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=Са/Сф,
где Са — среднее содержание рассматриваемого компонента в аномалии; Сф — 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.