Механическая миграция химических элементов в ландшафтах

Миграция с точки зрения геохимии ландшафта – это перемещение и перераспределение элементов как результат эндогенных и экзогенных процессов в составных частях ландшафта. Термин «миграция» был введен А.Е.Ферсманом в 1923 г. Процессы миграции элементов, подчеркивал А.Е.Ферсман, должны рассматриваться как важнейшие явления природы, определяющие все многообразие геохимических реакций.

Миграция химических элементов происходит в жидких, газообразных и твердых системах. Она создает разнообразие неживой природы и жизненных форм. К активным мигрантам в широком диапазоне термодинамических условий относятся галогены, щелочные металлы. Для элементов группы платины характерно механическое перемещение. Миграция остальных зависит от геохимической обстановки.

Внутренние и внешние факторы миграции. В условиях ландшафта миграция элемента определяется внутренними факторами миграции. К ним относятся: особенности ионов, форма в которой присутствует элемент, химические свойства элемента, его способность давать соединения различной растворимости, летучести, твердости, поглощаться организмами и т.д.

Миграция химических элементов во многом определяется внешними факторами, т.е. от той обстановки, в которой мигрируют атомы – от солнечной радиации, температуры, давления, щелочно-кислотных (рН) и окислительно-восстановительных (Еh) условий и т.д.

Механическая миграция (механогенез) обусловлена работой рек, ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и других факторов, детально изучаемых в соответствующих разделах геологии, геоморфологии, вулканологии, тектонике, океанологии и др. науках.

Механическая дифференциация пород и минералов. Характерная черта механогенеза – раздробление горных пород и минералов, ведущее к увеличению степени их дисперсности, растворимости, развитию сорбции и других поверхностных явлений. При диспергировании резко увеличивается суммарная поверхность частиц, а, следовательно, и их поверхностная энергия. Увеличивается при диспергировании и растворимость некоторых минералов. Многие минералы при этом разлагаются. Так, сульфиды при диспергировании (истирании) частично разлагаются на металл и серу. Гидратные минералы выделяют воду, т.е. становятся возможными термодинамически невыгодные реакции. Роль таких механохимических явлений в ландшафте еще не изучена.

В результате механической миграции в ландшафте образуются делювий, пролювий, аллювий, морена и прочие кластические отложения. Процессы, основными агентами которых служат сила тяжести, текучая вода, ветер, лед, подчиняются законам механики и не зависят непосредственно от химических свойств элементов. Основное значение здесь приобретает величина, плотность и форма частиц. Частицы близкого размера и близкой плотности осаждаются вместе. Чем дальше участок расположен от вершины склона, чем меньше его крутизна, тем более тонкий материал накапливается на склоне. Поэтому в горных и холмистых районах, сложенных скальными породами, в верхней части склона развиты более грубые, а в нижней – более тонкие по гранулометрическому составу делювиальные осадки. Аналогично – ближе к аридным горам пролювий представлен грубообломочным материалом, а в удалении – лессовидным суглинком. В речных долинах русловые фации часто представлены галечниками, гравием, песками, а пойменные – суглинками и глинами. Данные процессы называются механической дифференциацией.

Механическая миграция приводит к глубоким изменениям в ландшафте, так как частицы разной крупности и плотности имеют различный химический состав. Глинистые фракции почв и пород по сравнению с песчаными обычно содержат больше Fe, Al, Mn, Mg, K, V, Cr, Ni, Co, Cu и меньше SiO₂. Это объясняется тем, что в процессе выветривания соединения Fe и Al образуют коллоиды, в том числе глинистые минералы, в состав которых входят Mg и K. V, Cr, Ni, Co, Cu легко адсорбируются коллоидами. Минералы Ti, Zr, Sn, W, Pt имеют большую плотность и трудно поддаются выветриванию. Они преимущественно входят в состав песчаной фракции.

В результате песчаные, пылеватые, глинистые и прочие отложения имеют различный химический состав. Пески, как правило, обогащены SiO₂ и бедны Fe, Al и Mg, и многими редкими элементами. С другой стороны, в песках часто концентрируются Ti, Zr, Sn, Au, Pt, W. Поэтому в районе, сложенном одним комплексом пород (например, гранитоидами), за счет механической дифференциации образуются отложения различного химического состава, определяющие своеобразие приуроченных к ним геохимических ландшафтов.

В реках Fe в основном, мигрирует во взвешенном состоянии - виде коллоидной мути гидроокислов и глинистых минералов, V, Cr, Ni, Co, Cu - в адсорбированном состоянии на глинистых и гумусовых частицах Na, Cl, S - главным образом в виде истинных растворов.

Механические ореолы рассеяния. При физической дезинтеграции рудных тел в элювиально-делювиальных и других рыхлых отложениях формируются механические ореолы рассеяния, в которых минеральные компоненты руд присутствуют в виде устойчивых в зоне гипергенеза первичных и вторичных минералов. Как установили геоморфологи (С.С.Воскресенский, Ю.Г.Симонов и др.), в переносе твердого материала на склонах большую роль играет медленное самопроизвольное движение рыхлых масс по типу дефлюкции (сползания, вязкое или пластичное течение), солифлюкции (течение переувлажненной массы на мерзлом основании), крипа (перемещение при совместном действии силы тяжести и других факторов). Вопрос о способах образования механических ореолов на склонах приобрел большое практическое значение.

Эоловые процессы. В механической миграции особую роль играют эоловые процессы. По А.П.Лисицину, перенос вещества в атмосфере может быть трех видов: стратосферный (на высотах 15-60 км частицы могут многократно огибать земной шар), тропосферный (на высотах до 8-12 км частицы могут мигрировать на сотни и тысячи км), локальный (миграция на десятки и сотни км). Песок, пыль, соли поступают в атмосферу преимущественно за счет развевания слабозакрепленных песков, глинистых и лессовых пород, солончаков. Часть солей поступает с акваторий соляных озер и морей.

Существует гипотеза об эоловом образовании лессов, покровных суглинков, песков пустынь. С эоловыми процессами связана аккумуляция не только песчаного материала, но и солевого и глинистого. С другой стороны, считают, что ветры «выдули» грандиозные впадины пустынь. Геохимическое значение эоловых процессов в аридных ландшафтах детально изучил Н.Ф.Глазовский. Эоловые процессы протекали во всех геологические периоды.

При вулканических извержениях в атмосферу поступают многие кубические километры пепла, состоящего из частиц лавы. Так, в 1883 г. при извержении вулкана Кракатау в Зондском проливе в атмосферу было выброшено около 18 км³ рыхлого материала. Облако пепла поднялось в стратосферу, пыль и пепел распределились по площади 82 700 км², мельчайшая пыль достигла Европы. В прошлые геологические эпохи подобные явления были еще грандиознее, запыление атмосферы, вероятно, оказывало большое влияние на климат, а через него и на биогенную миграцию (похолодание и др.).

При ударе метеоритов о земную поверхность и образовании астроблем происходит запыление атмосферы метеоритным веществом. С этим связзывают глобальные аномалии платиноидов в отложениях на границе мела и палеогена и другие явления.

Механическая денудация. Она характеризуется двумя показателями. Сток – расход взвешенных частиц, проходящих через створ реки в год (тхгод или чаще 10⁶тхгод^-1). Модуль стока – сток взвешенных наносов, отнесенных к площади континента, региона или речного бассейна. Он измеряется в тхкм²год (тхкм^-2хгод^-1).

Глобальная механическая денудация по различным оценкам изменяется в широких пределах. Реки ежегодно поставляют в океан в среднем около 15-16 млрд.т наносов и 3,2-3,5 млрд.т растворенных веществ. Воздушная миграция и вулканическая деятельность обеспечивают поступление соответственно 2,3-6,6 и 2-3 млрд.т твердых частиц. Около 2 млрд. т дает биогенное осадкообразование. Таким образом, суммарный приток твердого вещества в океан составляет 20-25 млрд. т в год.

Интенсивность механической миграции(денудации) связана с зональностью, она зависит также от геологического строения и рельефа. Основная масса материала (около 76 %) поступает в океан из гумидных экваториальных ландшафтов. Умеренные гумидные зоны дают около 12 %, а ледовые и аридные ландшафты – по 6 %.

По континентам сток взвешенных наносов уменьшается в ряде Азия – Океания, Австралия – Ю.Америка – С. и Ц.Америка – Африка – Европа. Основные резервуары – Тихий и Атлантический океаны, где фиксируется соответственно 45,3 и 37,1 % общей массы терригенного материала. Максимальное накопление наблюдается в прибрежной зоне, особенно на устьевых взморьях рек.

Механическая миграция в речных бассейнах. Эта миграция определяется физико-географическими факторами стокообразования (ландшафтная структура, рельеф, состав коренных пород и рыхлых отложений, размер водосбора и степень хозяйственного освоения территории). Влияние этих факторов меняется в различных ландшафтных зонах. Среди крупнейших рек по величине стока твердых наносов выделяются Ганг и Брахмапутра (1226х106тхкм^-2год^-1), Хуанхэ (1000) и Амазонка (900). Резко преобладая над всеми реками по объему водного стока (6300 км²), Амазонка значительно уступает многим горным рекам (Хуанхэ, Магдалене, Иравади, Гангу, Брахмапутре, Меконгу) по величине модулей стока.

Ландшафтно-геохимические барьеры. Начало разработке вопроса о геохимических барьерах было положено А.И.Перельманом (1961). Геохимические барьеры – это те части ландшафтно-геохимических систем, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов, и как результат, их накопление (концентрация).

Выделяют макро-, мезо- и микробарьеры. К макробарьерам относятся, например, дельты рек – зоны смешения пресных речных и соленых морских вод, ширина таких барьеров может достигать сотен и тысяч метров (но это небольшая величина по сравнению с протяженностью реки и акваторией моря).

К мезобарьерам относятся краевые зоны болот, водоносные горизонты артезианских бассейнов. В результате здесь накапливаются многие элементы выщелоченные из почв водоразделов и склонов. Ширина таких барьеров может достигать десятки и сотни метров.

Микробарьеры встречаются гораздо чаще, в том числе в почвах. По сути, накопление в почвенных горизонтах таких новообразований как ортштейны, различные коры (солевые, латеритные) – результат изменения интенсивности миграционных потоков в почвенном профиле. Причина уменьшения скорости – изменение условий. Ширина таких барьеров может составлять от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.

Явление, которое ныне именуется геохимическим барьером, привлекало внимание исследователей и ранее, в частности при изучении условий образования минералов и руд, при трактовке процессов осаждения элементов из вод. Главная особенность барьера – резкое изменение условий и концентрация элементов. Это зона, где одна геохимическая обстановка сменяется другой. Между понятием «геохимический барьер» и «геохимическая обстановка», следовательно, имеется глубокая связь: уменьшение пространства, занимаемого обстановкой, приводит к переходу количества в качество, превращение обстановки в барьер (и наоборот).

В основу классификации геохимических барьеров положены различия в миграции. Выделяют два основных типа барьеров – природные и техногенные. В свою очередь, и в тех и в других выделяют по 3 класса: механические, физико-химические и биогеохимические.

Механические барьеры – это участки резкого уменьшения механической миграции. К ним приурочены различные продукты механической дифференциации осадков. Это наиболее простые геохимические барьеры. Биогеохимические барьеры обязаны уменьшению интенсивности биогенной миграции. Угольные залежи, торф, концентрация элементов в телах организмов и т.д. – следствие таких процессов. Физико-химические барьеры возникают в местах смены физических и химических условий миграции элементов. Это участки земной поверхности, где резко меняются температура, давление, окислительно-восстановительные, щелочно-кислотные и другие условия. Физико-химические барьеры классифицируются на виды по накоплению химических элементов. Последнее определяется во многом тем, в какой среде проходят миграционные процессы. Различают следующие виды барьеров окислительный (кислородный), восстановительный глеевый, восстановительный сероводородный, щелочной, нейтральный, кислый, испарительный, сорбционный, сульфатный.

Окислительные (кислородные) барьеры. Их образование связано с изменениями окислительно-восстановительных условий в ландшафте. Резкая смена восстановительных условий на окислительные, смена резко восстановительных на слабо восстановительные, слабо окислительных на сильно окислительные. Например, грунтовые воды, обогащенные железом и марганцем, в виде бикарбонатов или органических комплексов вблизи поверхности почв, на окраинах болот, в озерах образуют железо-марганцевые конкреции, болотные и озерные руды, залежи самородной серы.

Восстановительные сероводородные (сульфидные) барьеры формируются в тех ландшафтах, где создаются условия для образования сероводорода. (Кислые или глеевые воды контактируют с сероводородной средой: рН>7, Еh<0). Вступая в химическую реакцию с металлами сероводород образует сульфиды металлов (железа, свинца, меди, цинка), выпадающие в осадок.

Восстановительные глеевые барьеры образуются в тех условиях, где кислые воды встречаются с восстановительной средой. Эти барьеры накапливают выпадающие в осадок трудно растворимые соединения ванадия, селена, меди, урана, кобальта.

Щелочные барьеры образуются в почвенных горизонтах (на границе), где наблюдается скачок рН и смена кислой и или слабо кислой среды на щелочную. Например, на контакте силикатных и карбонатных пород. Образуются горизонты, обогащенные кальцием, магнием, марганцем, барием, стронцием, ванадием, цинком, медью, кобальтом, свинцом, кадмием.

Кислые барьеры формируются в зонах ландшафта при резкой смене условий рН (щелочной или нейтральной) в более кислую сторону. На кислых барьерах задерживается миграция и осаждается мышьяк, молибден, селен, кремний, соединения, которых в кислой среде слаборастворимы.

Нейтральный (или кальциевый) барьер образуется при наличии карбонатных пород или жестких вод, насыщенных ионами СО₃^2-. На барьере приостанавливается миграция кальция, железа, бария, стронция.

Сульфатные барьеры характерны для вод, обогащенных сульфатными ионами. Здесь концентрируются барий, стронций, кальций.

Испарительные барьеры проявляются в аридных условиях. Вода с растворенными в ней элементами передвигается вверх, и по мере перехода в парообразное состояние происходит выпадение элементов из раствора с образованием хлоридных, сульфатных и карбонатных солей. Этот барьер прекращает миграцию всех растворимых в воде веществ. Есть две разновидности испарительных барьеров: а) верхние – на поверхности почвы; и б) нижние – на уровне грунтовых вод. Здесь наблюдается образование засоленных почв и накопление кальция, магния, калия, натрия, фтора, серы, стронция, хлора, свинца, цинка, ванадия, никеля, молибдена.

Сорбционные барьеры характерны для тех ландшафтов, в которых много коллоидных частиц (гумуса, глины). В основе сорбционного поглощения лежит поглотительная способность почвы. Этот барьер может осаждать практически все элементы, встречающиеся в растворе в ионной форме.

В природе наблюдается приуроченность основных геохимических барьеров к определенным почвам и породам. А.И.Перельман дает следующие примеры распространенности геохимических барьеров. Сернокислые барьеры – рудные тела сульфидных месторождений; кислые барьеры – дерново-подзолистые, красноземные, серые лесные, бурые лесные почвы, солоди; нейтрально-карбонатные барьеры – черноземы, каштановые, сероземные почвы, рендзины; хлоридно-сульфатные барьеры – верхние горизонты некоторых солончаков; содовые барьеры – солонцы; бескарбонатные глеевые барьеры – луговые и болотные почвы северных степей, лесной и тундровой зон; соленосный глеевый – гипсовые горизонты луговых почв; содовый глеевый – содовые луговые солонцы; содовый сероводородный – солонцеватые солонцы; соленосно-сульфидный – нижние горизонты солончаков.

В зависимости от направления потоков миграции химических элементов в ландшафте, на пути которых возникают геохимические барьеры, последние делятся на две группы – радиальные (вертикальные) и латеральные. Радиальные барьеры формируются при вертикальном (снизу вверх или сверху вниз) миграции растворов. Во многом благодаря существованию этих барьеров наблюдается дифференциация химических элементов в почвенном профиле. Латеральные барьеры возникают при движении вод в субгоризонтальном направлении. Например, на границах фаций, в краевых зонах болот и т.д.

В земной коре происходит совмещение и комплексирование различных геохимических процессов в связи, с чем выделяют комплексные барьеры, образующиеся в результате наложения двух или нескольких взаимосвязанных химических процессов. Выделяются также двусторонние барьеры, которые формируются при движении различных элементов к барьеру с разных сторон. На двустороннем барьере происходит осаждение разнородной ассоциации химических элементов.

В зависимости от способа переноса различают диффузные и инфильтрационные барьеры. В.С.Голубев разработал понятие о подвижном геохимическом барьере – барьер перемещается медленнее фильтрации вод. При таком механизме перед барьером в водах повышается содержание химических элементов.

По форме геохимические барьеры разделяются на линейные и площадные. Линейные барьеры характерны для границ раздела различных элементарных геосистем. Примером линейного барьера является, например, граница болота и незаболоченной территории, на которой в почвах, водах и рыхлых отражениях резко изменяются окислительно-восстановительные условия, в пограничной полосе идет накопление болотных железо-марганцевых руд и ряда элементов группы железа. Площадные барьеры могут субгоризонтально простираться на большие расстояния.

Техногенные барьеры также разделяются на три класса – механические, физико-химические и биогеохимические. Более сложные процессы образования геохимических барьеров обычно включают в себя менее сложные. Например, в образовании техногенных барьеров могут участвовать механические, физико-химические и биогенные процессы, но сущность данных барьеров не может быть понята (раскрыта) без учета особенностей социальной формы движения, техногенной миграции. Главное внимание исследователей до сих пор привлекали физико-химические барьеры (природные и техногенные).

Для характеристики геохимических барьеров применяют ряд показателей: градиент и контрастность барьера. Градиент барьера характеризует изменение геохимических показателей в направлении миграции химических элементов.

G=d_m/d_l или G=m₁-m₂/l

где m₁ – значение геохимического показателя до барьера, m₂ - его значение после барьера, l – ширина барьера.

Контрастность барьера (S) характеризуется отношением величины геохимических показателей в направлении миграции до и после барьера.

S=Cx₁/Cx₂=m₁/m₂

Интенсивность накопления элемента, например, при рудообразовании, увеличивается с ростом контрастности и градиента барьера.

Природа и положение в пространстве геохимических барьеров обусловлены исходной неоднородностью условий миграции, связанной с литологическим и гранулометрическим составом пород, а также с различиями биоклиматических условий. По мере накопления на геохимических барьерах определенных веществ природа барьера изменяется, разрушаются некоторые исходные барьеры, возникают новые комплексные. Так, в зонах обогащения изменяется с течением времени не только сорбционные свойства геохимических барьеров, но часто вследствие цементации горизонтов карбонатами, гидроксидами, кольматации коллоидами и суспензиями ухудшается водопроницаемость, а соответственно аэрация, создаются условия для развития глеевого процесса, формируется новообразованный восстановительный глеевый барьер. Особенно сильно трансформируется, а часто и полностью разрушаются геохимические барьеры под воздействием миграционных потоков техногенных веществ. Так, кислые сточные воды могут целиком уничтожить карбонатный барьер в почвах или толще рыхлый отложений. И наоборот, в результате привнесения в ландшафт некоторых веществ, например, извести в кислые почвы, в их верхних горизонтах при обильном и повторном внесении извести вновь образуется площадной карбонатный барьер. Для ограничения токсичного действия некоторых техногенных потоков проектируется (в единичных случаях и осуществлено) создание искусственных геохимических барьеров. В Молдове, например, осуществлен эксперимент по созданию известкового барьера на пути стекания обогащенных медью. Поверхностных снеговых вод с виноградников, обрабатываемых бордоской жидкостью (раствором медного купороса).

На геохимических барьерах образуются рудные тела большинства месторождений полезных ископаемых, и само понятие геохимических барьеров оказалось очень полезным для разработки методики поисков полезных ископаемых. Изучение барьеров важно и в борьбе с загрязнением окружающей среды.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: