидов. Поэтому на участках встречи меденосных вод с сероводородными возникает восстановительный барьер, на котором осаждается медь и ее спутники свинец и цинк.

4. Техногенные геохимические барьеры и защита окружающей среды

Разработка методов улучшения экологической ситуации до последнего времени проводилась в основном путем совершенствования технологий производства (создание безотходных технологий, переработка отходов, совершенствование систем очистки сбросов и выбросов и т.д.), что, несомненно, является важным и перспективным направлением. Наряду с этим в последние десятилетия для защиты окружающей среды от загрязнения наметилась тенденция использования геохимических методов. Большую роль в этом сыграло исследование процессов техногенной миграции элементов и введение А.И. Перельманом понятий "геохимический барьер" и "техногенный геохимический барьер". Это участок, где происходит резкое уменьшение интенсивности миграции и, как следствие, концентрация элементов.

Сущность методов защиты окружающей среды от загрязнения с помощью геохимических барьеров заключается в переводе загрязняющих компонентов в малоподвижные формы. При этом возможно использование как существующих природных геохимических барьеров, так и целенаправленное создание техногенных барьеров. В качестве материалов для создания барьеров в зависимости от состава загрязнителей могут применяться природные образования (грунты, горные породы и т.д.) или иные вещества, например, производственные отходы. В ряде случаев локализация загрязнителей может осуществляться за счет учета природных геохимических особенностей грунтовой толщи при выборе участков складирования или сброса отходов. Опыт работы показал возможность использования барьеров в различных ситуациях.

Очистка сточных вод от взвешенных частиц. Для очистки дражных стоков от взвешенных частиц на месторождении алмазов в Пермской области предложено использовать грунтовые фильтры, укладываемые в русле реки. В качестве материала для фильтров использовались дражные отвалы. Опытные натурные работы показали, что в зависимости от длины пути фильтрации концентрация взвешенных частиц в стоках может снижаться в десятки и сотни раз.

Нейтрализация кислых стоков. Шахты Кизеловского угольного бассейна сбрасывают практически без очистки в гидрографическую сеть кислые (рН=2-4) высокоминерализованные сульфатные воды, имеющие в составе повышенные содержания железа, алюминия, тяжелых металлов. Нейтрализацию кислых шахтных вод возможно проводить с использованием отходов щелочного состава. Лабораторные работы показали, что при использовании щелочных отходов содового производства рН шахтных вод можно повышать до нейтральных значений. При этом содержание загрязнителей снижается до допустимых концентраций.

Снижение интенсивности загрязнения подземных вод в районах складирования шахтных отвалов. Отходы в угледобычи в Кизеловском бассейне интенсивно загрязняют подземные воды. В районах породных отвалов они имеют низкие значения рН, повышенную минерализацию, а также высокие содержания сульфатов, железа, алюминия, тяжелых металлов. Для нормализации состава подземных вод в качестве реагента предложено использовать соединения бария, а также дробленые карбонатные породы, укладываемые в траншеи в зоне стока с отвалов. Натурные исследования показали, что в результате применения метода на опытном участке водородный показатель подземных вод повысился с 1,8 до 6,4 и сохранял близкие значения в течение года. Существенно снизились минерализация воды с 24 до 3 г/л, а также содержание основных загрязняющих компонентов.

Снижение содержания сульфатов в технических водах. На Холбольджинском угольном разрезе (Бурятия) использование для полива технической воды, большие запасы которой сосредоточены в выработанном карьере, затруднено повышенным содержанием в ней сульфатов - до 1200 мг/л. Для снижения содержания сульфатов использовались соединения бария. В результате опытных натурных работ содержание сульфатов снизилось до 440 мг/л (при максимально допустимой концентрации 500 мг/л). Содержание остальных компонентов не превышало нормативных значений.

Снижение сульфатной агрессивности подземных вод. При планировочных работах на промплощадке Губахинского химического завода использовались породы отвалов угольных шахт Кизеловского бассейна, характеризующиеся высоким содержанием различных форм серы. В результате подтопления в насыпных грунтах, на отметках выше заложения фундаментов, сформировались подземные воды, обладающие сульфатной агрессивностью к бетону. Снижение содержания сульфатов в подземных водах проводилось путем применения реагентов, содержащих барий. Проведенные на площадке опытные натурные работы показали, что в результате применения метода подземные воды, обладавшие средней и сильной сульфатной агрессивностью, становились неагрессивными по отношению к бетону. Положительный эффект сохранялся в течение двух лет наблюдений.

Защита подземных вод от загрязнения в районах шламохранилищ. Складирование отходов Пашийского металлургическо-цементного завода привело к загрязнению подземных вод в районе действующего шламохранилища. В пульпе с щелочной реакцией среды выявлены повышенные содержания Cu, Cd, Pb, Zn, Ni, Mo, As, Ti, значительно превышающие ПДК. Металлы образуют устойчивые комплексы с органическими веществами, подвижные в щелочной среде. Совместно с лабораторией ОГС МГУ предложено создание комплексного, многослойного экрана для снижения интенсивности загрязнения подземных вод. Основной слой, выполняющий функцию перехвата загрязнителей, предлагается создавать из смеси торфа и пиритных огарков, что позволяет связывать металлы в сульфиды в анаэробных восстановительных условиях. Лабораторные исследования показали, что применение метода обеспечивает защиту подземных вод от поступления загрязнителей на весь период запланированной эксплуатации.

5.Развитие геохимических процессов

Особое внимание при решении экологических проблем уже сейчас уделяется социальным геохимическим барьерам. Складирование и утилизация промышленных, бытовых и строительных отходов становятся важнейшими экологическими проблемами во всех странах. Их разрешение невозможно без привлечения достижений геохимии и, в частности, учения о геохимических барьерах. Уже сейчас к особенностям социальных барьеров привлечено внимание специалистов в разных странах. Об этом можно судить по обращениям к авторам по этому поводу исследователей из ряда стран ближнего и дальнего зарубежья.

Пока еще довольно слабо изучены наиболее распространенные в природе комплексные геохимические барьеры. Данные, полученные при их исследовании, имеют чрезвычайно большое значение для прогноза изменений эколого-геохимической обстановки, возникающей в результате формирования техногенно-природных комплексных барьеров. Число же последних непрерывно возрастает.

Очень много нерешенных вопросов остается в разделе учения о геохимических барьерах, посвященном проблемам классификации. Их решение, несомненно, будет способствовать развитию рассматриваемого учения в целом.

Вероятно, все перечисленные (и не перечисленные) вопросы, требующие своего скорейшего разрешения, будут решены в ближайшем будущем. Столь оптимистичное мнение авторов подтверждается непрерывно возрастающим объемом исследований геохимических барьеров специалистами различных направлений. Об этом можно судить по анализу публикаций последних лет.

Подводя итог, можно сказать, что за 40 лет учение о геохимических барьерах доказало свою состоятельность и находится в стадии довольно интенсивного развития.

Список используемой литературы

1. В.А. Алексеенко, Л.П. Алексеенко. Геохимические барьеры. М.: Логос, 2003

2. В.А. Алексеенко. Экологическая геохимия. М.: Логос, 2000.

3. Геохимия биосферы/ http://www.kgau.ru/distance/ebtf_01/mahlaev/geohimiya-bad/02_02.html

4. http://www.geoversum.by/catalog/item3916.html

5. http://www.mining-enc.ru/g/geoximicheskie-barery/

6. А.И. Перельман, Е.Н. Борисенко, Н.С. Касимов. Геохимия ландшафтов рудных провинций. М.: Наука, 1982.

7. http://earthpapers.net/radiogeoekologiya-tayozhno-merzlotnyh-landshaftov-vitimskogo-ploskogorya

8. http://istina.msu.ru/publications/article/1337136/

9. Трофимов В., Куриленко В. Международная научная конференция Экологическая геология и рациональное недропользование. Становление научного направления и образования" // Геоэкология. -- 1998. -- № 3. -- С. 107-110.

10. Н.С. Касимов, А.Е. Воробьев. Геохимические барьеры в зоне гипергенеза. Издательство Московского Университета, 2002.

11. А.И. Перельман, Н.С. Касимов. Геохимия ландшафта. Москва, 1999.

12. В.А. Алексеенко. Экологическая геохимия. Логос, Москва,2000.

13. http://mindraw.web.ru/cristall12.htm

14. http://www.mining-enc.ru/s/siderofilnye-elementy/

15. В.А. Алексеенко, Л.П. Алексеенко. Геохимические барьеры. М.: Логос, 2003.

16. http://lib.ssga.ru/IRBISFULLTEXT/UMK/020804%20PDF/3%20%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%80/%D0%93%D0%B5%D0%BE%D1%85%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%8F%20%D0%BE%D0%BA%D1%80%D1%83%D0%B6%D0%B0%D1%8E%D1%89%D0%B5%D0%B9%20%D1%81%D1%80%D0%B5%D0%B4%D1%8B/020804%20%D0%9A%D1%83%D1%80%D1%81%20%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%86%D0%B8%D0%B9%20%D0%93%D0%B5%D0%BE%D1%85%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%8F%20%D0%BE%D0%BA%D1%80%D1%83%D0%B6%D0%B0%D1%8E%D1%89%D0%B5%D0%B9%20%D1%81%D1%80%D0%B5%D0%B4%D1%8B%202011.pdf

...