Тема 4. Особенности водной миграции элементов

Способы и модели переноса в подземных водах

Для обозначения процессов перемещения химических элементов в земной коре, ведущего к изменению их содержания (рассеяния или концентрации), А. Е. Ферсман ввел понятие «геохимическая миграция». Значительная роль в таких процессах принадлежит подземным водам, которые представляют собой сложные естественные растворы. Перемещение и трансформацию компонентов подземных вод, приводящие к изменению их содержания, соответственно, принято называть гидрогеохимической миграцией. При миграции речь идет не о движении всей массы воды (как это рассматривается в процессах фильтрации), а о взаимном перемещении отдельных компонентов подземных вод (химических, механических, биологических), определяющих их состав и свойства.

Конвективный перенос

В подземных водах зоны интенсивного водообмена, особенно при антропогенных воздействиях, основной формой переноса является вынужденная конвекция (конвективный перенос) мигрантов с движущимися частицами в потоке.

При описании конвективного переноса используется схема поршневого вытеснения, при котором усредняются скорости течения во внутрипоровом пространстве, т. е. предполагается, что в поровом сечении все частицы жидкости двигаются с одинаковой скоростью, равной средне й действительной скорости течения u = v/n₀ (где v — скорость фильтрации; n₀ — активная пористость породы).

Соответственно кинематическое уравнение конвективного переноса по схеме поршневого вытеснения для нейтрально й метки, т. е. мигранта, не вступающего во взаимодействие с породой и другими мигрантами, в любом направлении l имеет вид

dl/dt = v/n₀, (4.1)

где v — скорость фильтрации в расчетной точке по направлению расчетной траектории движения. Таким образом, для расчетов конвективного переноса необходимо построение поля скоростей фильтрации, которое производится путем решения соответствующей геофильтрационной задачи.

Диффузия

Микродисперсия представляет собой рассеивание границы раздела между смешивающимися жидкостями на молекулярном и внутрипоровом уровнях.

На молекулярном уровне микродисперсия обусловливается процессом молекулярной диффузии, которая создает noток мигранта, описываемый законом Фика:

v_d = —D_M, gradc, (-

где v_d — плотность диффузионного потока (количество вещеcтва, диффундирующего через единичную площадь потока в единицу времени); D_M — коэффициент молекулярной диффузии; с—концентрация мигранта.

D_m= n ^.10^-4 диффузия в свободной среде; D_m=n^.10^-5 – в пористой среде

Из размерности D_m получим: t = h²/D_m – время выравнивания концентраций на глубину h h,м t,сут t, годы

1 10⁵ 270

10 10⁷ 27000

100 10⁹ 2700000 и т. д.

Геологические примеры:

¤ сохранение информации о трансгресстях Балтийского моря

¤ информация об истории Черного моря в четвертичный период

¤ два типа гидрогеохимической зональности в Северодвинском артезианском бассейне.

Формы водной миграции элементов

По размерам мигрантов их можно разделить на три группы элементов, мигрирующих во взвешенной, коллоидной и растворенной формах.

Частицы, мигрирующие во взвешенной (механической) форме, имеют размеры от 0,0001 до 0,001 мм. В этой форме переносятся наиболее устойчивые минералы в тонкодисперсном виде, образующие россыпи при отложении из водных потоков (Au, Sn, HgS и др.).

Коллоидные частицы имеют размеры от 10^-5 до 10^-7 см и образуются при диспергировании и соединении молекулярных частиц. Это промежуточная форма состояния вещества между кристаллическим и истинным раствором.

Соединения Si, Al, Ti, Mn, Fe, составляющие до 84 % массового объема литосферы, плохо растворимы и образуют коллоидные осадки (золи, гели). Большая часть соединений Mn, As, Zr, Mo, Ti, V, Cr мигрирует в коллоидной форме. В этой форме часто мигрируют Сu, Zn, Pb, Ni, Со, Sn. Коллоиды сорбируют ионы и молекулы из растворов. Главными сорбентами являются гумусовые вещества, минеральные коллоиды (глина, SiO₂, Fe(OH)₃, А1(ОН)₃, МnO₂ и др.).

Для растворенной формы миграции вещества характерны размеры частиц менее 10^-7 мм. При этом миграция может происходить в виде нейтральных молекул, простых, сложных и комплексных ионов.

Нейтральные молекулы неорганических соединений образуются при взаимодействии разнозаряженных ионов (ZnSO₄, CuCl₂, CuSO₄, ZnCl₂, HgCl₂, NiS0₄, CaCl₂, FeCl₃, MnSO₄ и др.). Нейтральные органические комплексы (соединения металлов с органическими кислотами) изучены плохо, но их роль в миграции металлов, особенно в почвенном слое, видимо, весьма велика.

Ионные формы представлены простыми (Сu²⁺, Pb²⁺ , Zn²⁺ и др.), сложными (и др.) и комплексными ионами. В зависимости от физико-химической обстановки ионы могут менять свой знак. Например, цинк, медь, свинец, никель мигрируют в кислых водах в виде простых катионов, а в слабо кислых и щелочных водах в виде отрицательно заряженных или нейтральных комплексных соединений.

Комплексные соединения являются наиболее широко распространенной формой миграции. Они образуются при взаимодействии ионов металла-комплексообразователя с полярными молекулами или ионами противоположного заряда. Возникающие при этом химические связи не обусловлены образованием новых электронных пар. Центральное место в комлексном соединении занимает положительный ион-комплексообразователь. Непосредственно вокруг него размещено или координировано некоторое количество полярных молекул или отрицательных ионов, называемых аддендами. В водном растворе комплексное соединение диссоциирует на комплексный ион и ионы внешней сферы (противоионы).