Количественные характеристики геохимических барьеров

Кчис­лу важнейших количественных параметров (рис.) относится гра­диент барьера . Он определяется по формуле (А.И. Перельман, 1989)

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, Еh, количество растворенного в воде кислорода, или серово­дорода и т.д.;

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

L — мощность (ширина) барьера.

Величина градиента барьеров может быть выражена в градусах/м; рН/м; Eh/м и др.

Еще одной количественной характеристикой геохимических ба­рьеров является контрастность барьера S (А.И. Перельман), опре­деляемая по формуле

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:

 

 

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;
С₁, С₂ — содержание рассматривае­мого вещества в миграционном потоке соответственно до и по­сле барьера;

а₁, а₂ — общее содержание всех веществ, мигрирую­щих в потоке соответственно до и после барьера.

 

Классы геохимических барьеров: физико-химические, биогеохимические, механические барьеры

 

Геохимические барьеры биосферы разделяются на два основ­ных типа — природные и техногенные .

Оба типа геохимических барьеров подразделяются Перельманом на три основных класса: физико-химические, биогеохимические и механические.

Физико-химические барьеры связаны 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.

 

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.

 

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: