Размещено на http://www.allbest.ru/

Геохимические барьеры

Введение

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. Этот термин был предложен в 1961 г. А.И. Перельманом. Им же были разработаны основы учения о геохимических барьерах, которое к настоящему времени стало одной из важнейших частей целого ряда наук о Земле.

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.

Геохимические барьеры, их природа

Геохимическими барьерами называются участки биосферы, где на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрирование. На геохимических барьерах образуются рудные и безрудные аномалии.

Согласно современным представлениям, различают следующие геохимические барьеры в биосфере:

-механический;

-физико-химический;

-биогеохимический;

-техногенный.

Первые три типа геохимических барьеров существовали в биосфере до возникновения человеческой цивилизации. Последний, техногенный, появляется в результате целенаправленного воздействия человека на окружающую среду и его роль все возрастает.

Механический барьер - участок резкого уменьшения интенсивности механической миграции химических элементов. На таких барьерах формируются золотые, платиновые, оловянные, монацитовые, алмазные и прочие россыпи. Такого типа барьеры образуются на путях распространения литохимических потоков рассеивания в результате уменьшения скорости и несущей способности потока и, как следствие, выпадения тяжелой фракции.

Биогеохимический барьер - связан с биогенным концентрированием химических элементов. Примером такого барьера является верхний гумусовый слой почвы, где концентрируются металлы в результате образования различных малорастворимых металлоорганических соединений. На биогеохимических барьерах образуются залежи горючих ископаемых (концентрируется углерод) - угля, торфа, нефти. С биогеохимическим барьером также связано образование залежей известняка, фосфоритов, селитры (концентрируются углерод, кальций, азот, фосфор).

Физико-химический барьер - наиболее обширный тип геохимических барьеров, обусловлен изменением интенсивности миграционных потоков элементов в результате протекания различных физико-химических процессов в литосфере и гидросфере.

Техногенные геохимические барьеры - связаны с деятельностью человека, приводящей к образованию техногенных потоков рассеивания химических элементов и их концентрированию в различных геосферах. Ярким примером является складирование и захоронение отходов, в которых содержание химических элементов в десятки и сотни раз превышает их кларковые значения в литосфере.

Рассмотрим концентрирование химических элементов на физико-химических геохимических барьерах. Физико-химические барьеры формируются на путях распространения водных миграционных потоков рассеивания и связаны с процессами образования малорастворимых соединений (минеральных форм) химических элементов. Интенсивность миграции элементов в природных растворах зависит от целого ряда факторов и определяется, в основном, протеканием следующих химических реакций, идущих в водной среде (А - химический элемент, n - валентность):

а) образование нерастворимых гидроксидов металлов;

Aⁿ⁺ + nH₂O Ы A(OH)_n + n H⁺

Cu²⁺ + 2H₂O Ы Cu(OH)₂ + 2H⁺

б) образование нерастворимых кислот анионогенных элементов;

A₂O_n^2-n + (n-2) H₂O Ы H_2-nA₂O_n + (2-n) OH

SiO₃^2- + 2H₂O Ы H₂SiO₃ + 2OH^-

в) образование нерастворимых окисленных форм элементов;

Aⁿ⁺ + (n+m) H₂O - m e^- Ы A₂^n+mO_n+m + (n+m) H⁺

2Fe²⁺ + 3H₂O - 2e^- Ы Fe₂O₃ + 6H⁺

г) образование нерастворимых восстановленных форм элементов.

Aⁿ⁺ + (n-m) H₂O + m e^- Ы A_mO_n-m + 2(n-m) H⁺

2Cu²⁺ + H₂O + 2 e^- Ы Cu₂O + 2 H⁺

При наличии в природных водах достаточного количества анионов сульфида или гидросульфида (S^2-, HS^- ), карбоната или бикарбоната (СО₃^2-, НСО₃^-), а также сульфата SO₄^2- появляется возможность образования малорастворимых сульфидов, карбонатов и сульфатов химических элементов.

Следовательно, образование химических барьеров в водных миграционных потоках обусловлено кислотно-основной и окислительно-восстановительной обстановкой, а также химическим составом потоков.

Многообразие видов физико-химических барьеров требует их определенной систематизации. Современная их систематизация, разработанная известным геохимиком А.И. Перельманом, базируется на двух принципах учитывающих класс физико-химического барьера и состав вод, поступающих к барьеру.

Приведем табличную схему классификации природных физико-химических барьеров (табл. 1).

Таблица 1. Главнейшие типы физико-химических барьеров

Кислородный геохимический барьер (тип А) характеризуется проявлением окислительной обстановки из-за наличия большого количества свободного кислорода. Интенсивность всех окислительных процессов резко возрастает.

Сульфидный геохимический барьер (тип В) характеризуется наличием большого количества сероводорода H₂S и, как следствие, появлением в водах анионов гидросульфида HS^- и сульфида S². Происходят процессы образования и осаждения нерастворимых сульфидов металлов.

Глеевый геохимический барьер (тип С) характеризуется сменой окислительной обстановки на восстановительную. Идут процессы восстановления элементов до низших степеней окисления.

Щелочной геохимический барьер (тип D) характеризуется изменением среды в сторону снижения концентрации ионов водорода (увеличение рН среды). Идут процессы образования нерастворимых гидроксидов и карбонатов металлов.

Кислотный геохимический барьер (тип Е) характеризуется изменением среды в сторону увеличения концентрации ионов водорода (снижение рН среды). Идут процессы образования малорастворимых кислот и солей.

Испарительный геохимический барьер (тип F) характеризуется увеличением концентрации анионов и катионов в растворе вследствие процесса испарения воды. Происходит кристаллизация и осаждение солей из-за уменьшения их растворимости.

Сорбционный геохимический барьер (тип G) возникает в тех местах биосферы, где воды соприкасаются с сорбентами - веществами, способными поглощать (сорбировать) из растворов газы, ионы и молекулы. В качестве природных сорбентов обычно выступают почвы, глины, торф, илы.

Термодинамический геохимический барьер (тип Н) характеризуется концентрированием химических элементов в результате резкого изменения температуры и давления. Наиболее изучен такой тип геохимического барьера для явлений понижения давления в водах, содержащих углекислоту Н₂СО₃.

В основе второго принципа классификации физико-химических барьеров лежит состав поступающих к ним вод - окислительно-восстановительная обстановка и концентрация ионов водорода (кислотно-основные условия).

Соответственно, его также можно представить в табличной форме (табл. 2).

Таблица 2. Характеристика вод, поступающих к геохимическим барьерам

Кислородные воды формируются в условиях доступа к ним кислорода, поэтому для них характерна резко окислительная обстановка. Такие воды обычно образуются на поверхности или в трещинноватой зоне земной коры.

Глеевые воды формируются при резко выраженном недостатке в них кислорода. Это происходит, если доступ кислорода в нижние слои почв затруднен (вечная мерзлота, заболачивание). В результате деятельности анаэробных бактерий происходит восстановление многих химических элементов и образуются ионы и химические соединения с ярко выраженными восстановительными свойствами (Fe²⁺, H₂S, NH₃).

Сильнокислая cреда (рН < 3)кислородных и глеевых вод связана с наличием в них свободной серной кислоты H₂SO₄, образующейся в результате окисления сульфидных минералов:

MeS + H₂O + O₂ Ю H₂SO₄ + MeSO₄

Кислая и слабокислая среда (рН = 3 - 6.5) связана с наличием растворенной в воде угольной кислоты: CO2 + H2OЫH+ +HCO3-Ы 2 H+ + CO32- , а также с органическими кислотами (гумусовые и фульвокислоты), образующимися при неполной минерализации отмершего растительного вещества.

Образование нейтральных и слабощелочных вод (рН = 6.5 - 8)связано с избытком в них иона кальция, связывающего в нерастворимые соединения углекислоту и органические кислоты.

Сильнощелочные воды (рН > 8) образуются при наличии в них карбоната натрия (соды), который в результате реакции гидролиза формирует щелочную среду: Na2CO3 + H2OЫNaOH + NaHCO3.

Приведем примеры природных геохимических барьеров, наиболее часто встречающихся в работах по геохимии.

Кислородный барьер типа А.

Тип кислородного барьера А6 встречается почти повсеместно в лесных ландшафтах влажного климата. Большое количество разлагающегося растительного вещества (растительный опад) и недостаток кислорода в поверхностных и подземных водах (переувлажнение почвенного слоя) приводят к образованию кислых глеевых вод.

Кислые воды интенсивно выщелачивают из минеральных подстилающих пород химические элементы, в том числе - железо и марганец.

Вследствие восстановительной обстановки железо и марганец в этих водах находятся в виде катионов низших степеней окисления Fe ⁺² и Mn⁺². Там, где такие воды выходят на земную поверхность, в результате растворения в них кислорода возникает окислительная обстановка (рис. 1). Катионы Fe⁺² , Mn⁺² окисляются с образованием нерастворимых в воде гидроксидов:

Fe²⁺ + O₂ + H₂O Ю Fe(OH)₃

Mn²⁺ + O₂ + H₂O Ю Mn(OH)₄

У оснований склонов, где происходит выклинивание таких вод, наблюдается концентрирование гидроксидов железа и марганца в виде марганцевых конкреций и пластов бурых железняков. Нередко глеевые воды, разгружаясь на дне мелких рек и озер, воды которых богаты кислородом, также осаждают в донных отложениях гидроксиды железа и марганца.

Сульфидный барьер типа В.

Сульфидные геохимические барьеры возникают в местах, где кислородные или глеевые воды на пути своего движения встречают сероводородную обстановку.

Рис.1. Кислородный геохимический барьер (тип А6): 1 - глеевые воды; 2 - водоносный горизонт; 3 - изверженные породы; 4 - геохимический барьер

Образование сероводорода H₂S в основном связано с деятельностью анаэробных бактерий, которые для своей жизнедеятельности отнимают у ионов сульфата кислород, тем самым восстанавливая серу:

3SO₄^2- + 6 H⁺ + С6Н12О6Ю 3H₂S + 6 H₂O + 6СО2

Сероводородные барьеры имеют большое практическое значение, т.к. на них образуются месторождения меди, урана, селена и ряда других элементов. Еще чаще на таких барьерах возникают геохимические аномалии этих элементов. геохимический барьер возникновение техногенный

Если на возвышенности (рис. 2) располагаются рудные тела или минералы, содержащие сульфиды железа, меди и др. металлов, то окисление этих минералов приводит к образованию кислых грунтовых вод, содержащих свободную серную кислоту и сульфаты металлов:

MeS + H₂O + O₂ Ю H₂SO₄ + MeSO₄

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

Двигаясь в сторону понижения рельефа, такие воды у подножия склона встречают торфяное болото. В болотной среде, в анаэробной обстановке, происходит бактериальное восстановление иона сульфата до сульфида. В результате в краевой зоне болота возникает сульфидный барьер типа В1 или В2, на котором концентрируются принесенные водами ионы металлов в виде нерастворимых в воде сульфидов:

Me²⁺ + S^2- Ю MeS

Щелочные барьеры типа D.

Геохимические барьеры этого типа исключительно распространены в биосфере, в местах резкого увеличения рН среды от кислой до щелочной.

В районах влажного климата, на контакте ультраосновных пород с известняками образуются геохимические барьеры типа D2 или D6(рис. 3). Разложение органических остатков в почвах приводит к образованию кислых кислородных или глеевых вод, которые выщелачивают многие химические элементы из ультраосновных пород (Mn, Co, Ni, Fe, Cu, Be и т.д.). На контакте с известняками возникает щелочной барьер (нейтрализация кислот) и идет образование нерастворимых гидроксидов элементов (рН осаждения гидроксидов металлов меньше 7).

Аналогичное явление часто наблюдается при окислении сульфидных минералов в зоне известковых пород (геохимический барьер типа D1).

Рис. 3. Щелочной геохимический барьер (тип D2): 1 - кислые воды; 2 - изверженные породы; 3 - карбонатные породы; 4 - геохимический барьер

Кислотные барьеры типа Е.

Геохимические барьеры этого типа менее распространены в биосфере, чем щелочные. В щелочных водах хорошо мигрируют анионогенные элементы: кремний (SiO₃^2-), селен (SeO₃^2-), молибден (МоО₄^2-), германий(GeO₃^2-).

При резком изменении кислотности среды (уменьшении рН) происходит осаждение малорастворимых кислот (H₂SiO₃ , H₂SeO₃, H₂MoO₄, H₂GeO₃) и концентрирование этих элементов на кислотном геохимическом барьере.

Такой барьер типа Е3 (рис. 4) возникает при окислении сульфидных руд в зоне известковых пород. В этом случае геохимический барьер как бы работает в обе стороны: в сторону от руд - щелочной барьер типа D1, а по направлению к рудам - кислотный барьер Е3.

Такие барьеры называются двусторонними, для них характерно наличие несовместимых ассоциаций химических элементов, включающих, как в данном случае, катионогенные и анионогенные элементы.

Рис. 4. Двусторонний кислотно-щелочной барьер (типы D1 и Е 3): 1- щелочные воды; 2 - кислые воды; 3 - карбонатные породы; 4 - кислотный геохимический барьер; 5 - зона окисления сульфидных руд; 6 - сульфидные руды; 7 - щелочной геохимический барьер

Испарительные барьеры типа F.

Испарительные барьеры характерны для районов аридного (засушливого) климата, где испарение преобладает над выпадением осадков.

Барьер типа F1 образуется в результате испарения сернокислых вод, формирующихся при окислении сульфидных минералов (преимущественно пирита FeS₂).

При накоплении и испарении сернокислых вод образуются сернокислые солончаки, почва обогащается растворимыми солями железа, меди, цинка, кобальта и др. металлов.

Наиболее распространены в степях и пустынях геохимические барьеры типа F3. К ним относятся многие солончаки Средней Азии и Казахстана, ряда аридных районов России и Украины. В таких барьерах стойко фиксируются геохимические аномалии молибдена, цинка, стронция, образующиеся при испарении нейтральных или слабощелочных вод.

Барьеры типа F7 и F8 связаны с поступлением на поверхность по разломам глубинных "нефтяных вод" (вод, сопутствующих месторождениям нефти). Такие барьеры дают геохимические аномалии с высокими содержаниями иода, брома, бора.

Сорбционные барьеры типа G.

На барьерах этого типа часто происходит концентрирование тех химических элементов, которые из-за их малых кларков не дают самостоятельных минералов (к примеру, концентрирование рубидия Rb и цезия Cs на глинах).

На участках окисляющихся сульфидных руд с характерными для них сернокислотными водами часто наблюдается образование барьеров типа G1 с высокими концентрациями меди Cu, цинка Zn и др. металлов. Здесь в глинах иногда накапливается до 1% меди (по современным кондициям это медные руды), но каких-либо медных минералов обнаружить не удается.

Барьеры типа G2 особенно характерны для таежных ландшафтов и влажных тропиков с их кислыми водами. Барьеры G3 и G4 образуются в аридном климате степей и пустынь, кроме того, тип G4 часто встречается в илах содовых озер.

Термодинамический геохимический барьер Н.

Этот геохимический барьер возникает при выходе на поверхность подземных углекислых вод. Воды этого типа широко распространены не только в биосфере, но и в земной коре в целом. Имея часто высокую температуру, они легко растворяют многие минералы, образуя растворимые бикарбонаты Ca(HCO₃)₂ , Mg(HCO₃)₂ , Fe(HCO₃)₂ .

При выходе таких вод на поверхность давление снижается и соответственно уменьшается концентрация СО₂ в растворе. Происходит разложение бикарбонатов с образованием нерастворимых в воде карбонатов:

Са(НСО₃)₂ Ю CaCO3 + H2O + CO2

Так образуются многие месторождения известняковых туфов. Подземные воды в известняках насыщены бикарбонатом кальция, а в местах их выхода на поверхность отлагаются известняковые туфы (барьеры типа Н3 и Н7).

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 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, 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.

Заключение

Итак, геохимические барьеры это зоны резкого уменьшения миграционной способности каких-либо химических элементов!?! Процесс сопровождается их осаждением из раствора и приводит к возникновению их повышенной концентрации, в том числе промышленных месторождений. В зависимости от факторов рудоотложения различают: физико-химические, механические, биогеохимические барьеры. Геохимические барьеры играют важную роль в экзогенных процессах рудообразования.

Размещено на Allbest.ru