Вид, его критерии и экологическая характеристика

Живое вещество в природе существует в виде отдельных дискретных таксономических единиц — видов (биологических видов).

Биологический вид (вид) — совокупность особей, обладающих общими морфофизиологическими признаками, биохимическим, генетическим (наследственным) сходством, свободно скрещивающихся друг с другом и дающих плодовитое потомство, приспособленных к сходным условиям существования, занимающих в природе определенный ареал (область распространения), т. е. занимающих одну и ту же экологическую нишу.

Виды образованы популяциями и подвидами (последнее характерно не для всех видов). Биологический вид характеризуется следующими критериями:

1) генетическим, т.е. все особи данного вида обладают одинаковым набором хромосом;

2) биохимическим, т. е. для всех особей этого вида характерны одинаковые химические соединения (белки, нуклеиновые кислоты и др.), которые отличаются от аналогичных соединений других видов;

3) морфофизиологическим, т. е. организмы одного вида имеют общие признаки внешнего и внутреннего строения и характеризуются одинаковыми процессами, обеспечивающими их жизнедеятельность;

4) экологическим, т. е. особи данного вида вступают в одинаковые (отличные от других видов) взаимоотношения с природной средой;

5) историческим — особи данного вида имеют одинаковое происхождение и в процессе внутриутробного развития проходят одинаковый цикл этого развития согласно биогенетическому закону;

6) географическим — особи данного вида проживают на определенной территории и приспособлены к существованию на данной территории.

Биохимические законы[править | править вики-текст]

В. И. Вернадский вывел два фундаментальных закона (сам он назвал их «принципами») развития биосферы.

Первый биогеохимический закон — биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к своему максимальному проявлению. Анализ геологических данных показывает, что распространение жизни, живых существ (давление жизни) неуклонно нарастает. Живые организмы способны занимать самые различные экологические ниши, сохраняться в самых неблагоприятных условиях (в горячих и серных источниках, на дне океанов, на ледниках). Это дало основание говорить о «всюдности» жизни (термин Вернадского).

Второй биохимический закон — эволюция видов, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, должна идти в направлении, увеличивающем проявление биогенной миграции атомов в биосфере. Согласно этому закону, в биосфере право на жизнь получают только виды, необходимые самой биосфере для выполнения определённых функций и усиления тем самым биогенной миграции химических элементов.

По законам Вернадского, биосфера на определённой стадии своего развития преобразуется в сферу разума — ноосферу.

16)

17) Механическая миграция, как Вы уже знаете, происходит без изменений химического состава и физического состояния вещества. Процессы механической миграции включают два аспекта:

1. Перемещение масс газообразных (атмосфера, вулканические газы), жидких (наземные и подземные воды, магматические расплавы) и твёрдых (движение ледников, горнопородных масс и грунтов на склонах, блоков литосферы в тектонических процессах).

2. Миграция взвесей в газовых, жидких и твёрдых (ледники) средах. Это процесс циклический; он включает:

   • механическую дезинтеграцию горных пород и минералов;

   • механический перенос дезинтегрированного минерального вещества;

   • механическую дифференциацию в процессе переноса;

   • накопление перемещённых частиц.

Дезинтеграция – результат физического (температурного) выветривания. Наиболее интенсивна при максимальном контрасте дневных и ночных температур (горные области, районы без растительности – т.к. наличие растительного покрова, особенно лесной растительности, сглаживает температурные контрасты). В холодном климате дополняется морозным выветриванием.

Перенос осуществляется различными агентами: ветром, текучими водами, ледниками, иногда непосредственно под действием гравитации (на склонах). В наибольших масштабах осуществляется текучими водами, в меньшей мере – ветром. В высокогорных и полярных районах в современную эпоху большую роль играет ледниковый перенос. Все реки мира ежегодно поставляют в океан 15-16 млрд. т наносов (оценка масштабов переноса). Это только итоговый результат, массы переносимого и переотлагаемого материала внутри континентов не менее значительны.

В конечном счёте все виды переноса, кроме эолового – это прямой результат действия гравитационных сил. Поэтому Ферсман назвал механогенез «областью геохимического влияния силы тяжести».

Механическая дифференциация осуществляется благодаря непостоянству скоростей движения водных и воздушных потоков, переносящих частицы твёрдого вещества. Способность потока переносить частицы определённой массы определяется энергией потока. Она прямо пропорциональна массе воды и квадрату скорости течения. Поэтому зависимость процесса от скорости потока очень велика, и даже небольшие горные реки могут переносить крупную гальку и валуны.

При снижении скорости происходит механическое разделение частиц - крупные обломки остаются на дне, более мелкие переносятся дальше. Сначала происходит в основном разделение по размеру, но когда дело доходит до разделения песчаной фракции достаточно существенную роль начинает играть удельный вес минеральных частиц. Частицы близкого размера, но с разным удельным весом выпадают в осадок неодновременно. Так как минералы имеют и различный химический состав, результатом механической дифференциации оказывается и определённое различие в химизме. Это ещё и механизм формирования россыпных месторождений.

Другие причины возникновения различий в химическом составе при механическом водном переносе:

• Дифференциация по механической устойчивости: прогрессирующее механическое разрушение (истирание) менее устойчивых минералов в процессе переноса, и как следствие – более дальний перенос их более мелких частиц;

• Отделение минерального вещества, проходившего стадию химического выветривания (и, соответственно, химически изменённого) от продуктов чисто механического выветривания. Связано с тем, что частицы вещества, образующегося при процессах химического выветривания, относятся к наиболее мелкой фракции и накапливаются большей частью в глинистых осадках.

Коэффициенты концентрации элементов в глинах относительно песков очень различны. Co – 63, Ni – 34, As – 13, U – 8, Fe – 4,8, Al – 3,2, W – 1,1, Zr – 0,7, TR – 0,6, Si – 0,5.

При эоловом (ветровом) переносе дифференциация в большей мере механическая, но разделение песчаной и глинистой фракций тоже возможно.

В атмосфере обычными объектами механического переноса являются пыль, песок и соли. Песок переносится только на небольших высотах (первые метры). Пыль и микрочастицы соли – значительно выше, но основной объём тоже ограничен тропосферным переносом. Источники солей – как высохшие соляные озёра и солончаки, так и акватории соляных озёр и морей (испарение мелких брызг солёной воды, после чего частицы соли остаются в атмосфере). В условиях непромывного режима почв и грунтов соли, поступающие из атмосферы, могут в них накапливаться. Масштабы процесса могут быть очень значительны (пример – великая «соляная буря» на западе США в 1933 г.).

Другой пример – эоловый перенос вулканического пепла, представляющего собой глубинный материал, с иными концентрациями микроэлементов, чем в образованиях верхней части земной коры. Этот процесс оказывает прямое влияние на содержание этих микроэлементов в почвах и является природным механизмом повышения их плодородия.

Третий пример – разнос мелких частиц, образующихся в результате разрушения крупных метеоритов (иридиевые аномалии). Возможно влияние заражения атмосферы и почв космогенными токсикантами на вымирание некоторых видов живых организмов в геологическом прошлом.

Специфика переноса в твёрдых средах (ледникового) – это малые скорости процесса и полное отсутствие дифференциации вещества.

При механической миграции действуют геохимические барьеры:

• аэродинамический;

• гидродинамический;

• фильтрационный.

18) Физико-химическая миграция. Глубинные (эндогенные) процессы Прямого влияния на миграцию элементов в биосфере глубинные процессы, как правило, не оказывают (исключение составляют лишь области современного вулканизма). Но все глубинные процессы вносят очень большой вклад в формирование геохимической неоднородности литосферы, которая является неотьемлемой составной частью биосферы. Поэтому, чтобы получить представление о механизме формирования таких неоднородностей, надо хотя бы вкратце рассмотреть наиболее важные из эндогенных процессов.

Самый значительный вклад в создание геохимических неоднородностей в литосфере вносят две группы эндогенных процессов: магматические и гидротермальные.

Водная миграция. Водный перенос является ведущим для подавляющего большинства элементов в условиях биосферы. При этом именно вода, находясь в обратимых взаимоотношениях с горными породами, организмами, атмосферой обеспечивает интенсивное взаимодействие между всеми компонентами ландшафта (являясь «кровью ландшафта» по А.И. Перельману).

Масштабы водного переноса связаны с растворимостью химических соединений. Интенсивность процесса для каждого элемента определяется коэффициентом его водной миграции. Вынос элементов при этом происходит в зонах активной циркуляции проточных вод, а накопление – в конечных бассейнах стока (озёрные котловины, мировой океан). Надо иметь в виду, что для разных элементов в составе одного и того же растворимого соединения значения коэффициента могут быть очень различны. Пример – NaCl. В растворённой форме всегда будут переноситься эквивалентные количества катионов и анионов. Но если для Cl^- доля такой миграции будет весьма существенной по отношению к общему количеству его в ландшафте, то её удельный вес в миграции Na⁺ может значимой величиной не выражаться, так как кларк Na на два порядка выше.

Миграция ряда элементов имеет в значительной мере циклический характер. Они не только поступают с речными водами в океан, но и частично возвращаются из океана в атмосферу, а затем с атмосферными осадками возвращаются на сушу. Это, помимо самих О и Н – Cl, S, Na, Li, B, J и др.

Как Вы помните, в классификации А.Е. Перельмана (по особенностям миграции в гипергенных обстановках) водные мигранты подразделяются двояко: по степени подвижности и кроме того на катионогенные и анионогенные элементы. Подвижность определяется коэффициентом водной миграции (отношение содержания химического элемента в минеральном остатке воды к его содержанию во вмещающих породах).

K_X = (M_X/an_x)100,

где M_X – содержание элемента в воде, а – минерализация воды, n_x- содержание элемента во вмещающей породе.

Дополнительные характеристики – постоянная или переменная валентность, подвижность или же способность осаждаться при различном типе химизма среды, интенсивность миграции в растворах с различными щелочно-кислотными условиями, интенсивность миграции с органическими комплексами. В дополнение ко всему элементы независимо от других признаков подразделяются по роли биогенного накопления в их миграции (существенная или несущественная).

Важнейшие геохимические барьеры при физико-химической миграции:

Окислительный барьер (резкое увеличение Eh) – накопление Fe, Mn, Co, S.

Восстановительные (сероводородный, глеевый – приток кислых вод в соответствующую среду) – накопление Cu, Au, Ag, S, Se, U, Mo.

Кислотные и щелочные – возникают на границах различных горизонтов.

Испарительный барьер

Сорбционные барьеры

Термодинамический барьер

В условиях встречного движения вод возникают двусторонние барьеры.

Возникновение барьеров может быть связано также с резкими изменениями температур, давлений и др. параметров.

Взаимодействие водной среды с атмосферой:

• испарение воды, поступление в атмосферу солевых частиц, аэрозольных взвесей с поверхности водоёмов;

• растворение газов, осаждение в воду атмосферной пыли и аэрозолей.

Взаимодействие гидросферы и атмосферы с литосферой:

1. Химическое выветривание. Реакции гидратации, окисления, карбонатизации.

Разложение алюмосиликатов и образование глинистых минералов.

Разложение Fe-содержащих силикатов приводит к образованию гидрооксидных соединений железа – Fe (OH)₃, FeOOH и др., присутствие которых придаёт выветрелому веществу бурую окраску, очень распространённую в условиях нашего умеренно влажного климата (пример столбовских сиенитов, которые буреют на выветрелой поверхности).

В аридном климате существенную роль играет карбонатизация.

Во влажном и жарком климате (экваториальном) химическое выветривание заходит наиболее далеко, до полного разложения алюмосиликатов на простые гидрооксиды (латеритные почвы).

2. Переход части минерального вещества в растворимые формы – и, соответственно, в водную среду.

3. Химическое осаждение растворённого минерального вещества, его возврат в литосферу.

4. Взаимодействие вещества, осаждаемого из грунтовых в цементация. Образуются «уплотнённые» горизонты внутри почв и осадков (кремнистые, железистые, известковистые, огипсованные). В конечном счёте такой механизм приводит к формированию из рыхлых осадков осадочных горных пород.од, с дезинтегрированным рыхлым материалом верхних уровней литосферы (почвы, кор выветривания, рыхлых осадков)

19) По окислительно-восстановительным и щелочно-кислотным условиям выделяются 12 классов вод, обозначаемых арабскими чис­лами [I3]. Систематика классов концентрации элементов на техноген­ных барьерах также построена по матричному принципу, каждый класс обозначается двойным индексом — А6, ВЗ, D2 и т.д. [9].

В таблице приведены виды концентрациихимических элементов на физико-химических техногенных барьерах (выделены барьеры, наи­более пригодные длялокализации загрязнения окружающей среды).

Кислородные техногенные барьеры (А). Подобные барьеры возни­кают, например, при осушении болот, когда понижается кислородная граница. На ее контакте с глеевым горизонтом возникает техногенный барьер А6, почти полный аналог природного барьера. В Молдавии на виноградных плантациях мигрирующие с поверхности отрицательно заряженные комплексные соединения металлов, например Сu(ОН)⁺ или Сu(СОз)₂^-2 сорбируются гидроокислами Fе³⁺ кислородного барьера. Так, в почвах под многолетними насаждениями возникают концентрации меди на техногенном кислородно-сорбционном барьере (A7—G7) до 14 КК.

Искусственный кислородный барьер A6 создается на станциях очистки питьевых вод от соединений железа. Используемые для водо­снабжения подземные глеевые воды здесь распыляются в воздухе, в результате чего Fе²* окисляется и поступающая потребителям вода уже лишена примеси железа (последняя в форме рыжей пленки осаждается на песке, через который фильтруется вода).

Сероводородный и сульфидный техногенные барьеры (В). Эти барьеры очень характерны для участков загрязнения сбросами пред­приятий пищевой и химической промышленности, содержащих SO₂ и органические вещества. В наилках в результате десульфуризации (SO₄‾ - H₂S) появляется H₂S, а количество растворенного в воде кислорода резко снижается. Так создаются условия для возникновения сульфидного барьера. На таких участках зарегистри­ровано накопление большого спектра химических элементов: Сu, Pb, Zn, Ni, V, Mn, Cr. Их концентрация в наилках достигает 10 КК [5, б].

Техногенные сероводородные геохимические барьеры вида В1, В2, ВЗ характерны для так называемых сернокислых ландшафтов, форми­рующихся на участках отработки сульфидных руд, вблизи металлурги­ческих комбинатов [9]. Ex: Сясь. Перспективно создание искусственных серо­водородных барьеров для локализаци загрязнения окружающей среды в районах горнообогатительных и металлургических комбинатов.

Глеевый техногенный барьер (С). Он возникает в районах вторич­ного заболачивания, например в зоне подтопления водохранилищ и прудов, формирования верховодки на орошаемых землях. Постоянное или периодическое переувлажнение приводит к снижению Eh среды и, как следствие, к осаждению на границе оглеения рядахимических элементов. На таком барьере в почвах под виноградниками и полив­ными садами зафиксировано накопление техногенной меди до 7 КК. В районах с гумидным климатом наиболее характерны барьеры вида С2, а в степях и пустынях — СЗ и С4 (например, при вторичном заболачивании при неумеренном поливе). Характерные для этого класса барьеров элементы — V, Си, Мо, Se и др.

 

Щелочной бярьер (D). Подобные барьеры также распространены широко. Oни изучены в степных культурных ландшафтах.

На рис. 1 изображен ландшафтно-геохимический профиль склона, в нижней трети которого отмечается концентрация техногенной меди (18 КК). Накопление меди происходит на техногенном щелочном барьере D3, роль которого выполняет карбонатное полотно дороги. Это пример латерального барьера.

Радиальные щелочные геохимические барьеры установлены в техногенных почвах и наносах с прослоями карбонатсодержащего материала техногенного происхождения.

Так, в культивируемых почвах под многолетними насаждениями встречаются горизонты со строительным мусором карбонатного состава, которые выполняют роль щелочного барьера для мигрирующей в радиальном направлении техногенной меди.

20) БИОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

перемещение химических элементов в природе в процессе жизнедеятельности растений, животных,микроорганизмов.

Циркуляция веществ в биосфере между почвой, атмосферой, растениями, микроорганизмами и животными называется биологическим круговоротом. На Земле все начинается с растительности — и ею же заканчивается. Под воздействием солнечной энергии деревья и другие зеленые растения создают путем фотосинтеза органические вещества, которые концентрируются в листьях, стеблях, корнях и плодах. Побочный продукт синтеза органики — кислород: вот так земная флора создает основу существования земной фауны. Первичная атмосфера нашей планеты была богата аммиаком и углекислым газом, но кислорода в ней не было, и за то, что мы сегодня можем дышать, надо благодарить только зеленые растения. Животные усваивают кислород в процессе дыхания, а образующийся при этом углекислый газ вновь поступает в атмосферу. Синтезированная растениями органика служит пищей для травоядных, грызунов и многих птиц, а тех, в свою очередь, поедают плотоядные хищники. Отходы жизнедеятельности животных, их мертвые тела и остатки растений попадают на поверхность почвы, где за дело берутся микроорганизмы. В результате получается гумус. Его разлагают другие пожиратели остатков мертвых организмов, а конечный продукт усваивают живые растения. Итак, круг замкнулся! Биологический круговорот на Земле непрерывен и участвует в большом геологическом круговороте веществ между Мировым океаном и сушей.

Биологический круговорот в природе происходит благодаря солнцу, нагревающему воздух, почву и растительность. При этом испаряется вода, и ее пары, сгущаясь в облака, в конце концов возвращаются на землю дождем или снегом. Дождевая вода из почвы всасывается корнями растений, а попавшая на листья сразу испаряется в атмосферу. Вода, проникшая глубоко в почву, вливается в слой грунтовых вод и оттуда попадает в водоемы или по микротрещинкам грунта — капиллярам — просачивается в почву. Часть солнечной энергии деревья используют для превращения углекислого газа в органические вещества — основу питания всех живых существ. При этом выделяется кислород, необходимый для дыхания животных и человека. В почве микроорганизмы превращают продукты разложения растений и животных в простые вещества. Они вымываются водой, отчасти растворяясь в ней, и снова попадают в грунтовые воды.

21)

22) ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ (а. geochemical barriers; н. geochemische Barrieren; ф. barrieres geochimiques; и. barreras geoquimicas) — участки земной коры, на которых в направлении миграции химических элементов одна устойчивая геохимическая обстановка на относительно коротком расстоянии сменяется другой. При этом происходит уменьшение миграционной способности отдельных элементов и их избирательное накопление вплоть до образования промышленныхрудных тел.

Термин впервые предложен при описании экзогенных процессов, однако в дальнейшем получил более широкое применение. Примерами геохимических барьеров могут служить участки смешения пресных и морских вод в устьях рек, границы зон пластового окисления, дегазация глубинных растворов в областях активного вулканизма, контактово-метасоматические и другие природные процессы. Все они объединяются единой сущностью геохимических явлений. Так кислотно-основные и окислительно-восстановительные геохимические барьеры могут возникать как на границе зоны окисления, так и в результате направленной эволюции эндогенных растворов в анизотропной вмещающей среде.

Существует два типа геохимических барьеров — техногенные и природные. Последние в свою очередь подразделяют на механические, связанные с изменением механического переноса, физико-химические, вызванные сменой параметров состояния (температура, давление, pH, Eh и т.д.), и биогеохимические, обязанные накоплению химических элементов организмами. Наиболее изучены и важны физико-химические геохимические барьеры, в пределах которых по фактору, вызывающему осаждение элементов, выделяются окислительные, восстановительные, глеевые, щелочные, кислые, испарительные, сорбционные и прочие виды геохимических барьеров.

Геохимические особенности руд, образующихся на геохимических барьерах, зависят от природы геохимических барьеров и состава вод, поступающих к барьеру. На сочетании этих двух факторов основана геохимическая систематика концентрации элементов на геохимических барьерах, включающая свыше 100 видов. Знание этих видов позволяет прогнозировать парагенную ассоциацию химических элементов в рудах, комплексно использовать минеральное сырьё. При разработке месторождений полезных ископаемых важное значение имеет создание искусственных (техногенных) геохимических барьеров, которые позволяют локализовать загрязнение окружающей среды

23) Щелочные барьеры (D).

Возникают на участках резкого повышения рН среды в нейтральной, кислой и щелочной обстановках. В соответствии с общими законами миграции на них происходит накопление преимущественно катионогенных химических элементов, лучше мигрирующих в кислой среде: Fe, Mn, Ni, Co, Cu, в том числе такие высоко токсичные загрязнители природной среды, как Pb, Cd, Hg, As, U и др.

Характерный пример: почвенный профиль элювиального ландшафта влажных тропиков на карбонатных породах. Сверху формируются кислые почвы, повышенная кислотность которых обеспечивается разложением больших объёмов органических остатков. Растворы, фильтрующиеся через эти почвы, попадают в карбонатные горные породы, трещинные воды которых имеют щелочную реакцию. Возникает щелочной барьер типа D2.

Способность многих токсичных элементов осаждаться на щелочных барьерах используют для локализации загрязнения, создавая такие барьеры искусственно. Например, для обработки виноградников широко используется в качестве фунгицида смесь медного купороса CuSO₄ и гашеной Ca(OH)₂ извести (бордосская смесь). В результате при многолетнем применении этого средства в почве накапливается избыток меди, достигающий опасного уровня – особенно в почвах подчинённых ландшафтов, куда мигрируют почвенные растворы. Для борьбы с загрязнением на путях миграции растворов роют траншеи, которые заполняют песчано-карбонатной смесью, в которых возникает щелочная среда. Формируется щелочной барьер, на котором медь связывается в форме малоподвижного в этих условиях гидрокарбонатного соединения малахита – Cu₂CO₃(OH)₂.

Кислые барьеры (Е).

Возникают на путях миграции химических элементов при резком снижении рН среды. В противоположность щелочным барьерам, на них накапливаются не катионогенные, а анионогенные элементы, более активно мигрирующие в условиях щелочной среды. К ним принадлежат Si, Al, Mo, Be, Ga, Sc, Y, Zr, TR и др. Как правило, эти элементы мигрируют в форме растворимых солей щелочных металлов, подвижных в щелочной среде – Na₂SiO₃, Na₂AlO₂, Na₂MoO₄ и др.

Чаще всего в природе встречаются (и лучше всего изучены) кислые барьеры, возникающие при попадании щелочных содовых вод в кислую среду. Такая ситуация возникает при радиальной испарительной миграции (капиллярное «вытягивание» щелочных растворов с глубины в более кислую почвенную среду) – пример хорошо изучен в Северном Казахстане. Накапливаются Si, Y, Be, Se, Zr и ряд других элементов.

Яркий пример действия кислого барьера – замещение древесных остатков опалом и халцедоном (оксидными соединениями кремния). Если древесина захороняется в почвах аридных ландшафтов, имеющих щелочную среду, то при её разложении возникают очаги повышенной кислотности на щелочном фоне. Щелочные растворы, содержащие подвижные соединения кремния, приникают в разлагающуюся древесину – и здесь, на локальном кислотном барьере, осаждаются слабо подвижные соединения кремнезёма. В более широком плане этот процесс назван М.А. Глазовским хемогенным опалогенезом. Он протекает в различных ландшафтных обстановках именно на кислых барьерах.

Специфический случай возникновения кислого барьера – водонефтяной контакт. Уходящий из нефтяной залежи метан окисляется, и подкисляет поровые воды выше контакта нефтяной залежи. Этого оказывается достаточно для выпадения из раствора кремнезёма и закупоривания им пор в рыхлых грунтах.

24) Испарительные барьеры (F).

Это участки зоны гипергенеза, где накопление химических элементов обусловлено процессами испарения. Первая существенная особенность этих барьеров – действие в условиях самых разнообразных по химизму обстановок. То есть действие испарительного барьера лишь в незначительной степени зависит от параметров кислотности-щёлочности среды или окислительно-восстановительного потенциала. Главным фактором является климат. Вторая важная особенность – то, что именно на этих барьерах концентрируются наиболее растворимые химические элементы. Те, которые подвижны в водах любого химического состава (Na, K, Rb, Cl и др.). Понятно, что самый простой способ осадить такие элементы – это просто выпарить раствор, в котором они переносятся.

Условия возникновения испарительного барьера – сухой климат и неглубокое залегание грунтовых вод (нарисовать схему). В такой ситуации водные растворы поднимаются с водоносного горизонта к поверхности. Поднимает их сила поверхностного натяжения в капиллярах. Так как в условиях сухости климата вытянутая по капиллярам вода сразу же испаряется, ей на смену с водоносного горизонта поступают всё новые и новые порции. И этот «вытягивающий» воду механизм действует непрерывно. Постоянно всё новые и новые порции H₂O испаряются, а содержавшиеся в них растворённые соли концентрируются в грунтах и почвах.

Глубина, с которой возможен капиллярный подъём грунтовых вод к поверхности, зависит от температуры (чем выше Т, тем с больших глубин возможен такой подъём). Другие факторы – размеры пор, минеральный состав грунтов, минерализация растворов. То есть зависимость достаточно сложная. Но в целом обычно испарительная концентрация солей в условиях аридного климата начинает проявляться начиная с глубин 3,5-4 м, и особенно усиливается с глубин 2,5-3 м. Нередко полное испарение воды происходит раньше, чем она достигает поверхности, то есть внутри почвенного профиля. Для испарительных барьеров характерна вертикальная зональность, связанная с тем, что разные соли имеют разную растворимость и, при повышении минерализации раствора, выпадают в осадок поочерёдно. Вначале идёт осаждение и накопление карбонатов Ca и Mg, затем – гипса (сульфат Ca), и наконец – наиболее растворимых соединений (хлоридов Na и K, некоторых сульфатных соединений, реже – нитратов Na и Mg).

Аналогичная зональность нередко бывает развёрнута и по латерали, так как минерализация грунтовых вод обычно увеличивается в процессе их стока от области питания (если процессы испарения действуют на значительных интервалах по пути движения грунтовых вод).

Так как в типичном случае испарительный барьер возникает при вертикальном движении вод в сторону земной поверхности, он может в природе совмещаться с кислородным и термодинамическим барьерами. С кислородным – так как одновременно может резко увеличиваться окислительно-восстановительный потенциал среды. С термодинамическим – так как выход грунтовых вод на поверхность означает резкое изменение термодинамических параметров, в особенности давления.

Испарительные барьеры могут также формироваться по периферии водоёмов (рек, озёр, водохранилищ). Дело в том, что капиллярно-плёночное перемещение может иметь не только вертикальную, но и латеральную (горизонтальную) направленность. Если грунты постоянно «подпитываются» водами поверхностного водоёма, то в условиях засушливого климата тот же механизм капиллярного «вытягивания» может действовать и в латеральном направлении. Это явление нередко приобретает опасный характер в условиях техногенного загрязнения водоёмов в аридных ландшафтах. В.А. Алексеенко описан случай, когда в окрестностях отстойника, куда сбрасывались загрязнённые воды, содержание свинца в почвах окружающих территорий выросло до 1%, а цинка - даже до 10%!. На рудных месторождениях такие содержания уже считались бы промышленными, а здесь они сформировались в почве!

Но такие случаи являются относительно редкими. А вот типичный негативный результат действия испарительного барьера заключается в том, что с ним связано развитие процессов засоления почв и, как результат – ухудшение плодородия почв, вплоть до полной непригодности для земледелия. Ежегодно из-за процессов засоления огромные площади земель выходят из сельхозоборота. особенно вредными являются процессы содового засоления, так как кроме увеличения содержания солей в почвах одновременно резко увеличивается и щёлочность среды.

Сорбционные барьеры (G).

Ещё одна важнейшая группа процессов, определяющих физико-химическую миграцию в водных средах – это сорбционные процессы (сорбция и десорбция). Сорбцией называется способность тел поглощать из окружающей среды растворённые вещества или газы. В том числе такой способностью обладают присутствующие в водной среде мелкие взвешенные частицы, в том числе и мицеллы коллоидов. Сорбированные ионы могут либо выводиться из водной среды в результате выпадения частиц в осадок (в частности, при коагуляции коллоидов), либо мигрировать дальше, пассивно переносясь сорбировавшими их частицами.

Сорбционные барьеры возникают в результате резкого снижения миграционной способности химических элементов при фильтрации ионных водных растворов или газовых смесей через среды, обладающие повышенной сорбционной способностью. Эти барьеры особенно важны для элементов с низкими кларками, так как осаждение в процессе сорбции может происходить при очень низких концентрациях, намного меньших, чем концентрации насыщения.

Таким образом, роль сорбции в миграционных процессах может быть двоякой, в зависимости от конкретных условий:

• сорбция может быть причиной осаждения вещества из раствора;

• сорбция может способствовать пассивной миграции вещества при механическом переносе частиц-сорбентов.

Различаются два вида процессов сорбирования: адсорбция и абсорбция. В первом случае сорбируемое вещество поглощается только поверхностью тела, во втором – всем его объёмом.

Адсорбция может иметь разную природу. Химическая адсорбция основана на установлении прочных химических связей адсорбента с поглощающим веществом и практически необратима. Физическая адсорбция происходит на основе слабых межмолекулярных связей (ван-дер-вальсовых) и является обратимой. Следовательно, возможны процессы не только сорбции, но и десорбции, то есть перехода сорбированных частиц обратно в раствор. Поэтому при таком типе сорбции адсорбированное вещество находится в состоянии подвижного равновесия с неадсорбированной (остающейся в растворе) частью того же вещества. Интенсивность адсорбции возрастает с уменьшением размеров частиц адсорбента и, следовательно. С возрастанием общей поверхности. Адсорбции способствует образование плохо растворимого соединения адсорбата и адсорбента (например, адсорбция фосфат-ионов гидроокисью трехвалентного железа).Величина адсорбции увеличивается при возрастании концентрации вещества и снижении температуры раствора. Снижение концентрации вещества в растворе и повышение его температуры, напротив, усиливают процессы десорбции. В целом, вещества адсорбируются тем лучше, чем ниже их растворимость (правило П.А. Ребиндера). Поэтому любой внешний фактор, снижающий растворимость, усиливает сорбцию, и напротив – любое изменение условий, приводящее к увеличению растворимости вещества, будет усиливать десорбцию. Важный фактор, влияющий на активность сорбционных процессов – изменение валентности ионов, то есть процессы окисления и восстановления. Многозарядные ионы адсорбируются легче, чем ионы низкой валентности. Например, хорошо растворимый в своей шестивалентной форме уран, попадая в богатые органическим веществом илы, оказывается в восстановительной среде и восстанавливается до четырёхвалентного. В результате растворимость его резко снижается, он сорбируется этими илами и накапливается в них.

Особой разновидностью сорбционных процессов является процесс обменной сорбции – когда адсорбент, поглощая какие-либо ионы из окружающего раствора, отдаёт эквивалентное количество ранее сорбированных им ионов другого вещества. Процессы обменной сорбции широко развиты в почвах (при этом участие в них обычно принимают только катионы). Совокупность присутствующих в почве веществ, способных к обменной сорбции, называется почвенным поглощающим комплексом (ППК). Он в основном состоит из гумусового вещества и глинистых минералов.

Наиболее распространённые сорбенты в зоне гипергенеза :

• глины и глинистые минералы;

• гумус;

• рассеянное органическое вещество;

• битумы;

• торф;

• бурые угли;

• гидрооксиды Fe, Al, Mn;

• гели кремнезёма;

• мицеллы коллоидов;

• частицы аэрозолей.

Классическим примером сорбционного барьера являются краевые части болот (где этот барьер обычно совмещается с глеевым, иногда также с кислым). Торф и богатые гумусовым веществом болотные почвы активно сорбируют металлы – U, Be, Ge, Mo, Pb, Zn и др. Концентрации урана в торфяниках могут превосходить концентрацию в питающих водах в 10 000 раз. Таким путём могут формироваться промышленные месторождения урана.

В нефтегазоносных областях сорбционные барьеры возникают в результате процессов окисления нефтей и превращения их в полужидкие и твёрдые битумы. Здесь сорбционный барьер нередко совмещается с сероводородным. Дело в том, что в этом процессе окисление нефтей сопровождается восстановлением сульфатной серы в результате деятельности бактерий. Здесь концентрируются U, V, Ni, Co, Mo, Cu, Zn и другие металлы.

Очень высокой сорбционной способностью обладает гумусовое вещество почв, особенно чернозёмных и каштановых. Поэтому почвенный поглощающий комплекс тоже может выступать в роли сажного геохимического барьера. На этом барьере идёт активное поглощение катионов металлов (Ca, K, Pb, Zn, Cd, Hg и др.), а также некоторых комплексных анионов (содержащих As, P, Se, Mo, V). Если бы вся потенциальная ёмкость поглощения металлов ППК реализовалась только за счёт поглощения токсичных тяжёлых металлов, то ПДК по Pb, Hg, Cd могли бы быть превышены в почвах в сотни и тысячи раз. На деле этого обычно не происходит потому, что здесь столь же активно поглощаются и вполне «безобидные» Ca, K, Mg. А так как их кларки на несколько порядков выше, то основной объём сорбированного вещества приходится именно на эти элементы. Но в условиях техногенного загрязнения формирование повышенных концентраций токсичных элементов на почвенном сорбционном барьере тоже возможно, хотя и не в столь гигантских масштабах.

Очень важную роль в зоне гипергенеза играют два сорбционных макробарьера. Первый – на путях стока речных вод в мировой океан. Здесь идёт массовое осаждение мелких принесённых реками глинистых частиц и мицелл коллоидов. А ведь и те, и другие, обладают высокой сорбционной способностью и связывают большое количество атомов токсичных элементов. Адсорбционные процессы могут приводить к удалению многих ионов из природных вод. Адсорбирующая способность глинистых минералов, особенно монтмориллонита, очень высока. Химическая адсорбция ионов калия монтмориллонитов может приводить к образованию иллита. Многие комплексные ионы, например, содержащие мышьяк и молибден, а также ионы тяжелых металлов, адсорбируются на коллоидных частицах и удаляются из раствора, впоследствии накапливаясь в осадочных железных и марганцевых рудах. Так происходит систематическое обезвреживание гидросферы. Если бы не было этого явления, целый ряд биологически вредных элементов накапливался бы в воде океанов, т.к. значительное количество таких элементов как медь, селен, мышьяк, свинец освобождаются в больших количествах и в процессах выветривания и эрозии и попадает в природные воды. Таким образом, этот барьер выполняет важнейшую геохимическую функцию, способствуя естественному самоочищению водных систем Земли. К сожалению, масштабы техногенного загрязнения в наше время возрастают настолько, что даже ёмкость этого крупнейшего барьера нередко оказывается превышенной, и сама по себе природа с очисткой загрязнённого речного стока не справляется.

Второй подобный макробарьер возникает при воздушной миграции благодаря концентрации сорбируемых компонентов аэрозольными частицами. К сожалению, такой механизм очищения атмосферы является лишь итоговым результатом достаточно продолжительного процесса. А в течение сравнительно небольших промежутков времени действие аэрозольного барьера, напротив, приводит к увеличению масштабов переноса загрязнителей и возникновению их повышенных концентраций в районах размещения промышленных предприятий.

Сорбционные барьеры играют важную роль в формировании геохимической специфики различных оболочек нашей планеты. Наиболее наглядно это видно из сравнения геохимии натрия и калия. Два элемента с очень похожими химическими свойствами, одинаковым кларком, одинаково ведущих себя в процессах ионной миграции. Но вот в водах мирового океана содержание натрия намного выше. Почему? Дело в том, что калий очень активно связывается в сорбционных процессах, и потому лишь незначительная его доля поступает с ионным стоком в мировой океан. А натрий, наоборот, в большей своей части выносится именно туда.

25) Термодинамические барьеры (H) возникают на участках резкого уменьшения миграционной способности химических элементов в результате изменения на путях движения миграционных потоков температуры или давления (или обоих этих факторов одновременно). В целом они весьма разнообразны по механизму и по направленности действия.

Кроме этого, выделяются сульфатный (I) и карбонатный (К) геохимические барьеры.

Наиболее типичный пример резкого изменения данных параметров - ситуация в местах выхода подземных вод на земную поверхность. Здесь мы всегда имеем дело с резким снижением давления, и нередко – с повышением температуры. В отношении некоторых веществ действие этих факторов суммируется. В первую очередь это касается веществ, на растворимость которых влияет содержание в водном растворе углекислоты (так называемое косвенное действие термодинамического барьера).

Растворимость CO₂ резко снижается при увеличении температуры водного раствора, и в этом же направлении действует уменьшение давления. Но изменение содержания CO₂ в растворе смещает карбонатное равновесие: растворимая форма Ca(HCO₃)₂ переходит в труднорастворимую CaCO₃. Таков механизм образования известковых отложений в местах выхода на поверхность углекислых источников. Кроме карбоната кальция таким же путём могут выпадать в осадок карбонатные соединения свинца, цинка, стронция.

В местах выхода на поверхность глеевых вод идёт активное осаждение соединений железа и марганца. При этом термодинамический барьер совмещается с кислородным, и их действие суммируется.

Очень сложный по механизму термодинамический барьер действует в местах сезонного промерзания и оттаивания грунтовых вод. На начальных стадиях замерзания минерализованных вод, когда температура раствора опускаются чуть ниже нуля, многие минеральные вещества выпадают в осадок. В случае многократного промерзания и оттаивания минерализация грунтовых вод может уменьшится на порядок. Это – одна из причин очень низкой минерализации вод в зоне тундры.

В.А. Алексеенко выделил различные типы миграции (не путать с видами):

Первый тип – изменение формы нахождения элемента без его существенного перемещения. Примеры: переход из минеральной фазы в раствор и обратно, извлечение минеральных веществ из почвы растениями. Геохимическая роль процесса может быть очень значительной, несмотря на то, что перемещение почти отсутствует. Например, избирательное извлечение отдельных элементов из почв и их накопление в растениях и продуктах их разложения. Если поступления этих веществ обратно в почву не происходит, почвы истощаются.

Второй тип – перемещение элемента без изменения формы его нахождения. Перемещение обломков, аэрозолей, текучих вод.

Третий тип – объединение обоих механизмов. Является преобладающим в гипергенных условиях. Первый и второй типы – крайние случаи, их выделение в «чистом» виде можно считать некоторой условностью, применяемой в тех случаях, когда одна из двух составляющих пренебрежимо мала.

Сероводородные (сульфидные) барьеры (В).

Эти барьеры возникают там, где кислородные или глеевые воды встречают на своём пути сероводородную обстановку. Естественно, если в сероводородную среду проникают сероводородные воды, никакого барьера не возникает. Поэтому символы, соответствующие барьерам с индексами В9-В12,выделены курсивом – эти барьеры запрещены. Сероводородные обстановки в зоне гипергенеза встречаются редко, так что и сероводородные барьеры тоже распространены мало. На сероводородных барьерах наиболее эффективно накапливаются халькофильные элементы (так как они непосредственно связываются с серой, образуя сульфидные соединения), отчасти – сидерофильные, и в наименьшей мере литофильные.

Самый обычный случай возникновения природного сероводородного барьера при латеральной миграции – это контакт кислородных вод с сероводородными илами. Например, при впадении реки в озеро, на дне которого развиты сероводородные илы. Такой барьер может возникать в приустьевых частях рек. Подобный случай подробно изучен Алексеенко на примере устья Дона. Здесь при ветровом нагоне морской волны воды в приустьевой части реки приобретают сульфатно-кальциево-натриевый состав. А микроорганизмы в донных илах восстанавливают сульфатные соединения до сульфидных, и возникает сероводородная среда. На контакте этих илов с кислородными водами возникает сероводородный барьер, где накапливаются сульфидные соединения различных металлов.

Пример функционирования природных геохимических барьеров типов В5-В8 при вертикальной миграции выявлен и изучен Н.С. Касимовым в солончаках, подпитываемых водами солёных озёр (побережья Аральского моря, Балхаша, озёр Тургайской котловины). В этих ландшафтах непосредственно под поверхностной соляной коркой расположен маломощный горизонт с окислительной обстановкой (первые сантиметры). Под ним – горизонт с сероводородным заражением (от 5 до 30 см). А ещё глубже – горизонт со слабовосстановительными глеевыми грунтовыми водами. В условиях сухого климата господствует вытяжной водный режим: вода капиллярными силами вытягивается в направлении поверхности, где испаряется (пример относительно редкого случая водной миграции в направлении снизу вверх). В результате формируются два барьера. первый – сероводородный, второй (выше первого) – окислительный.

Известны случаи возникновения локальных очагов сероводородного заражения (и, следовательно, возможности появления сероводородных барьеров) в гумидном климате при смешении грунтовых кислородных и глеевых вод. Необходимое условие для этого – сульфатный состав кислородных вод. Это может быть следствием миграции кислородных вод через зону окисления горных пород, содержащих сульфиды. При окислении сульфидов образуется сульфат-ион SO₄^2-. При просачивании таких насыщенных сульфат-ионами кислородных вод в основание низинного торфяника, они попадают в среду с восстановительными условиями. Здесь сульфат-ион, действуя как окислитель, окисляет, при участии деятельности серобактерий, присутствующие в торфе органические углеводородные соединения. А сам при этом восстанавливается с образованием сероводорода. В результате в узкой полосе вдоль границы между кислородными водами и глеевой средой возникает сероводородная обстановка. И, с учётом направления водной миграции, функционирует сероводородный барьер типа В2.

26) Окислительные (кислородные) барьеры (А).

Такие барьеры возникают на участках резкого повышения Eh среды – окислительно-восстановительного потенциала. Поскольку в условиях земных ландшафтов увеличение Eh обычно связано с увеличением концентрации свободного кислорода (основного окислителя), то можно называть окислительный барьер кислородным, считая эти термины в данном случае практически синонимами.

На этих барьерах идут процессы окисления мигрирующих химических элементов. И, если окисленные формы того или иного элемента будут обладать меньшей подвижностью, они будут выпадать из раствора в осадок и концентрироваться на данном барьере.

В наиболее типичном варианте окислительный барьер возникает в зоне поступления глеевых или сероводородных вод в кислородную среду. Но иногда такие барьеры могут возникать и в пределах собственно кислородных обстановок, когда на границе раздела слабоокислительные условия сменяются резкоокислительными. Поэтому барьеры типа А1-А4 также не являются запрещёнными.

Окислительные барьеры очень широко распространены в равнинных ландшафтах, характеризующихся обилием органического вещества. Здесь для грунтовых вод характерна глеевая обстановка, а в местах их выхода на поверхность или на дно водоёма с кислородным режимом (реки, озера) она сменяется кислородной. В местах разгрузки таких вод происходит активное накопление гидрооксидов железа и марганца в виде обохривания грунтов и горных пород (приобретающих характерную ржаво-бурую окраску) или даже формирования железистых и марганцовистых конкреций и стяжений.

Нередко такие барьеры возникают в местах выхода глубинных подземных вод по зонам разломов, где в этих случаях наблюдается интенсивное обохривание пород.

Своеобразные барьеры возникают в местах выхода на поверхность сероводородных источников или при смешении сероводородных вод с богатыми кислородом грунтовыми водами. При этом сульфидная сера (2^-) окисляется или до элементарной, нейтральной серы (0), или, что бывает чаще, до сульфатной (с валентностью 6⁺).

2H₂S + O₂ = 2H₂O = 2S

H₂S + 2O₂ = H₂SO₄

В первом случае, если такие условия сохраняются в течение длительного времени, могут формироваться крупные скопления самородной серы (это бывает в зонах окисления на нефтяных месторождениях). Второй случай интересен и важен тем, что он ведёт к резкому увеличению кислотности среды (за счёт образования серной кислоты).

Интересно, что в истории развития биосферы роль окислительных барьеров и их положение заметно изменялись. Как мы подробнее узнаем далее, первоначально атмосфера Земли была восстановительной и не содержала свободного кислорода. Не содержали его и природные воды. Начало накопления свободного кислорода связано с появлением фотосинтезирующих организмов, вначале морских. Но в течение очень долгого периода времени, на протяжении архея и раннего протерозоя, продуцируемый в океане кислород, видимо, практически не поступал в атмосферу. Дело в том, что первично-восстановительная морская водная среда содержала большое количество растворённого железа. И поначалу почти весь синтезируемый кислород расходовался на окисление железа и связывался с ним в нерастворимых оксидных соединениях. Весь ранний протерозой – это гигантская по продолжительности эпоха массового накопления на дне древних океанов железооксидных осадков (так называемых железистых кварцитов). Это было время функционирования первого и притом гигантского по своим размерам кислородного можно сказать даже не макро-, а мегабарьера. И лишь после того, как в результате его работы воды океана были очищены от растворённого в них железа, началось массовое поступление кислорода в атмосферу. Здесь тоже кислород первоначально расходовался на окисление серы – до всё той же серной кислоты - H2SO4. Окисление атмосферной серы неизбежно должно было сопровождаться кислотными дождями, что в конечном счёте привело к очищению атмосферы от сернистых соединений и вытеснению их свободным кислородом. И уже как следствие формирования кислородной атмосферы стало возможным появление окислительных барьеров в наземных ландшафтах.

Глеевые барьеры (С).

Эти барьеры в наиболее типичных случаях возникают на участках резкой смены кислородной обстановки глеевой. Реже – слабоглеевой обстановки резкоглеевой, то есть тоже глеевой, но характеризующейся ещё более низкими значениями окислительно-восстановительного потенциала. Теоретически можно предположить вероятность существования в природе глеевых барьеров типов С9-С12, которые возникали бы при поступлении сероводородных вод в глеевую среду. Но такие барьеры пока не изучены.

Глеевые барьеры очень широко распространены в гумидных и семиаридных ландшафтах, особенно в супераквальных (с неглубоким залеганием грунтовых вод), где развиваются процессы заболачивания. При заболачивании формируется глеевая среда. В результате нисходящего движения почвенных вод или латерального стока грунтовых вод из сопряжённых возвышенных ландшафтов по периферии зоны заболачивания формируются глеевые барьеры типа С2 или С3.

Возможно также возникновение глеевых барьеров в краевых частях артезианских бассейнов. Воды внутренних частей этих бассейнов залегают между водоупорными горизонтами, которые также изолируют водоносный горизонт от проникновения атмосферного кислорода. Те же воды, которые поступают в артезианский бассейн из области питания, по мере своего продвижения могут терять кислород, расходуя его на окисление содержащегося в водоносном горизонте органического вещества. В результате во внутренних частях артезианского бассейна формируется бескислородная среда. Если при этом в водах содержится мало сульфат-иона, они будут глеевыми. На границе кислородных вод, поступающих из области питания, и глеевых вод внутренней части артезианского бассейна, будет формироваться подвижный глеевый барьер.

27) Механические барьеры представляют собой участки с резким уменьшением интенсивности механического перемещения веществ и соответственно их отложения. В биосфере механические барьеры связаны в основном с миграцией элементов в минеральной или коллоидной форме. Миграция чаще всего происходит в воздушной и в водной средах, а также на границе сред (скатывание обломков по склонам).

При переносе в воздушных потоках паров воды своеобразными механическими барьерами являются горные системы. Задержка на них облаков и выпадение осадков могут приводить к нарушению безопасности жизнедеятельности и даже к экологическим катастрофам. Это необходимо учитывать при освоении новых районов, строительстве населенных пунктов и предприятий. Классическим примером такого барьера может служить район города Рио-де-Жанейро (Бразилия), зажатый между горами и Атлантическим океаном. Катастрофические наводнения, связанные с продолжительными ливнями, происходят в этом районе довольно часто. Во время одного из последних ливней (1988) здесь погибло около 300 человек, а общий экологический ущерб оценен в 935 млн долл. США. Подобных барьеров на земном шаре довольно много, однако сведения о существенных нарушениях безопасности жизнедеятельности в этих районах становятся широко известными лишь при высокой плотности населения. (В районе, приведенном в качестве примера, проживает около 10 млн человек.)

28) Биогеохимические барьеры по своей сути представляют накопление химических элементов растительными и животными организмами. Наибольшее внимание следует уделять накоплению веществ в высоких (токсичных) концентрациях сельскохозяйственными культурами, используемыми для питания. Такое накопление обычно происходит при внесении в почвы чрезмерных доз удобрений и средств химической защиты растений. Известны случаи массового отравления населения арбузами с высоким содержанием нитратов. Известны случаи токсичных концентраций нитратов в кормовых культурах, картофеле, овощах.

Иногда в качестве удобрения используются илы из городских очистных сооружений, как, например, в Новороссийске. Многие овощи при этом увеличивают урожайность, но содержат в опасных для здоровья концентрациях многие тяжелые металлы. Их токсичное воздействие в одних случаях проявляется сразу. В других случаях они, накапливаясь в организме, нарушают безопасность жизнедеятельности через годы.

Биогеохимические барьеры могут приводить и к возрастанию безопасности жизнедеятельности, задерживая поступление токсичных веществ из атмосферы. Такими барьерами обычно служат зеленые насаждения (декоративные деревья и кустарники) около промышленных и в селитебных ландшафтах. При этом подбор специальных растений, в больших концентрациях поглощающих определенные химические элементы, может резко повысить безопасность жизнедеятельности около определенных предприятий.

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.

29))

 Комплексные техногенные барьеры образуются довольно часто, но еще чаще происходит формирование техногенно-природных барьеров. В одних случаях формирование природных барьеров на месте (или рядом) вновь созданного техногенного барьера приближает техногенную концентрацию химических элементов к природной. В других случаях идут дальнейшие техногенные изменения интенсивности миграции элементов, отличающиеся от ее природного течения. Последнее обычно происходит на тех техногенных барьерах, на которых уже произошли эколого-геохимические изменения , существенно отличающиеся от природных.[c.132] Число подклассов комплексных барьеров может быть чрезвычайно большим, так как возможно наложение друг на друга довольно     большого числа всех ранее рассмотренных классов (подклассов) геохимических барьеров. Обозначать их целесообразно символами каждого из составляюших барьеров, разделяя их запятыми. Так, совмещение кислородного и сорбционного барьеров, создающее вышерассмотренный комплексный барьер при выходе на поверхность подземных  слабокислых глеевых вод, можно символами представить так Р-6, С.[c.29] В своем типичном проявлении комплексный геохимический барьер представляет     собой пространственное наложение друг на друга (обычно с несовпадением границ) нескольких классов геохимических барьеров. Как правило, накладываюшиеся друг на друга барьеры генетически связаны между собой. Среди природных барьеров комплексные по распространенности занимают если не первое, то одно из первых мест. Так, очень широко распространены (особенно в горных районах), упоминаемые выше кислородные барьеры, представляю-шие собой родники с выходом на поверхность глеевых вод. Осаждаюшиеся из них гидроксиды Ре " являются хорошими сорбентами целого ряда металлов из вытекающих родниковых вод. Процесс осаждения этих коллоидов представляет собой началоформирования нового геохимического барьера — сорбционного. Вот поэтому-то опробование ржавой мути , осевшей на дне источников, дает информацию о концентрации металлов в родниковой воде , а следовательно, и об общей гидрогеохимической обстановке в районе распространения выходящих на поверхность глеевых вод. Среди техногенных геохимических барьеров комплексные, как по распространенности, так и по экологогеохимической значимости, занимают (как и в случае с природными) ведущее положение. То, что очень часто создание одного, планируемого геохимического барьера вызывает возникновение под его влиянием и пространственно-совмещенных с ним новых, обычно незапланированных барьеров, заставляет уделять особое внимание комплексным техногенным и техногенно-природным барьерам.[c.22] Как уже указывалось, комплексные геохимические барьеры получили в природе наибольшее распространение. Соответственно с этим классом    геохимических барьеров связано максимальное количество природныхэколого-геохимических изменений. Часто различные  геохими-[c.89] Значительный поисковый     интерес представляют собой изученные Т. Тайсаевым железистые осадки на кислородном барьере в местах выходовглеевых вод в мерзлотных ландшафтах Бурятии. Вблизи рудных зон в них существенно (формируются геохимические аномалии) повышаются концентрации А , Мо, РЬ, 5п, Zn. Однако в большинстве случаев эти барьеры являются не просто кислородными, а комплексными кислородно -сорбционными.[c.39] Как видно из приведенных выше рядов, золото уже по     изменению интенсивности миграции может несколько обособиться в миграционном потоке от остальных металлов. Это чрезвычайно важно для его последующей, относительно раздельной от многих элементов выветривающихся пород концентрации на геохимических барьерах. Следует отаетить, что кроме указанных тиосульфа-тов и соединений схромом золото образует подвижные анионные комплексы с Г, Вг , 8СЫ , СК и др. Разрушение подвижных комплексных соединений приводит косаждению золота, а в определенных случаях и к его существенной концентрации. Эти процессы наиболее  интенсивно происходят на геохимических барьерах.[c.94] Гораздо чаще, чем в выщерассмотренных примерах,     образование отдельных техногенных геохимических барьеров влечет за собойформирование природных барьеров. Такие барьеры вьщеляются вотдельный класс техногенно-природных  комплексных.[c.124] Строительство плотин на реках представляет     собой заранее запланированное создание комплексного техногенного барьера для переносимых волочением по дну в водных потоках минералов (барьер /-1) и переносимых в водных растворах коллоидов (барьер /-3). Опыт изучениягеохимических особенностей водохранилищ [13] показал, что течением к плотинам сносится и громадное количество водорослей (барьер /-4). Их (водорослей) осаждение в приплотинной части водохранилищ ипоследующее разложение вызывает в илах и придонном слое воды нехватку кислорода, т.е. возникает глеевый барьер С. Коллоиды, осаждающиеся у плотин на дно водохранилища, сорбируют химическиеэлементы из вод (барьер 6). Химические элементы , поглощаемые многочисленными водорослями в приплотин-[c.124] Довольно сложная     картина формирования комплексных техногенно-природных геохимических барьеров наблюдается при откачивании из шахт кислых глеевых вод. При попадании вод на дневную поверхность образуется техногенный кислородный барьер А, выпадающие гидроксиды Ре " сорбируют из вод целый ряд элементов (сорбционный барьер б). При протекании по карбонатным породам кислых вод образуется щелочной барьер В. В результате всфечи потока откачиваемых глеевых вод скислородными водами в рассматриваемой барьерной зоне может возникнуть глеевый барьер 

Социальные геохимические барьеры относятся только к техногенным и представляют собой участки, в пределах которых вещества концентрируются в результате прекращения их социальной миграции. Этим термином целесообразно объединять зоны складирования и захоронения отходов, как промышленных, так и бытовых. Кратко рассмотрим их некоторые особенности, влияющие на безопасность жизнедеятельности.

Химические элементы (их соединения), накапливающиеся на социальных барьерах в повышенных концентрациях, не соответствуют ни одной природной ассоциации. Это значит, что совместно могут встретиться элементы, которые в повышенных содержаниях в биосфере до вмешательства человека в их распределение не встречались. Последствия их необычного для природы совместного влияния на безопасность жизнедеятельности не изучены.

30)

ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА

— раздел геохимии, изучающий закономерности распределения имиграции хим. элементов под влиянием факторов, определяющих ландшафт, т. е. облик той или иной частиповерхности Земли, возникающий вследствие определенного сочетания рельефа, климата, вод, почвенногои растительного покрова, животного мира и деятельности человека. Основные черты, определяющие геохим.особенности разнообразных ландшафтов, это геол. прошлое, т. е. состав и характер г. п., их тект. положениеи закономерности процессов выветривания и гипергенеза, находящиеся в прямой зависимости от климата идр. характеристик ландшафтов.

Геохимия ландшафтов - это наука, изучающая химические процессы функционирования ландшафтов, а именно распространение, миграции, рассеяния и аккумуляцию химических элементов внутри ПТК и между различными ПТК.

 

 

Основы этой науки начали В.И.Вернадский и О.Е.Ферсман, теоретические положения сформулировал в 20-30-е годы Б.Б.Полинов, а в послевоенное время развили О.И.Перельман, М.А.Глазовська и их многочисленные ученики. Главной идеей геохимии ландшафтов является представление о наличии определенных закономерностей распространения и поведения различных химических элементов в ПТК.

 

Первая закономерность заключается в том, что каждый ПТК характеризуется определенным уровнем содержания различных химических элементов. Это обусловлено свойствами ПТК и самих элементов. Наиболее распространены на Земле О, Si, AI, Fe, Ca, Na, К, Mg [239]. Эти элементы образуют основную массу горных пород, почв, вод и организмов (99,03%) и называются главными. Все остальные элементы составляют менее 1% земной коры и называются редкими. Если они не способны к концентрации, то называются редкими рассеянными. Например, в U и Вг кларки почти одинаковые, но U просто редкий элемент, поскольку известны его месторождения, а Вг - редкий рассеянный, поскольку он почти не концентрируется в земной коре. В геохимии используется также термин "микроэлементы". Под ним понимаются элементы, которые встречаются в каком-то среде в микроколичествах (менее 0,01%). Им может быть и главный элемент. Так, AI - микроэлемент в организмах и макроэлемент в горных породах.

 

Изучение содержания химических элементов в земной коре начало в конце XIX века американским ученым Ф.У. Кларком, который впервые установил количественную распространенность химических элементов в земной коре. Поэтому единица среднего содержания химического элемента в земной коре, по предложению О.Е.Ферсмана, получила название кларк.

 

Главные химические элементы имеют кларк больше единицы. Кларки редких элементов не превышают 0,01. Исследование химического состава горных пород, почв, подземных и поверхностных вод различных ПТК позволяет выявить геохимические аномалии - участки территории, которые существенно отличаются концентрациями химических элементов или их соединений по сравнению с преобладающими значениями смежных участков и являются индикаторами месторождений полезных ископаемых или мест антропогенного загрязнения.

 

Вторая закономерность распространения химических элементов в ПТК состоит в их свойства мигрировать. Миграционная способность химических элементов определяется как внутренними, так и внешними факторами. К внутренним факторам относится способность химических элементов создавать химические соединения различной растворимости.

 

Элементы, которые активно вступают в реакции и создают различные химические соединения имеют высокую миграционную способность в горных породах, почвах, растениях, поверхностных и подземных водах. Они определяют характерные черты химического состава ПТК и называются типоморфных. Главные из них Si, Al, H, Na, Ca, Cl, Mg.

 

Типоморфнисть того или иного элемента определяется характером ПТК. Так, в степных ПТК типоморфных элементом является кальций, который определяет нейтральную или слабощелочную реакцию почвенных растворов. В ПТК тайги типоморфных элементом является водород, который обусловливает кислую среду и недостаток кальция в почвах. Типоморфных элементами пустынных ПТК является натрий и хлор. По преобладающей ролью определенного типоморфных элемента выделяют соответствующие типы ПТК, например: кислые (Н) и кислые глеевые (H-Fe) - в хвойных лесах; кальциевые (Ca) и кальций-натриевые (Ca-Na) - в степях; натриевые (Na ) и хлоридно-натриевые (Cl-Na) - в степных или пустынных впадинах с солончаками т.д. [63].

 

Неактивные химические элементы (цирконий, гафний, ниобий, тантал, платиноиды, инертные газы) почти не участвуют в реакциях и имеют незначительное влияние на свойства ПТК.

 

Главными внешними факторами миграционной способности химических элементов является физико-географические условия - температурный режим, влажность, рельеф и т.д. Температурные условия влияют на скорость химических реакций. От температуры воды зависит также миграционная активность элементов. В жарком климате она может быть более высокой, чем в тундре или зоне многолетней мерзлоты с их низкими температурами. Наличие воды является необходимым условием перехода химических элементов в растворы и включение их в миграционные потоки. В зависимости от формы движения материи выделяют четыре вида миграции химических элементов: механическую, физико-химическую, биогенную и техногенную. Механическая миграция включает россыпи, ветровую и водную эрозию. Физико-химическая миграция включает растворение, осаждение, сорбция и другие сложные процессы, протекающие с участием воды и воздуха. Поэтому физико-химическую миграцию разделяют на водную и воздушную. Биогенная миграция осуществляется в результате деятельности живых организмов. Техногенная миграция - это процессы перемещения, концентрации и рассеяния химических элементов под влиянием деятельности человека. Все формы миграции тесно связаны и встречаются практически повсеместно. Но при различных природных условий соотношение и роль различных видов миграции не одинаковы. Так, в пустынях возрастает роль механической миграции, а во влажных тропиках-физико-химической и биогенной миграции и т.д. Количественной оценке миграции элементов в ландшафте служит интенсивность миграции-количество химического элемента, которая переходит в подвижной состояние за единицу времени.

 

Если интенсивность миграции резко уменьшается на коротком расстоянии, это приводит к осадку мигрирующих элементов и вызывает их значительную концентрацию на определенном участке. Такие участки называют геохимическими барьерами. Они возникают в местах разгрузки подземных вод, на грани пород разного состава, на грани почвенных горизонтов, у подножия склонов и т.д.

 

Рудные тела некоторых месторождений полезных ископаемых образуются именно на геохимических барьерах. Классификация барьеров построена в соответствии с видами миграции химических элементов. Выделяют механические, физико-химические и биогеохимические барьеры.

 

Механические барьеры образуется в результате изменения рыхлых пород на плотные. Наиболее характерными они для элементов благородных металлов (Au, Те, Cr и др.).. Физико-химические барьеры связаны с изменением физических и химических условий миграции. Различают окислительный, восстановительный глеевых, восстановительный сероводородный, кислый, щелочной, нейтральный, испарительный, сорбционный и сульфатный физико-химические барьеры. Окислительный барьер формируется на пределы изменения восстановительной обстановки на окислительную. Наличие свободного кислорода и других окислителей приводит к образованию нерастворимых окисных соединений, что характерно для железа, марганца (ржавые пятна). Восстановительный глеевых барьер препятствует миграции восстановительных соединений селена, ванадия, урана, молибдена, кобальта, которые выпадают в осадок. Восстановительный сероводородный барьер формируется там, где созданы условия для образования сероводорода. Вступая в геохимическую реакцию с металлами, сероводород образует сульфиды металлов (FeS, PbS), которые выпадают в осадок. На этом барьере задерживается миграция Fe, V, Sn, Ni, Co, Cu, Pb, Cd, Hg, Se. Кислый бар 'Премьер формируется при изменении щелочной или нейтральной реакции на кислую. Такой барьер задерживает миграцию Si, Mo, Se, Hg, соединения которых в кислой среде слаборастворимые. Щелочной барьер образуется на границе изменения кислой или нейтральной реакции на щелочную. В условиях щелочной среды соединения Fe, Ca, Mg, Zn, Cu, Ni, Co, Pb, V, Cd переходят в слаборастворимые соединения. Нейтральный или кальциевый барьер образуется при наличии карбонатных пород или жестких вод, которые насыщены ионами С032. На барьере останавливается миграция Ca, Fe, Ва, Sr. Сульфатный барьер характерен для вод, которые обогащены сульфатными ионами. Здесь концентрируется Ва, Ca, Sr. Испарительный бар 'Премьер характерен для верхних горизонтов почв аридных ландшафтов. Вода с растворимыми соединениями движется вверх, испаряется, а элементы выпадают в виде хлоридных, сульфатных и карбонатных солей. Этот барьер прекращает миграцию всех растворимых в воде веществ. Сорбционный барьер проявляется в тех ландшафтах, в которых много коллоидных частиц (гумуса, глины). Он может осаждать практически все элементы, встречающиеся в растворе в ионной форме. Биогеохимические барьеры - это способность живых организмов содержать химические элементы.

 

Третья закономерность распространения химических элементов в ПТК заключается в том, что все процессы миграции, рассеянии и аккумуляции химических элементов обусловлены геохимическим сообщением ПТК.

 

Субаквальные (подводные) ЭЛ формируются днищах рек, озер, шельфовой зоне морей. Химические элементы приносятся сюда с твердым и жидким стоком из вышерасположенных EJI. Это имеет как положительные, так и отрицательные последствия. Принесенный сверху материал накапливается и подводные растения нередко лучше обеспечены минеральными веществами, чем надводные. Но иногда в водоемах может создаваться избыток вредных компонентов техногенного загрязнения-тяжелых металлов и синтетических органических соединений.

 

Транселювиальни ЭЛ - это верхние части склонов водоразделов, где происходит преимущественно транспортировки химических элементов. Элювиально-аккумулятивные ЭЛ - это нижние части склонов водоразделов, где происходит и транспортировки, накопления химических элементов. Аккумулятивно-элювиальные ЭЛ - это замкнутые понижения водоразделов с глубоким уровнем грунтовых вод, где вынос химических элементов происходит лишь с грунтовым стоком. Транссупераквальни ЭЛ - это склоны пониженных, подчиненных водоразделам междуречий, где происходит преимущественно транспортировки химических элементов. Трансаквальни ЭЛ-это днища рек, озер, морей с проточными водами, аквальных - днища озер с непроточных водами.

 

Согласно Б.Б.Полиновим, совокупность EJI, последовательно чередуются в пределах определенного геоморфологического элемента (водораздела, склона, террасы, днища водоема) и сходные по условиям миграции, составляет местный геохимический ландшафт или местность. Серия EJI, сменяющих друг друга в направлении от водораздела к днищу долины и связанные латеральным направлением миграционных потоков, формируют ландшафтно-геохимическую Катена (ЛГК) - простейшую, за М.А.Глазовською [63], каскадную ландшафтно-геохимическую систему - КЛГС. Совокупность ЛГК, которые ограничены общим водосборным бассейном, формирует ландшафтно-геохимическую арену (ЛГА).

31)

Процессы выветривания представляют собой сложный комплекс явлений, состоящий из механической дезинтеграции и химического преобразования вещества, в основном разложения и превращения боле сложных соединений в более простые, менее окисленных в более окисленные и часто в более растворимые.

Процессы выветривания в основном зависят от степени влажности и температуры и связанного и сними развития растительности, продукты разложения которой во влажном умеренно жарком или прохладном климате образуют почвенные кислоты(гуминовые и фульвокислоты), активно участвующие в химических процессах выветривания.

В самом важном для нашей проблемы цикле экзогенных процессов (выветривание - эрозия - перенос - осадкообразование) выветривание не обязательно приурочено к началу цикла. В зависимости от того, как протекают отдельные стадии, например от скорости эрозии и переноса, а также от среды (низменность это или океан), в которой происходит осадкообразование, выветривание может идти и на поздних стадиях цикла. На этот процесс сильно влияет состав атмосферы, так как для того, чтобы шло выветривание, порода и ее минералы должны постоянно соприкасаться с атмосферой (для остальных процессов цикла допустим перерыв в таком контакте на больший или меньший срок). Возвращаясь к процессу выветривания, надо сказать, что породы, выходящие на земную поверхность, подвергаются двум видам воздействия - физическому и химическому.

В настоящее время редко можно встретить чисто физическое выветривание. Оно происходит в очень холодных или в очень жарких и сухих районах - арктической тундре и пустынях. В арктических областях породы разрушает в основном морозное выветривание, а в пустынях - жара. В остальных же зонах Земли мы встречаем комбинированное, физико-химическое выветривание. Чаще всего химическое выветривание преобладает над физическим. Нередко влияние последнего малозаметно; тогда обычно говорят просто о химическом выветривании, пренебрегая ролью физического.

Различают несколько типов выветривания, которые могут преобладать в разной степени:

1. Физическое или механическое (трение, лёд, вода и ветер)

2. Химическое

3. Биологическое (органическое)

4. Радиационное (ионизирующее)