3. Миграция элементов

Миграция элемента – это все формы его перемещения, разделения и накопления, в том числе сопровождающиеся изменением химического состава и структуры веществ, содержащих данный элемент.

Миграция происходит под действием различных процессов. Это вулканическая деятельность и другие процессы, вызванные мантийной конвекцией; процессы гипергенеза, т.е. преобразования горных пород на поверхности Земли (к которым относится, в частности, физическое, химическое и биологическое выветривание); процессы литогенеза, т.е. образования осадочных пород (в том числе в результате химического осаждения растворенных в воде веществ или деятельности организмов); механическое перемещения веществ с потоками воды и воздуха; обмен веществом с космическим пространством (поступление с метеоритами, потери из атмосферы) и другие.

Биосфера принимает участие во многих из выше перечисленных процессов. Перераспределение элементов также происходит под влиянием промышленности, сельского хозяйства, строительства. В связи с этим говорят о техногенезе – совокупности геохимических и геофизических процессов, связанных с деятельностью человека и включающих: извлечение химических элементов из природных сред и их концентрирование; перегруппировку химических элементов, изменение химического состава соединений, содержащих эти элементы, создание новых химических веществ; рассеивание вовлеченных в техногенез элементов в окружающей среде.

Например, использование железа начинается с добычи железной руды (содержание Fe до 70%). Затем проводится обогащение руды (концентрирование железа), выплавка металла (чугуна, стали и пр., содержание Fe более 90%) и отливка из него изделий. Ежегодные потери Fe за счет коррозии ранее выпущенных изделий (приводящие к рассеянию элемента) составляют 30% годовой выплавки металла.

Среднее содержание элемента в земной коре в данном регионе формирует геохимический фон этого региона. Участки с повышенным содержанием элемента по сравнению со среднерегиональным называют геохимическими аномалиями. Часто они связаны с залежами руд, окруженными ореолами рассеяния главных рудообразующих элементов и элементов-спутников. Состав пород влияет на состав грунтовых вод, почв, организмов. Дефицит или избыток элементов в среде приводит к заболеваниям растений, животных, человека. Такие болезни названы биогеохимическими эндемиями, а районы их распространения – (био)геохимическими провинциями.

Например, около 60% территории России характеризуются недостатком йода, 40% – недостатком селена, вокруг многих промышленных предприятий расположены техногенные аномалии с повышенным содержанием тяжелых металлов. Эндемический зоб, вызванный недостатком йода в организме, ранее встречался в горах Средней Азии, на Кавказе, в Карпатах, в Швейцарии, Пиренеях, Гималаях и других горных районах. Это заболевание связано с удаленностью провинций от моря, откуда йод поступает в атмосферу и переносится в прибрежные районы. Однако атмосферные осадки – не единственный источник йода. Подземные воды, богатые этим элементом, являются основным источником его промышленной добычи в настоящее время; йод также добывали из морских водорослей (1 тонна морской воды содержит до 30 мг йода, 1 тонна высушенной ламинарии – до 5 кг). Дефицит йода наблюдается и в равнинных ландшафтах влажного климата, где сильное промывание почв приводит к выносу йода.

Ленинградская область – природная биогеохимическая провинция с пониженным содержанием фтора. Однако в ней есть техногенные геохимические аномалии по фтору вокруг Волховского алюминиевого завода (побочным выбросом которого является фтор и другие микроэлементы). Санкт-Петербург также является техногенной биогеохимической провинцией с повышенным содержанием многих токсичных металлов – Pb, Hg и др.

В настоящее время техногенные потоки некоторых элементов становятся сопоставимыми с их природными потоками. Для выяснения масштабов влияния техногенеза на окружающую среду необходимо иметь представление о механизмах перемещения элементов и веществ, а также о глобальных биогеохимических циклах (включающих перемещение, физическое и химическое превращение веществ).

Миграция элементов происходит под влиянием различных факторов. А. Е. Ферсман предложил различать внутренние и внешние факторы миграции. К внутренним факторам он относил свойства химических элементов – их способность давать летучие или растворимые соединения, осаждаться из растворов или расплавов, сорбироваться и другие. К внешним факторам относятся параметры обстановки миграции – температура, давление, водородный показатель (рН), окислительно-восстановительный потенциал (Еh) растворов или расплавов и т.д..

Выделяют несколько типов миграции.

1. Механическая миграция (механогенез) происходит под действием работы рек, течений, ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и других подобных факторов (сползание грунта по склону – тоже вид механической миграции). Характерное явление при механогенезе – раздробление горных пород и минералов; при этом изменяются их физико-химические свойства: повышается степень дисперсности, растворимости, сорбции. Некоторые минералы при диспергировании разлагаются, например, сульфиды частично распадаются на металл и серу, гидратные минералы выделяют воду. Механическая миграция почти всегда сопровождается физико-химическими, а часто и биогеохимическими процессами.

Интенсивность механической миграции зависит от абразивной прочности минералов (способности к истиранию), климата, геологического строения местности и рельефа. Перенос взвешенных частиц (песчинок) на большие расстояния осуществляется реками, океанскими течениями и ветрами.

Частицы разносятся ветрами на огромные расстояния. Во время песчаных бурь в Сахаре песок достигал Южной Америки и Европы. Частицы пыли, заброшенные в стратосферу (например, в результате извержения вулкана) могут многократно обогнуть Землю.

2. Физико-химическая миграция включает в себя процессы растворения, диффузии (в воде, воздухе), конвекции, фильтрации (в горных породах, почве), сорбции (адсорбции, абсорбции, ионного обмена). При этом происходит перемещение небольших (по сравнению с механической миграцией) объектов – ионов, молекул, коллоидных частиц (мицелл). Многие металлы мигрируют в составе растворенных или взвешенных комплексов с природными органическими веществами. Физико-химическая миграция может сопровождаться химическими превращениями элементов, например, окислительно-восстановительными реакциями.

3. Биогенная миграция представляет собой захват и удерживание элементов живыми организмами. В качестве примера можно привести наземные растения, которые выполняют роль своеобразных насосов, «перекачивающих» элементы из нижних горизонтов почвы в верхние. Корневая система собирает вещества из большого объема грунта и транспортирует их в надземные части дерева. После их отмирания накопленные элементы сохраняются в составе разложившихся растительных остатков и оттуда поступают в верхние слои почвы, повышая ее плодородие. Однако на этот процесс накладывается физико-химическая миграция элементов с дождевой водой сверху вниз.

Помимо необходимых для них элементов растения одновременно могут накапливать и вредные элементы, например, тяжелые металлы (до 1% от сухой биомассы побегов). Методики фиторемедиации почв включают в себя выращивание на загрязненной почве специально подобранных видов растений с последующим удалением и утилизацией обогащенной металлами надземной биомассы.

В некоторых районах поступление элементов обеспечивается путем биогенной миграции с участием животных. Например, тихоокеанские лососевые рыбы, нагулявшие вес в океане, возвращаются в реки (на Камчатке, на Аляске и в Канаде) на нерест, после которого погибают. Биогенные элементы (углерод, азот, фосфор, микроэлементы), накопленные в тушке лосося, поступают в экосистему реки и питают прибрежную растительность, мальков лосося, а также десятки видов птиц и млекопитающих, которые разносят биогенные элементы от берегов реки.

4. Техногенная миграция связана с хозяйственной деятельностью человека. Ее процессы делят на две группы. К первой группе относят процессы, унаследованные от биосферы (хотя и с некоторыми изменениями). Это круговорот воды, биологические круговороты, рассеяние элементов при отработке полезных ископаемых, распыление вещества и другие процессы. При изучении таких явлений можно использовать ранее полученные наработки для природных процессов. Ко второй группе относят процессы, чуждые биосфере. Это изготовление веществ, в биосфере не встречающихся – например, металлов (железа, никеля, хрома, которые в природе существуют в виде солей, оксидов, гидроксидов), искусственных полимеров (пластмасс), радиоактивных изотопов. В этом случае ранее полученных знаний недостаточно, и требуются новые подходы к изучению миграции таких компонентов.

В распределения элементов на Земле важная роль принадлежит геохимическим барьерам, учение о которых начал разрабатывать около 50 лет назад А.И. Перельман. Геохимические барьеры – это участки земной коры и связанных с ними геосфер, где на коротких расстояниях происходит резкое уменьшение интенсивности миграции элементов и, как результат, их накопление. В зависимости от масштабов выделяют глобальные, региональные, локальные барьеры. По происхождению выделяют два типа барьеров – природные и техногенные, в каждом типе выделяют по три класса: механические, физико-химические, биогеохимические (биологические) барьеры, на которых происходит замедление миграции соответствующего типа. Техногенные барьеры в некоторых случаях создают целенаправленно, чтобы локализовать загрязнение. Например, один из способов борьбы с эвтрофикацией водоемов – это высаживание лесополосы вдоль берега. Корни деревьев улавливают биогенные вещества из почвенных вод, направляющихся в сторону водоема.