Главная | Обратная связь

Геохимические барьеры

Термин «геохимические барьеры» был предложен А.И. Перельманом в 1961 г. В пределах большинства барьеров происходит довольно резкое изменение типа миграции химичес­ких элементов, а затем связанные с ним изменения интенсивно­сти миграции и осаждение (концентрация) определенных хими­ческих элементов или их соединений.

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 втором — 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.

Механические барьеры представляют собой участки резкого умень­шения интенсивности механической миграции. Они в основном связаны со вторым типом миграции химических элементов, а в пределах биосферы — чаще всего с миграцией 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 первым 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 би­огеохимических 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.

 

Размеры 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 Ре(ОН)з.

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 перемеща­ется 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 понятие о геохимических барьерах относится к чис­лу важнейших в геохимии. 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 (рис.1) относится гра­диент барьера. Он определяется по формуле

G=dm/dl или 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 рН, t, Р, Eh, количество растворен-

 

1 Рис.1. Параметры геохимических

2 барьеров.

3 1,2 – направление миграции хим.

элементов до и после барьера;

3– область концентрации элементов;

L – длина барьера; m₁ и m₂ - геохи-

мические характеристики среды до и

после барьера.

ного 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; рН/м; Eh/м и др.

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 случаев формируются геохимические аномалии, то о контрастно­сти барьера можно судить и по контрастности образовавшихся ге­охимических аномалий:

К=С_а/С_ф,

где С_а — среднее содержание рассматриваемого компонента в ано­малии; С_ф — 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 барьеров.

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

где К — коэффициент, зависящий от «инертной» массы (почв, осад­ков, живого вещества и т.д.), на которой происходит накопление рассматриваемого вещества; C₁, 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 немногих 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.

Указанной особенностью геохимических барьеров необходи­мо чаще пользоваться 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 (принцип Перельмана). 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 г. Перельман сформулировал принцип торможения химических реакций, 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.

 

1. Физико-химические барьеры

1.1. 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. 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 сильнокислых средах (преобладает H₂S) барьер основывается на реакция типа:

CuSO₄ + H₂S ® CuS¯ + H₂SO₄

В нейтральных и слабощелочных средах (преобладает HS^-) барьер основывается на реакция типа:

CuSO₄ + NaHS ® CuS¯ + NaHSO₄

 

1.2. Кислородные барьеры

­Eh, природные барьеры, осаждаются Fe, Mn. Может сера и селен.

Примеры: S из сероводорода; Fe(OH)₃ из Fe⁺².

 

1.3. Щелочные барьеры

Кислые воды (сульфидные руды) с водами от карбонатных пород. Cu, Zn, Fe, Pb, а также Cd, Cr.

1.4. Кислые барьеры

Нейтральные и щелочные условия меняются скачкообразно на слабокислые и кислые. На многих кислых барьерах хим. элементы осаждаются из потока содовых вод. Такие воды чаще всего образуются за счет обменных реакций и выветривания натриевых силикатов. В таких водных потоках находятся в повышенной концентрации Mo, V, Se, U, Si, Y, Zr, Ag, Sc, Be, Cu, Al, Cr.

 

1.5. Испарительные барьеры

Испарительные геохимические барьеры представляют собой участки, на которых увеличение концентрации хим. элементов происходит в результате процессов испарения.

1.6. Сорбционные барьеры

Сорбционные геохимические барьеры формируются на участках встречи водного или газового потока с сорбентами.

 

1.7. Термодинамические геохимические барьеры

Формирование термодинамических барьеров происходит при довольно резком изменении давления и температуры в конкретных геохимических системах. Пока природные термодинамические барьеры преобладают над техногенными.

 

2. Механические барьеры

Механические барьеры формируются в условиях резкого уменьшения интенсивности механической миграции веществ. 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.

 

2.1. Барьеры для веществ, перемещающихся в водных потоках

………….

Техногенные барьеры в основном связаны с гидротехническими сооружениями.

 

2.2. Барьеры для веществ, перемещающихся в воздушных потоках

Как правило эти барьеры относятся к природным.

 

3. Биогеохимические барьеры

На биогеохимических барьерах происходит резкое уменьшение интенсивности миграции хим. элементов под воздействием организмов.

 

4. Социальные геохимические барьеры

Под термином понимают зоны складирования и захоронения отходов – как промышленных, так и бытовых.

 

5. Комплексные геохимические барьеры

Комплексные геохимические барьеры образуются за счет наложения друг на друга нескольких различных барьеров. Среди природных барьеров комплексные по распространенности занимают если не первое, то одно из первых мест.