Геохимия окружающей среды как наука. Основные геохимические понятия

Геохимия окружающей среды как наука. Основные геохимические понятия

Геохимия окружающей среды – наука, изучающая распределение химических элементов в прос­транстве и во времени, возникновение и трансформацию разных форм нахождения элементов, процессы их миграции, проявления рассеяния и аккумуляции в разных природных условиях.

Идеи В.И.Вернадского о планетарной роли живого вещества обога­тили теорию геохимии и привели к формированию новой науки – биогеохимии, или экологической геохимии, изучающей миграцию и распределение химических элементов в биосфере, где главной движущей силой служит деятельность организмов. Главной задачей биогеохимических исследований является изуче­ние массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой.

Практическое применение геохимииокружающей среды:

1. Биогеохимический метод поисков месторождений полезных ископаемых. Существо этого метода заключается в выявлении участков повышенных кон­центраций рудообразующих элементов в растениях. Участки повышенных концентраций металлов в растениях и верхнем горизонте почвы — биогеохимичес­кие аномалии — дают основание предполагать присутствие на глу­бине залежей руд, не выходящих на поверхность. Биогеохимические исследования сыграли важную роль в откры­тии многих месторождений руд цветных и редких металлов, сырья для атомной промышленности и других полезных ископаемых.
2. Изучение влияния содержания химических элементов в окружающей среде на организмы животных и человека. В отдель­ных районах природные геохимические отклонения настолько велики, что они вызывают ответные, часто патологические реакции организмов. Такие районы получили название биогеохимических провинций. В.В.Ковальский обнаружил связь между продуктивностью сельскохозяйственного скота и избытком и недостатком бора, кобальта, меди, молибдена, селена. В некоторых местах установлено влияние содержания микроэле­ментов в питьевой воде и местных продуктах на здоровье человека. Помимо широко извест­ных примеров заболевания щитовидной железы от недостатка йода установлена связь содержания микроэлементов в почвах и растениях с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Обнаружена связь между содержанием свинца в горных породах и заболеванием рассеянным склерозом.
3. Изучение водной миграции химических элементов, выноса химических элементов в Мировой океан, оценка техногенной составляющей.
4. Проведение комплексной эколого-геохимической оценки состояния окружающей среды на конкретных территориях.

Формы нахождения химических элементов в земной коре

Формы на­хождения химических элементов:

- горные породы и минералы;

- биогенная форма нахождения (живое вещество);

- магматические расплавы;

- изоморфные примеси;

- водные рас­творы;

- газовые смеси;

- коллоидная и сорбированная формы нахождения элементов (т.е. коллоиды и сорбированные ими вещества);

- форма нахождения в виде техногенных соединений, не имеющих природных аналогов.

 

Самостоятельные минеральные виды (минералы)

В литосфере самостоятель­ные минеральные виды являются наиболее распространенной природной формой нахождения химических эле­ментов. В настоящее время насчитывается около 2000 видов ми­нералов различных комбинаций и нахождений в самородном состоянии. Наибольшее число минералов (свыше 1500) образовано при участии кислорода. Более 1000 минералов содержит водород и более 500 — кремний. Еще 16 элементов (Са, S, Fe, Al, Na, Mg, Сu, Pb и др.) входят в состав более чем 100 минералов (каждый). В то же время более десяти элементов (Rh, Os, Ru и др.) образу­ют всего несколько собственных минералов.

Следует сразу же отметить, что только распространенностью элементов нельзя объ­яснить их способность образовывать самостоятельные минералы. Так, среднее содержание в земной коре свинца составляет 1, 6 ∙ 10 ^{– 3} %, а число собственных минералов — 199; для галлия эти значения соответственно равны 1, 9∙ 10 ^{– 3} % и 2.

Входящие в состав твердых минералов химические элементы становятся доступными для организмов либо в процессе, либо после разрушения минералов. В связи с этим при изу­чении экологической геохимии большое значение имеет не толь­ко состав минералов, но и их прочность и особенно растворимость.

 

Водные растворы

Водные растворы составляют отдельную оболочку Земли — гидросферу. Ее большая часть приходится на до­лю Мирового океана, меньшая — на поверхностные и подземные воды континентов.

По химическому составу природные воды чрезвычайно разнооб­разны. Различия обусловлены не только качественным составом и общей концентрацией растворенных веществ, но и соотношением компонентов и различных форм их нахождения в воде. Растворенные газы находятся в природных водах в виде молекул и частично гидратированных соединений, минеральные и органические вещества встре­чаются в истинно растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии.

Природные воды представляют собой сложные растворы, содержащие дисперсные взвеси и соединения, находящиеся в истинно растворимом состоянии.

В состав растворимых соединений входят простые и комплексные ионы, нейтральные молекулы. В речных водах в составе растворимых соединений преобладают анионы [НСОз] ^-, [SO₄]^2-, C1^-, составляющие от суммы растворенных веществ соответственно 48, 8; 10, 0 и 5, 3%. Среди катионов преобладают (%): кальций — 10, 8, магний — 2, 8, натрий — 3, 8 и калий — 1, 2. В варьирующих микроколичествах присутствуют остальные эле­менты (10^-2 ÷ 10^-5 %).

Образование неорганических комплексных соединений характерно для хрома, никеля, кобальта, меди, цинка, урана.

В водах Мирового океана основную массу растворен­ных соединений составляют хлориды (55, 3 %) распространенных щелочных и щелочно-земельных элементов, меньше содержится сульфатов (7, 7 %), гидрокарбонатов – 0, 41 %. Среди катионов преобладает натрий – 30, 8 %, затем следует магний – 3, 7 %.

Органические вещества, содержащиеся в природных водах, включают органические кислоты, фенолы, гумусовые вещества, аминокислоты, амины, углеводы и т. д.

Растворенные в воде газы - кислород, азот, диоксид углерода, сероводо­род и др.

 

Магматические расплавы

Плавление пород в недрах Земли приводит к образованию жидкого расплава – магмы. В магме существуют два основных вида комплексов, соответствующих будущим минералам:

- октаэдрические группы – среди них преобладают [МgО₆] и [СаО₆];

- тетраэдрические группы – среди них преобладают [SiО₄] и [АlО₄].

Кроме того, предполагается, что в магме содержатся свободные подвижные катионы, атомы растворённых металлов, соединения типов FeS и Fe₃О₄, а также отдельные молекулы, прежде всего газы. Таким образом, магматические расплавы – это сложные изменчивые, насыщенные газами системы.

 

Изоморфная форма нахождения химических элементов

Изоморфные смеси в минералах представляют собой закономер­ные замещения аналогичных элементов друг дру­гом в кристаллических решетках. Явление установлено немецким химиком Э. Митчерлихом в 1819 г. Процесс изоморфного замещения подразделяют на изовалентный и гетеровалентный. При изовалентном в кристаллических решетках замещаются ионы рав­ной валентности, при гетеровалентном — разной.

Возможность изоморфного за­мещения зависит от ряда внешних и внутренних причин или факторов.

Внутренние факторы изоморфизма определяются свойствами самих элементов (ионов):

1. Замещающий и замещаемый ионы должны иметь примерно равные радиусы.

2. Взаимозамещающиеся ионы должны обладать и подобными поляризационными свойствами.

3. Изоморфное замещение возможно между ионами с близки­ми величинами потенциалов ионизации.

4. Обычно изоморфное замещение возможно между ионами с близкими величинами электроотрицательности, а преимуществом в построении кристаллической решетки обладает ион с меньшей величиной электроотрицательности.

5. При изоморфном замещении не должен нарушаться тип хи­мической связи между элементами в кристаллической решетке.

Внешние факторы изоморфизма. К настоящему времени изучено (хотя и относительно ограниченно) влияние на изоморфизм таких фак­торов, как температура, давление, концентрация веществ в среде протекания процесса.

1. Наиболее детально изучено влияние на изоморфизм темпера­туры: с ее увеличением возрастает степень смесимости веществ. Многие ионы, не замещающие друг друга в решетках минералов при низких температурах, при высоких образуют изоморфные смеси. Такое по­ложение позволило сказать А.И. Перельману: «Магматизм — ос­новная область проявления изоморфизма в земной коре». К это­му следует добавить, что большей изоморфной емкостью облада­ют породообразующие минералы основных пород, за ними — кислых. Большим числом редких элементов, изоморфно входящих в минералы при их повышенной концентрации отличаются щелочные породы.

2. Повышение давления способствует изоморфизму, происходящему с увеличением координационного числа.

3. Повышение концентрации в среде минералообразования эле­мента, изоморфно входящего в кристаллическую решетку, способ­ствует изоморфизму. Процесс протекает более интенсивно, если в рассматриваемой среде будет понижена концентрация «главно­го», т.е. замещаемого, элемента.

К настоящему времени значительная часть редких и рассе­янных элементов добывается из изоморфных смесей. Традицион­но и вполне обоснованно предпочтение отдается примесям рас­сеянных элементов в высокотемпературных магматических мине­ралах. Так, значительное количество Hf добывается из циркона, где гафний находится в виде изоморфной смеси к Zr. В изоморфной примеси к цирконию могут на­ходиться иттрий, тяжелые лантаноиды.

 

Физико-химические барьеры

Сероводородные геохимические барьеры. При резком понижении величины ОВП возникают восстановительные геохимические барьеры. Если на таких барьерах осаждение химических элементов происходит с участием сероводорода, то барьер считается сероводородным. На сероводородном барьере происходит осаждение химических элементов в виде сульфидов.

На ЕТР широко распространены термальные Н₂S-содержащие подземные воды (термальные источники Копетдага, Тбилисские термы, источники Пятигорска, Мацесты). В зонах их разгрузки идет отложение сульфидов, ча­ще всего пирита FeS„ что объясняется наличием в водах биосферы по­вышенных концентраций Fe.

Известны случаи выхода сероводородных гидротерм на дне океанов, в рифтовых зонах. При этом иногда образуются так называемые «чер­ные курильщики» — конусы высотой в десятки и диаметром в сотни ме­тров, состоящие из сульфидов, аналогичных по составу полиметалличе­ским рудам. Их более древними аналогами считаются сульфидные ме­сторождения острова Кипр, образовавшиеся в позднемеловое время.

Сероводородные барьеры могут формироваться благодаря жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий, восстанавливающих сульфаты до сероводорода.

Кислородные геохимические барьеры. К числу получивших 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.

К настоящему времени в пределах биосферы среди кислород­ных барьеров преобладают природные.

Из металлов на кислородных барьерах осаждаются Fe и Мn с пе­ременной валентностью и совместно с ними, но гораздо реже Со. Железо концентрируется на подавляющем большинстве барьеров из глеевых вод и редко — из сильнокислых (рН< 3) сероводород­ных. В последнем случае оно является второстепенным, сопровож­дающим осаждение серы. Если в пределах кислородного барьера в водах появляется свободный О₂, но величина Eh недостаточна для осаждения марганца, то Мn ²⁺ продолжает миграцию, a Fe³⁺ кон­центрируется.

В кислых глеевых водах Fe и Мn мигрируют, как правило, в виде Fe(Mn)(HCO₃)₂ и органоминеральных соединений. При попадании таких вод в обстановку со сво­бодным кислородом происходит совместное осаждение минералов Fe и Мn: гематита Fe₂O₃, гидрогематита (Fe₂0₃ • aq), гетита (HFe0₂), пиролюзита (МnО₂), вернадита (Мn0₂ • nН₂0) и т.д.

В глеевых нейтральных и щелоч­ных водах Fe малоподвижно, а Мn хорошо мигрирует. Из таких вод на кислородном барьере осаждаются в основном минералы Мn: пи­ролюзит (Мп0₂), манганит (Мn²⁺Мn⁴⁺0₂[ОН]₂) и др.

Кроме трех перечисленных металлов на кислородных барьерах мо­гут концентрироваться сера и селен. Это происходит в тех случаях, когда к кислородному барьеру подходит поток сероводородных вод.

Иногда в зонах выхода сероводородных вод на поверхность, где в ат­мосфере избыток кислорода, H₂S окисляется до свободной серы. На многих сероводородных источниках видны образование и осаж­дение своеобразных «хлопьев» серы. Это явление связано с окислением (часто с участием серобактерий) сероводорода до свободной серы:

2H₂S + 0₂ = 2Н₂О +2S.

Глеевые геохимические барьеры. Глеевые барьеры возникают в тех случаях, когда на участки с вос­становительной бессероводородной 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 (А.И. Перельман), 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 СН₄), 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:

1.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 Си, 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.

2.Своеобразные глеевые барьеры встречаются в западинах с солодями в лесотепях. Сами барьеры в таких условиях (осолоделые горизон­ты А₁ и А₂ отличаются большой степенью выщелачивания высокодисперсных и водорастворимых компонентов, которые аккумулируются в лежаших ниже горизонтах вмывания) обычно расположены в нижней части гумусового горизонта. На рассматриваемых барьерах наиболее энергич­но накапливается Мо. Его содержание на барьере может быть в 8—10 раз выше, чем в лежащих выше («кислородных») почвах.

3. Глеевые барьеры, подобные уже описанным, встречаются и сре­ди луговых почв солонцов и солодей. Так, в Юж­ных Мугоджарах в нижних горизонтах почв за счет увлажнения, связан­ного с подъемом трещинно-грунтовых вод, создается глеевая обстанов­ка. На таких участках концентрация Мо от верхнего гумусового горизон­та к глеевому возрастает, а количество водно-растворимой его части, что особо важно, при этом уменьшается с 14 до 2% валового содержания ме­талла в почве.

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

Примеры щелочных геохимических барьеров:

1. Формирование природных кислых растворов часто связано с окис­лением сульфидных руд. Величина рН таких вод, по данным многочис­ленных исследований, может уменьшаться 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 Си, Zn, Fe, Pb. Так, в водах полиметаллических место­рождений Джунгарского Алатау концентрации Pb и Zn достигают 90-100 мкг/л. При поступлении таких вод в карбонатные породы и сме­шивании их с так называемыми «фоновыми водами» на щелочных ба­рьерах происходит отложение сульфатов Zn, Fe, Pb. На этих же участках в донных осадках накапливаются Си, Cd, Ga, Cr, A1 и другие рудные эле­менты. Правда, часть из них осаждается в результате сорбции образующимися сульфатами.

2. Довольно часто щелочные геохимические барьеры формируются в районах с шахтной отработкой месторождений полезных ископаемых. Подавляющее большинство шахтных вод имеет кислую реакцию. Это мо­жет быть связано с разложением сульфидов и в первую очередь с окис­лением широко распространенного в земной коре сульфида железа. Кислота получается и при окислении карбонатов. В шахтных водах кислоты образуются при окислении и самородных металлов, и силикатов, и сульфидов, а также при бактериаль­ном разложении органических веществ. В последнем случае образуются органические кислоты.

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: Pb, Cd, Zn, Hg, As, Co и др.

Кислые геохимические 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 др. 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:

1. Довольно часто небольшие по размерам кислые барьеры образу­ются в почвах с внутрипочвенной щелочно-кислотной дифференциаци­ей. Как пример, можно рассмотреть почвенный профиль 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. В таких условиях наблюдалась концентрация Y, Se, Be, Zr и образование их ложных геохимических ано­малий в верхнем почвенном горизонте.

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

3. Своеобразным кислым барьером на пути содовых вод могут стать да­же стволы деревьев в аллювиальных отложениях. На участках гниения де­ревьев вода подкисляется, и возникают локальные кислые микробарье­ры, на которых осаждается SiO₂. При этом осаждающийся кремнезем замещает древесину.

4. Иногда на аналогичных барьерах (при смене сильнощелочной обста­новки на слабощелочную) совместно с Si0₂ происходит отложение Сг и A1. Оба эти элемента могут мигрировать в содовых водах.

5. Своеобразное сочетание кислого и восстановительного барьеров мо­жет возникнуть за счет деятельности сульфатредуцирующих бактерий на водонефтяном контакте. Поступающий в воду углекислый газ способст­вует понижению величины рН и формированию кислого барьера. При этом в результате осаждения Si0₂ происходит окремнение пород (ча­сто известняков); может происходить также концентрация Мо и U.

6. На кислых барьерах при переходе от резкощелочной обстановки к слабощелочной и нейтральной, по мнению ряда исследователей, возможны промыш­ленные концентрации из гидротерм Sn, Zr, Th, Be, Та, Nb, Li, W.

Испарительные геохимические 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, 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. Однако в этом случае в дождливый период идет промывание почв и аномальные концентрации хими­ческих элементов на испарительных барьерах могут исчезнуть.

Испарительные геохимические барьеры могут образовывать­ся в различных окислительно-восстановительных условиях. Если в почве имеется глеевый горизонт, происходит глеевое засоление. Но гораз­до чаще встречаются испарительные барьеры, сформировавшие­ся (и формирующиеся) в условиях кислородной окислительной об­становки.

В условиях жаркого сухого климата, при относительно низком уровне грунтовых вод по вер­тикали возможно формирование двух испарительных барьеров. Верх­ний барьер образуется, как правило, на поверхности, нижний — непосредственно над уровнем грунтовых вод. Его образование связывается с началом испарения вод.

Если грунтовые воды располагаются достаточно глубоко и их уровень не подвержен большим колебаниям, возникает своеобраз­ная солевая зональность (В.А. Ковда). Наиболее труднорастворимые соли концентрируются в нижних частях барьера, а легкора­створимые — в верхних. В результате образуются следующие го­ризонты испарительного барьера (снизу вверх): 1) карбонатный; 2) сульфатный, гипсовый; 3) хлоридно-сульфатный. На первом от­лагаются труднорастворимые карбонаты, на втором — вместе с гипсом осаждаются Sr и Мо; на третьем — Mo, Zn, Си, Pb, Ва, Sr. При близком к поверхности залегании грунтовых вод воз­можно совмещение всех трех горизонтов.

Большой хозяйственный ущерб наносится в результате обра­зования испарительных барьеров на сельскохозяйственных угодь­ях. По имеющимся данным к настоящему времени из-за засоле­ния полностью потеряно для сельского хозяйства около 20—25 млн га плодородных земель. На десятках миллионов гектаров в резуль­тате засоления значительно понижены урожаи.

Особые бедствия связаны с содовым засолением, которое переходит в ранг мировых проблем. Это связано с тем, что сода (Na₂C0₃ и NaHC0₃), концентрирующаяся на так называемых содовых испарительных барьерах, вызывает многочисленные из­менения в структуре и составе минеральной и органической ча­стей почв. Величина рН может достигать значения 11. Возника­ющие при этом условия приближаются к абиотическим.

Примеры испарительных геохимических барьеров:

1. 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 поверхности 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.

2. 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.

Формирование (и действие) описываемых барьеров можно рассмат­ривать при испарении растворов и отложении солей в отшнурованных ла­гунах морей, а в миниатюре — при высыхании луж на плотных глинах. В результате подобного испарения происходит образование так называ­емых соляных озер. В периоды дождей и таяния снегов они представля­ют собой насыщенные растворы, а в засушливые периоды — залежи со­лей в бессточных котловинах. Таких озер много в Северо-Восточном Ка­захстане, в Алкамергенской зоне.

 

Сорбционные геохимические 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:

1. 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. Среди последних резко преобладают глины, гумусовые вещест­ва и гидроксиды Fe и Мn.

Рассматриваемые барьеры характерны для краевых зон болот (сорбен­том является торф), гумусовых и глинистых горизонтов почв, коры выве­тривания. Гумус и глинистые частицы в основном определяют содержа­ние в почвах сорбированных элементов, которое часто бы­вает чрезвычайно высоким. Так, в каолините концентрация сорбирован­ной меди может доходить до 0, 8%.

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

3. Сорбционные барьеры таких же громадных размеров, 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), адсорбировавшим 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 (в первую очередь техногенные), оторванные от источников загрязнения.

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.

Примеры термодинамических геохимических барьеров:

1. Наиболее иллюстративным является образование из растворов, про­двигающихся по трещинам в горных породах, травертина (карбонат каль­ция). Процесс проходит при быстром палении давления, связанном с раскрытием трещин или приближением (выходом) на поверхность подземных гидрокарбонатно-кальциевых вод. Реакция осаждения каль­цита может быть представлена следующей схемой:

Наибольшую известность получили травертины, образовавшиеся 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, травертины Коксу-Текелийского полиме­таллического района обогащены Pb и Zn.

2. На термодинамическом барьере, связанном с остыванием тер­мальных минерализованных вод, разгружающихся во впадине Красного моря, в результате падения дав­ления и остывания происходят распад комплексных соединений и осаж­дение Pb, Zn, Si, Ca.

На барьерах, подобных описанному, но развивающихся на суше, происходит осаждение из гидротермальных растворов целого ряда метал­лов. Если концентрация достигает промышленной величины, образуют­ся гак называемые низкотемпературные месторождения по­лезных ископаемых. Детальное изучение газов жидких включений в ми­нералах позволило считать, что в растворах было много СО₂. В результате быстрого падения давления содержание углекислого га­за уменьшалось, комплексы разрушались, шло отложение кальцита и руд­ных минералов.

 

Геохимия окружающей среды как наука. Основные геохимические понятия

Геохимия окружающей среды – наука, изучающая распределение химических элементов в прос­транстве и во времени, возникновение и трансформацию разных форм нахождения элементов, процессы их миграции, проявления рассеяния и аккумуляции в разных природных условиях.

Идеи В.И.Вернадского о планетарной роли живого вещества обога­тили теорию геохимии и привели к формированию новой науки – биогеохимии, или экологической геохимии, изучающей миграцию и распределение химических элементов в биосфере, где главной движущей силой служит деятельность организмов. Главной задачей биогеохимических исследований является изуче­ние массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой.

Практическое применение геохимииокружающей среды:

1234Следующая ⇒

Поделиться: