Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
лекции_нов.doc
Скачиваний:
2
Добавлен:
01.03.2025
Размер:
8.85 Mб
Скачать

1.5. Факторы миграции химических элементов в биосфере

Геохимическая миграция - перемещение атомов химических элементов в земной коре, обычно ведущее к их рассеянию или концентрации.

Выделяются 5 основных видов миграции химических элементов в зависимости от формы движения мате­рии [ 4]:

  1. Механическая миграции.

  2. Физическая миграция.

  3. Химическая миграции.

  4. Биологическая.

  5. Социальная (техногенная) миграция.

Наиболее простым для описания видом миграции химических элементов является механическая миграция, подчиняющаяся законам классической механики и приводящая к образованию россыпей, ветровой и водной эрозии, осыпям и т.д. Закономерности процесса механической миграции определяются преимущественно величиной частиц минералов и пород, их плотно­стью, скоростью движения вод, ветра. Химические свойства элементов обычно не имеют значения, и такие различные элементы, как К, Si, Аl, входя в состав пере­носимой ветром и потоком воды песчинки минерала ортоклаза K[AlSi3O8], мигрируют с одинаковой скоростью.

Таким образом, при механической миграции главным фактором являются гравитационные свойства атомов и ионов, определяющие особенности их миграции в гравитационном поле Земли.

Гравитационный фактор, в частности, проявляется в накоплении частиц тяжелых минералов в определенных участках речных или морских отложений с образованием так называемых россыпей. Чаще всего в россыпях накапливаются устойчивые к воздействию агентов выветривания минералы c высокой плотностью:

  • магнетит Fе3O4 - плотность 4,8 – 5,3 г/см3;

  • ильменит FeТiO3 – плотность 4,7 г/см3;

  • рутил ТiO2 – плотность 4,2 – 4,3 г/см3;

  • циркон ZrSiO4 – плотность 4,6 – 4,7 г/см3;

  • монацит (Сe, La,Pr, Nd, Th, Y)PO4 – плотность 4,6 – 5,7 г/см3.

Сложнее для описания закономерности процессов миграции, которые определяются законами физики и химии (диффузия, растворение, осаждение, сорбция, десорбция, испарение, химическим взаимодействие и т.д.). Это процессы физи­ко-химической миграции.

При описании процессов физико-химической миграции разли­чают внутренние факторы миграции, определяемые физическими и химическими свойствами атомов химических элементов, и внешние факторы, включающие термодинамическую и химическую обстановку среды миграции 2.

К числу внутренних факторов миграции относятся:

  • термические свойства (свойства связи) атомов;

  • химические свойства атомов.

Термические свойства атомов определяют плавкость и летучесть элементов и их соединений в геологических процессах. В температурных условиях поверхности земной коры этот фактор не имеет сколько-нибудь существенного значения.

Кроме того, повышение температуры уменьшает растворимость в ней кислорода и углекислого газа. Снижение содержания кислорода понижает окислительный потенциал водного раствора, а уменьшение растворимости СО2 сопровождается увеличением рН.

Однако его необходимо учитывать при оценке мигра­ционных особенностей таких легколетучих элементов, как иод, ртуть, газо­образные элементы, и соединений, подобных воде, которые в условиях поверх­ности земной коры присутствуют в твердом, жидком и парообразном состоянии.

Характерной особенностью легколетучих элементов и соединений в зоне гипергенеза является их способность к миграции не только в водных растворах гидросферы, но и в воздухе.

Химические свойства элементов играют ведущую роль при их миграции в зоне гипергенеза. В зоне гипергенеза миграция химических элементов главным образом осуще­ствляется в относительно разбавленных водных растворах при сравнительно низкой температуре (0 - 25° С) и постоянном давлении, равном на поверхности земной коры 106 Па.

Вследствие этого, основными свойствами, обеспечивающими миграцию элементов в водной среде, является растворимость их соединений и способность к обменным реакциям с другими ком­понентами водного раствора. Особый интерес в данном случае представляют реакции, продуктами которых являются труднорастворимые соединения, лимитирующие наиболее активный этап водной миграции химических элементов.

К числу внешних факторов миграции относятся химические условия среды миграции и ее температура.

Химические условия миграционной среды определяются кислотно-основными условиями (показатель рН) и окислительно-восстановительной обстановкой (показатель Еh).

Колебания величины рН поверхностных водных растворов обычно огра­ничиваются в пределах от 3 до 9. Дождевые и речные воды, как правило, имеют нейтральную или близкую к ней среду (рН  7). Наибольшей щелочностью в зоне гипергенеза характеризуются обогащенные сильными основаниями воды некоторых щелочных типов почв. Максимальная кислотность (рН = 5 - 3) свойственна водам торфяников, обогащенным органическими кислотами, и особенно природным водам, омывающим окисляющиеся сульфидные и угольные месторождения.

Кислые и слабокислые природные воды с рН < 6 наиболее благоприятны для миграции большинства металлов в ионной форме. В обычных незагрязненных природных водах, имеющих нейтральную реакцию, содержания металлов в ионной форме ничтожны. Вместе с тем, способность многих (особенно переходных металлов) образовывать комплексные ионы обеспечивает их миграцию в водной среде в нейтральной и щелочной обстановке.

Величина окислительно-восстановительного потенциала Eh является важной геохимической константой любого природного раствора, определяющей его способность к окислению или восста­новлению ионов. В растворах зоны гипергенеза эта способность обычно зависит от присутствия одного или нескольких компонентов, направляющих ход окислительно-восстановительных реак­ций данного раствора. К числу этих компонентов, называемых потенциалзадающими, в первую очередь относятся свободный кислород, органические соединения, сероводород, ионы трех- и двух­валентного железа и в меньшей степени ионы двух- и четырехвалентного марганца.

В окружающей человека среде многие химические элементы находятся в различной степени окисления. При этом использование большого числа элементов в состоянии чистых металлов или металлоидов резко увеличивает число химических элементов, находящихся на поверхности литосферы в нуле­вой степени окисления. Характерным примером может служить железо, исполь­зуемое человеком преимущественно в качестве металла. В природе металли­ческое железо (нулевая степень окисления элемента) встречается редко, главное значение имеет закисное (двухвалентное) и окисное (трехвалентное) железо. Различная степень окисления в окружающей среде свойственна также марганцу, кобальту, кислороду, азоту и многим другим химическим элементам таблицы Менделеева, имеющим переменную валентность.

Переход элемента из одной степени окисления в другую, в процессе окислительно-восстановительных реакций, сопровождается приобретением (восста­новлением) или отдачей (окислением) электронов. Следует иметь в виду, что большинство химических реакций, проходящих в зоне гипергенеза, со­провождаются передачей электронов и, таким образом, являются окислительно-восстановительными. При этом растворимость соединений химических элементов в зависимости от степени окисления может быть различна.

К примеру, ион железа в высшей степени окисления Fe3+ может мигрировать в растворенном виде лишь в сильно кислой среде, т.к. при рН > 3,2 происходит его осаждение в виде гидроксида железа Fe(OH)3. Ион железа в низшей степени окисления Fe2+ может мигрировать в нейтральной и слабощелочной среде, поскольку осаждение гидроксида Fe(OH)2 начинается при рН>7,2.

Воды зоны гипергенеза, содержащие в растворенном виде свободный кис­лород, обычно характеризуются колебаниями Еh от +0,150 до +0,700 В. В грунтовых водах с глубиной Еh уменьшается от значений, свойственных поверхностным кислородным водам, до тысячных долей вольта на глубине более 100—200 м. Наиболее низкие (ниже нуля) величины Еh свойственны восстановительным водам нефтяных залежей. В богатых органикой морских донных отложениях также отмечались значения Еh = -0,50 В, при которых ион водорода, присутствующий в растворе, способен восстанавливаться до атомарного водорода.

Следует отметить важную роль в процессах физико-химической миграции коллоидной формы и явления сорбции, которые играют ведущую роль в миграции и концентрации железа, алюминия, марганца, а также многих микроэлементов в зоне гипер­генеза.

Следует отметить, что коллоиды обладают способностью сорбировать из водных растворов ионы и молекулы даже в случае их ничтожного содержания, не достигающего произведения растворимости, при котором происходит осаждение этих элементов в виде нерастворимых соединений.

Сорбентами-носителями микроэлементов в поверхностных и грунтовых водах могут быть тонкодисперсные взвеси глинистых минералов, гумусовые органи­ческие коллоиды, гидроокислы железа, алюминия, марганца, кремния и др. Выпадение микроэлемента в осадок на путях водной миграции очень часто не зависит от его произведения растворимости или содержания в растворе, а определяется осаждением сорбента-носителя этого микроэле­мента. Для подавляющего большинства микроэлементов, концентрация кото­рых в водах зоны гипергенеза очень мала и почти никогда не достигает значений, необходимых для выпадения соединений этих элементов из раствора, сорбционное осаждение вместе с сорбентом-носителем является основным путем их удаления из миграционного потока.

Биологическая миграция химических элемен­тов является исключительной особенностью биосферы. Обычно выделяют три главные стадии цикла биогеохимической миграции:

  • разложение горных пород под влиянием биогенных факторов с образованием растворимых соединений ряда элементов;

  • извлечение из воздуха и водных растворов биоген­ных элементов, а также микроэлементов-примесей и накопление их в организме;

  • накопление, разложение и минерализация отмерших органических остатков.

Находясь в непрерывном обмене с атмосферой и гидросферой (а через нее и с литосферой), живые организмы помимо комплекса обычных биогенных элементов О, Н, С, N, Р. Са, Мg накапливают разнообразные микроэлементы, набор которых зависит как от жизненных потребностей организма, так и от геохимических особенностей среды, с которой происходит обмен.

Особую роль с этой точки зрения играют растения, которые развиваются в тесном геохимическом взаимодействии с почвами и подстилающими их породами. Извлекая питающие растворы из почв, растения накапливают определенные микроэлементы и, от­мирая, обогащают ими поверхностные почвенные горизонты. В результате многократного повторения биогенных циклов накопление микроэлементов в верхних горизонтах почв может быть достаточно значительным, что в, ряде случаев позволяет по особенностям их распределения судить о специфике состава подстилающих пород, а также о наличии в них необычно высоких концентраций тех или иных микроэлементов.

Техногенная (социальная) миграция, связанная с общественными процессами в человеческом обществе. К ней относится отработка месторождений полезных ископаемых, нефтепроводы, экспорт и импорт и т.д. Она определяется социальными законо­мерностями, хотя ей присущи и все более простые формы движения.

Значение видов миграции для разных элементов неодинаково. К примеру, для калия К и фосфора Р особен­но большую роль играет биогенная миграция, для натрия Nа и хлора С1 - физико-химическая, а для титана Тi, золота Аu, платины Рt, олова Sn - механическая.

В разных природных ландшафтах соотношение видов миграции также не одинаково [4]. Если в пустынях возрастает роль механической миграции, то во влажных тропи­ках — физико-химической и биогенной. Свинец Pb и вольфрам W в пустынях мигрируют преимущественно механическим путем, во влажных тропиках - в растворах.

Но все же каждый элемент попа­дает и в живые организмы, и в воды, перемещается механическим путем, а многие образуют и газообразные соединения. Поэтому виды миграции не существуют изолированно. Они тесно связаны и взаимообусловлены. Ведущее значение имеет высший, более сложный вид мигра­ции.

Например, в степных и таежных ландшафтах главной является биогенная миграция, хотя здесь протекают и физико-химические и механические процессы. Аналогично геохимические черты городских ландшафтов определяются техногенной миграцией, социальными процес­сами, хотя для городов характерны и все остальные виды миграции.

В целом геохимическая миграция - неразрывный комплекс процессов, приводящих к перераспределению химических элементов в природных телах. Он включает в себя:

  • перевод химических элементов в такое структурное состояние, которое обеспечивает их подвижность в данных внешних условиях;

  • транспортировку элементов в физических и химических градиентных полях природных сил;

  • осаждение и концентрирование химических элементов при взаимодействии с веществом транспортирующего потока или вмещающей его природной системой;

  • перевод осажденных химических элементов в неподвижное для данных внешних условий структурное состояние.

Процесс рассеивания элементов обусловлен их разбавлением или осаждением из транспортирующих потоков. Процесс концентрирования химических элементов происходит на геохимических барьерах.

Вся система от источника поставки химических элементов до геохимического барьера может быть названа миграционным потоком или цепью распространения химических элементов.

Перемещение химических элементов и веществ в биосфере происходит в водно - воздушных миграционных потоках, а также путем биологического поглощения элементов растительностью (транслокация) и далее по цепям питания живых организмов (трофическая цепь распространения).

Интенсивность миграции (масса вещества переносимого потоком в единицу времени) определяется скоростью обмена и перераспределения химических элементов между компонентами природной среды. Она зависит как от свойств мигрирующих элементов (внутренние факторы), так и от физических, физико - химических и биологических свойств природных систем (внешние факторы), обуславливающих то или иное соотношение между скоростями перехода элементов в подвижное (мобильное) состояние, скоростями их транспортировки и осаждения из миграционного потока.

В конечном счете интенсивность миграции зависит от конкретных ландшафтно - геохимических условий, т.е. от сочетания гидрометеорологических, литогеохимических и почвенно - ботанических характеристик конкретной территории.

Количественно интенсивность миграции может быть выражена в виде какого-либо коэффициента, сопоставляющего содержание химических элементов в фиксированном наблюдении (место, момент времени) по отношению к такому же состоянию объекта, принимаемого за базовое [ 8,9 ].

Обычно за базовое состояние принимается исходное, до начала геохимического преобразования, либо аналогичный геохимический объект, не затронутый исследуемым геохимическим процессом.

В этом случае количественно интенсивность миграции оценивается величиной коэффициента концентрации (Кк):

Кк = Сэ ф ,

где Сэ - концентрация химического элемента при фиксированном наблюдении;

Сф - концентрация химического элемента при базовом состоянии объекта.

Коэффициент концентрации, определенный по отношению к геохимическому фону исследуемой территории, называется коэффициентом аномальности. Если коэффициент концентрации определяется по отношению к кларку элемента для соответствующей геосферы, то он носит название кларка концентрации.

Миграционные потоки химических элементов играют основную роль в загрязнении биосферы продуктами техногенеза. В.И.Вернадским было показано, что проблема антропогенного воздействия на окружающую природную среду является проблемой геохимической и биогеохимической миграции химических элементов. В качестве нового для биосферы вида геохимической миграции В.И.Вернадский выделял биогенную миграцию элементов, вызванную человеческой деятельностью. Огромная интенсивность этой миграции позволила сформулировать положение о сопоставимости деятельности человека с геологическими процессами.

А.Е.Ферсман, назвавший промышленное геохимическое воздействие на окружающую среду техногенезом, на примере распределения годовой добычи металлов наглядно показал, что их концентрирование при переработке руд и последующем хозяйственном использовании - временный, промежуточный этап процесса, конечным итогом которого является безвозвратное распыление, рассеивание вещества. А.Е.Ферсман также отмечал, что геохимическая миграция, обусловленная деятельностью человека, превышает по скорости природные процессы геохимической миграции.

Многочисленные исследования, проведенные в последнее время, показывают соизмеримость масс транспортируемого в природе вещества (речной сток и атмосферный аэрозоль) с массами антропогенного происхождения.

Так, при общем природном транспорте вещества речным стоком в 19 109 т/год антропогенный вклад - 2 109 т/год (более 10%). Для атмосферы антропогенный вклад по пыли составляет 5 - 10% от общего ее количества в атмосфере.

Химические элементы, поступающие в биосферу в результате техногенеза, в большинстве своем не включаются в процессы самоочищения. В ходе своей миграции они меняют лишь уровень своего содержания или формы нахождения в том или ином объекте биосферы. Включаясь во все типы миграционных потоков и биологические круговороты, они неизбежно приводят к загрязнению важнейших жизнеобеспечивающих природных сред: воздуха, воды, пищи. Особую опасность представляют миграционные потоки так называемых "тяжелых металлов" (Cu, Zn, Cd, Hg, Pb, Co, Ni и др.). Вследствие очень низких кларков этих элементов в биосфере живые организмы не способны адаптироваться к их высоким концентрациям, поэтому токсичность этих элементов для живых организмов проявляется уже на клеточном уровне, воздействуя на аппарат наследственности