Геохимические барьеры.

Миграция веществ осуществляется в миграционных потоках: гравитационных (под влиянием силы тяжести), эоловых, водных, биологических, биогенных (перемещение организмов по территории), антропогенных. Преобладающую роль в геохимической дифференциации территории играют водные потоки.

Миграция веществ с водой осуществляется во взвешенном, истинно растворимом и коллоидном состоянии. Характер и интенсивность этого процесса зависят от свойств самих веществ, а также условий, влияющих на накопление и передвижение воды, химического, минералогического и гранулометрического состава почвенно-грунтовой толщи, свойств и режимов почв. Из-за разнообразия земной поверхности эти условия на пути природных потоков очень изменчивы, в результате возникают участки, где изменение условий миграции приводит к уменьшению подвижности веществ и их накоплению. Такие участки, зоны гипергенеза, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции, приводящее к концентрации химических элементов, названы А.И.Перельманом геохимическими барьерами. Он выделяет три типа геохимических барьеров: биогеохимические, физико-химические и механические,(сейчас выделяют еще техногенные).

I. Биогеохимические барьеры являются участками биогенной аккумуляции элементов, необходимых для организмов (О, С, Н, Са, К, N, Si, Mg, Р, S, Na, CI, Fe, Ba, Sr, Mn, В, F, идр). Примерами таких барьеров могут служить растительный покров суши, гумусовые горизонты почв, колонии микроорганизмов, осуществляющие процессы преобразования соединений ряда элементов и, как следствие, их концентрацию (серобактерии, железобактерии и др.).

II. Физико-химические барьеры делят на следующие классы:

1) окислительные (возникают на участках смены восстановительных условий окислительными или менее окислительных более окислительными),:

а) железистый или железисто-марганцевый барьер возникает на контакте глеевых вод с кислородными водами или воздухом,

б) марганцевый барьер возникает преимущественно в легкопроницаемых породах (песчаные, гравелистые образования идр.), а также в болотных почвах степных и пустынных зон в условиях миграции слабощелочных (лишенных Fe) вод,

в) серный барьер возникает в результате окисления сероводорода подземных или почвенно-грунтовых вод;

2) восстановительные:

а)Сульфидный (сероводородный) барьер возникает в почвах и водоносных горизонтах, когда воды, характеризующиеся окислительными или глеевыми условиями, встречают на пути своего движения сероводород,

б)Глеевые барьеры возникают на участках резкой смены окислительной обстановки глеевой или же на контакте слабоглеевой и резкоглеевой среды.

3) сульфатный и карбонатный, возникают в местах встречи сульфатных и карбонатных вод с водами другого типа, содержащими значительные количества Са, Sr и Ва.

4) щелочной, возникает на участках резкого повышения рН, в частности в местах смены кислых вод нейтральными или щелочными (или при смене сильнокислой среды слабокислой).

5) кислый, чаще и резче выражен в местах резкого понижения рН, в частности, при смене нейтральной и щелочной реакции на кислую, может возникнуть и в кислом и щелочном интервале на участках сдвига рН в более кислую сторону

6) испарительный, возникает на участках сильного испарения подземных и почвенно-грунтовых вод, из которых осаждаются растворенные соли

7) адсорбционный, возникают на контакте пород и почв, богатых адсорбентами, с подземными водами, в растворе которых присутствуют различные ионы.

8) термодинамический, возникают на участках резкого изменения температуры или давления, с которыми тесно связан газовый режим под.

III. Механические барьеры образуются на участках изменения скорости движения вод (или воздуха). С ними может быть связана концентрация многих элементов (F, Ti, Zn, Cr, Ne, Th, Та, Sn др.).

Геохимические барьеры сменяют друг друга в пространстве, что обусловливает сложную, многообразную картину распределения ландшафтно-гсохимических полей со свойственными им геохимическими ассоциациями элементов. Понимание этих связей необходимо для прогнозирования техногенного геохимического воздействия на ландшафты и его регулирования. Для этого создаются карты миграции загрязнителей, карты районирования территорий по тенденции их аккумуляции и возможной интенсивности деструкции.

Физико-химическая миграция

Простейшая форма физико-химической миграции - диффузия - это процесс самопроизвольного и необратимого переноса вещества из одной части системы в другую, что возникает вследствие теплового движения частиц. Диффузия протекает как в индивидуальном веществе, так и в смеси; и при любом агрегатном состоянии. Диффузия в горных породах обычно сопровождается взаимодействием вещества со средой. Из-за хаотического движения частиц диффузия переносит их из одного местоположения в другое. В системе, состоящей из 2-х и более веществ, образуются диффузионные потоки, стремящиеся выровнять концентрации и прийти к термодинамическому равновесию.

Диффузия в горных породах протекает в более сложной обстановке. Все они содержат поры различных размеров и формы. Породы являются гетерогенными системами, вмещающими растворы и/или газы, которые с ней взаимодействуют. В природе вещества обычно диффузируют через серию неодинаковых пластов с различным коэффициентом диффузии. При этом на ее прохождение могут повлиять пористость среды, ее структура, влажность пород и их слоистость.

Смежный диффузии процесс - конвекция - миграция массовых потоков газа или жидкости, перемещение частиц происходит вместе с растворителем. Конвекция характерна как для верхней мантии, так и для земной коры. Конвекция в пористой среде называется фильтрацией, которая протекает значительно быстрей диффузии и особенно характерна для верхней части земной коры - зоны активного водообмена, хотя может развиваться и в земных глубинах. Фильтрация энергичнее в складчатых поясах и слабее на платформах и щитах.

Другая форма миграции - сорбция. При этом процессе происходит поглощение газов или жидкостей твердыми или жидкими веществами из окружающего пространства поверхностью (адсорбция) или всем объемом (абсорбция) тела. Поглощающие вещества называются адсорбентами (абсорбентами), а поглощаемые адсорбатами (абсорбатами).

Адсорбция происходит на границе раздела фаз вследствие действия на частицы силы притяжения бoльшей, чем действующие равномерно со всех сторон силы притяжения частиц друг другом. Адсорбция протекает интенсивнее, чем больше площадь раздела фаз или развита поверхность тела.

Адсорбция в свою очередь подразделяется на физическую, когда происходит занятие адсорбатом поверхности адсорбента, и химическую, когда адсорбент и адсорбат вступают между собой в химическую реакцию.

Развитию физической адсорбции неизменно препятствует десорбция, процесс обратный адсорбции, из-за стремления к тепловому равновесию и при этом число адсорбирующих и десорбирующих частиц в единицу времени образуется одинаковое количество.

При помещении адсорбента в раствор электролита происходит самопроизвольный ионный обмен между адсорбентом и раствором, который может быть как с ионами на поверхности, так и с ионами в объеме в результате диссоциации молекул адсорбента.

Ионный обмен обычно сопровождается побочным процессом проникновения и растворителя и растворенного вещества в поры горной породы.

Химическая адсорбция протекает с образованием связей, определяемых структурой адсорбента. Существует химическая адсорбция газов на металлах, угле, оксидах металлов, при гетерогенном катализе.

Физическая адсорбция при возрастании температуры способна преобразоваться в химическую. При химической адсорбции выделяется значительное количество тепловой энергии.

Гетерогенный процесс происходит, когда реагирующие вещества находятся в разных фазах, следовательно, реакция возможна только на границе их раздела. В силу этого появляются осложняющие факторы, связанные с транспортировкой веществ в зону реакции. В природе гетерогенные реакции происходят главным образом между мигрирующим веществом и вмещающей породой.

Любые гетерогенные реакции включают следующие стадии своего протекания:

1. Подвод вещества к поверхности породы;

2. Акт химического взаимодействия;

3. Отвод образующихся в результате реакции веществ в объеме раствора

Скорость гетерогенного процесса на разных стадиях может существенно отличаться.

Изоморфизм - способность химических элементов, атомов, ионов, блоков кристаллической решетки замещать друг друга в минералах, при этом решающую роль играют размеры ионов и атомов. Изоморфные замещения возможны, когда радиусы ионов и атомов различаются не более чем на 15 % от размера меньшего радиуса. При температурах, близких к точке плавления минералов, эта величина достигает 30 %, т.е. изоморфная совместимость возрастает. В алюмосиликатах возможно повышение показателя до 60 % и выше. Для изоморфизма, кроме близости ионных и атомных радиусов, необходимы химическая индифферентность и схожесть природы межатомной связи. Ион меньшего размера легче замещает большего размера, ионы с более высоким зарядом предпочтительнее замещают ионы с более низким зарядом, т.к. этот процесс сопровождается выделением большего количества энергии и повышает энергию решетки.

Абиогенный ландшафт, с физико-химической и механической миграцией.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: