5

18. Геохимические барьеры

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=С_а/С_ф,

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.

Д ля 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.