Тема 3. Виды миграции. Механическая миграция.

Механическая миграция (механогенез) обусловлена работой рек, течений, ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и других факторов. В результате механогенеза в ландшафте образуются делювий, пролювий, аллювий, морена и др. виды отложений. Параметры механогенеза ( дальность переноса, мощность наносов, степень сортировки материала и др.) не зависят от химических свойств элементов, вовлеченных в данный вид миграции. Основное значение здесь приобретает величина, плотность и форма частиц. Частицы близкого размера и близкой плотности осаждаются вместе. В ходе механогенеза происходит дифференциация частиц по их размерам. Чем дальше участок, где переотлагается материал, располагается от вершины склона, тем более тонкий материал в нем накапливается. Т.к. частицы разной крупности имеют различный химический состав, то механогенез может приводить к глубоким химическим изменениям в ландшафте. Глинистые фракции почв и пород, по сравнению с песчаными, обычно содержат больше Fe, Al, Mn, Mg, K и адсорбированных на них микроэлементов V, Cr, Ni, Co, Cu и меньше SiO₂. Минералы Ti, Zr, Sn, W, Pt имеют большую плотность и трудно поддаются выветриванию. Они преимущественно входят в состав песчаной фракции. В результате, песчаные, пылеватые, глинистые отложения имеют различный химический состав. Пески, как правило, обогащены SiO_2, Ti (TiO₂ – рутил), Zr (ZrSiO₄ –циркон), Sn (SnO₂ ), Au, Pt, W, минералы которых имеют большую плотность и трудно поддаются выветриванию, и обеднены Fe, Al, Mn, Mg, микроэлементами.

В местах резкого уменьшения скорости механической миграции возникают механические геохимические барьеры (ГХБ). Примеры механических барьеров: золотые, платиновые, оловянные, алмазные, титановые россыпи.

Роль механогенеза особенно велика в ландшафтах с сухим климатом, в условиях расчлененного рельефа в ландшафтах с влажным климатом.

Физико-химическая миграция

Физико-химическая миграция осуществляется или в природных водах, или в атмосфере, поэтому ее можно разделить на водную и воздушную.

Водная миграция химических элементов. Вода – это «кровь» ландшафта, она находится в сложных обратимых взаимоотношениях с организмами, горными породами, атмосферой. Большинство химических элементов мигрирует в воде в ионной, молекулярной или коллоидной формах.

Ионы могут быть простые (K⁺ , Na⁺), сложные (SO₄^2- , CO₃^2-), комплексные [Cu(CO₃)₂]^2-,[UO₂(CO₃)₃]^4-. Среди ионов преобладают Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^- -- шестикомпонентный состав. Все воды содержат также ионы H⁺, OH^-. Их содержание обычно низкое (10^-5 -10^-8 г/л), но роль, которую они играют в ландшафте, чрезвычайно велика. Их соотношение определяет щелочно-кислотные условия системы. Содержание в водах таких распространенных в литосфере элементов, как Al, Mg, K, Si, P, Ti, а также всех редких и рассеянных элементов очень невелико. Ni, Co, Cu, Mo, Zn, U и др. редкие элементы обычно имеют концентрацию в водах 10^-5 -10^-7 г/л.

Важнейшими компонентами вод ландшафта являются растворенные газы: O₂, CO₂, H₂S.

Велика роль растворенного органического вещества. Почти все воды ландшафтов – биокосные тела, они содержат живое вещество. Т.о., природные воды представляют собой сочетание истинных растворов (ионных и молекулярных) и коллоидных растворов и суспензий.

Геохимическая активность воды в значительной степени определяется ее общей минерализацией – суммой растворенных минеральных веществ в литре воды. Она изменяется для природных вод от 0.02 до 400 г/л.

Таблица 2

Классификация природных вод по степени минерализации

класс вод	Минерализация (г/л)	Географическое распространение
Ультрапресные	< 0.1	Атм. осадки, поверхностные воды тундры, частично-тайги, влажных тропических и экваториальных лесов
Пресные	0.1 -1	Южная и средняя тайга, широколиственная леса, лесостепь, степь
Солоноватые	1-3	Ландшафты с аридным климатом
Соленые	3-35	Ландшафты с аридным климатом
Рассолы	>35	Воды морей и океанов

Чем выше минерализация воды, тем меньше ее способность растворять породы. В направлении от тундры и экваториальных лесов к зоне пустынь увеличивается минерализация вод, в этом же направлении изменяется химический состав воды – от гидрокарбонатно-кальциевого до хлоридного, сульфатного в пустынях.

Щелочно-кислотные условия (ЩКУ) природных вод определяются концентрацией H⁺, которую ввиду малых абсолютных величин выражают в виде отрицательного логарифма концентрации – показателя pH.

Таблица 3

Классификация природных вод по щелочно-кислотным условиям

Семейства вод	ЩКУ	Чем обусловлены ЩКУ
Сильнокислые	pH <3	Свободной серной (в районах добычи S), реже – соляной (в вулканических р-нах) к
Кислые и слабокислые	3< pH <6.5	Органические кислоты, CO2
Нейтральные и слабощелочные	6.5< pH<8.5	Ca(HCO3)
Сильнощелочные	pH>8.5	Na2CO3, Na(HCO3)

Т.о., в ландшафтах выделяются зоны сернокислого, кислого, нейтрального, слабощелочного и содового выщелачивания.

Элементы, наиболее подвижные в кислых средах: Ca, Sr, Ba, Ra, Cu, Zn, Cd и др. катионогенные элементы, т.е. элементы, образующие катионы, преимущественно – металлы.

Элементы, наиболее подвижные в щелочных средах: V⁵⁺, As⁵⁺, Se, Mo, Si, Ge и др. анионогенные элементы. Анионогенные и катионогенные элементы менее подвижны в нейтральных водах. Миграция Na, Li, Br, I и др. почти не контролируется pH.

Под действием промывного режима в почвах лесной зоны формируется кислотно-щелочная зональность. Она заключается в следующем: кислая или слабокислая реакция в горизонте А₁ сменяется нейтральной или слабощелочной в горизонте В. Повышение pH в горизонте В связано, в основном, с кислым выщелачиванием катионов из верхних горизонтов и их частичной аккумуляцией в нижних. Т.о., кислая среда в верхних горизонтах порождает щелочную в нижних.

Если увеличение pH происходит резко на границе горизонтов, т.е. кислая реакция сменяется щелочной на коротком расстоянии, там формируется щелочной барьер. На щелочном барьере могут концентрироваться Fe, Ca, Mg, Mn, Ba, Sr, Cr, Zn, Cu, Ni, Co, Pb, Cd и др. металлы. В общем случае щелочной барьер формируется при резком увеличении pH. Особенно контрастные щелочные барьеры возникают на контакте силикатных и карбонатных пород.

Менее характерны для ландшафтов кислые барьеры, возникающие при резком уменьшении pH. На кислом барьере осаждаются анионогенные элементы: Si, Se, Mo, Ge и др.

Окислительно-восстановительные условия (ОВУ) природных вод.

Окислением называется отдача электронов, а восстановлением – их приобретение. Окисление одного элемента, отдающего электроны, сопровождается восстановлением другого, приобретающего электроны.

Важнейшим окислителем в ландшафте является кислород атмосферы. Окислителями могут быть и другие элементы, способные принимать электроны: Fe(III), Mn(IV), S(VI), N(V) и др. Восстановителями являются элементы, способные отдавать электроны: Fe(II), S^2-, H₂, Mn(II), элементы в металлическом состоянии : Cu, As, Cr(III), V(III) и т.д. Важнейшими восстановителями в ландшафте являются органические вещества (органические кислоты и др.), Fe(II), H₂.

При изучении окислительно-восстановительных процессов важно учитывать величину Eh – окислительно-восстановительный потенциал, который характерен для данной природной системы, а также E_o -«стандартный потенциал». Eh и E_o измеряются в вольтах.

Ярким показателем смены ОВУ является переход Fe³⁺ в Fe²⁺,т.к. с ним связано изменение окраски пород и почв. Соединения Fe³⁺ имеют красную и бурую окраску, а соединения Fe²⁺ - голубовато-сизую. Учитывая высокий кларк Fe и легкую индикацию его окисленных и восстановленных соединений (по смене окраски), удобно поведение Fe положить в основу выделения окислительно-восстановительных обстановок в ландшафте: 1) окислительная;

2) восстановительная глеевая (без H₂S);

3) восстановительная сероводородная (с H₂S).

Окислительная обстановка характеризуется присутствием в водах свободного O₂, поступающего из воздуха. Eh>0.15 В, часто – выше 0.4 В; железо - в форме Fe³⁺.

Кислородные воды обладают высокой окислительной способностью, в них осуществляется микробиологическое окисление органических веществ до CO₂ и H₂O, протекают различные реакции окисления неорганических веществ – двухвалентных железа и марганца и других элементов. Хром, ванадий, сера, селен в высоких степенях окисления образуют растворимые соединения – хроматы, ванадаты, селенаты, сульфаты. Fe и Mn образуют труднорастворимые соединения Fe³⁺, Mn⁴⁺, что объясняет их слабую миграцию в таких ландшафтах.

Для каждого ландшафта можно установить определенную глубину кислородной поверхности, глубже которой вода уже не содержит свободного кислорода. В ряде случаев она совпадает с уровнем грунтовых вод.

Восстановительная глеевая обстановка (без H₂S) создается в пресных водах, не содержащих свободного кислорода, и богатых органическими остатками. Микроорганизмы окисляют органические вещества за счет кислорода органических и неорганических соединений. В водах появляются CH₄, Fe²⁺, H₂, Mn²⁺ и др. Так как воды содержат мало SO₄^2-, то сероводород не образуется. Высокую подвижность приобретают Fe и Mn, отчасти – другие металлы, входящие в состав органических комплексов. В почвах, коре выветривания развивается оглеение. Этот тип восстановительной обстановки характерен для болот влажнотропической, тундровой, таежной, лесостепной зон (Eh<0.4 В, местами <0).

Восстановительная сероводородная обстановка (с H₂S) создается в бескислородных водах, богатых SO₄^2-. Кислород, необходимый для окисления, микроорганизмы отнимают у Na₂SO₄ и других сульфатов. В результате происходит микробиологическое восстановление сульфатов и окисление органических веществ за счет отнятого у них кислорода. При этом развиваются сульфатредуцирующие бактерии, у которых этот процесс играет роль дыхательного акта, и таким путем они получают необходимую для жизни энергию.

C₆H₁₂O₆ + 3Na₂SO₄ →3CO₂ +3Na₂CO₃ +3H₂S +3H₂O +Q Дж

Микроорганизмы окисляют сахар за счет кислорода, содержащегося в Na₂SO₄ . В результате десульфуризации воды обогащаются H₂S (до 2 г/л), CO₂, в них понижается содержание SO₄^2-. Присутствие H₂S приводит к осаждению металлов, образующих нерастворимые сульфиды. Оглеение не развивается; в геохимическом отношении данная обстановка противоположна предыдущей (Eh <0, до -0.5 В). В ландшафтах эта обстановка встречается в солончаках и илах соленых озер степей и пустынь, в глубоких горизонтах подземных вод некоторых районов.

В природных системах ландшафта происходит закономерная смена ОВУ, образуется ОВ зональность. Наиболее восстановительные условия возникают в местах энергичного разложения органических веществ (в горизонте А почв, в верхней части илов и т.д.), более окислительные условия и рост Еh наблюдается глубже восстановительных (в гор. В, в глубоких частях илов).

С изменением ОВУ связано формирование геохимических барьеров (ГХБ). На участках резкой смены восстановительной обстановки на окислительную возникает окислительный кислородный барьер. Например, такой барьер формируется в местах выхода на поверхность глеевых вод, обогащенных Fe и Mn. Гидроксиды Fe и Mn осаждаются, образуя железо-марганцевые конкреции, болотные и озерные руды.

Там, где кислородные или глеевые воды контактируют с сероводородной средой, возникает восстановительный сероводородный барьер, на котором осаждаются многие металлы, образующие нерастворимые сульфиды, особенно, сульфиды Fe: пирит, маркозит (FeS₂), гидротроиллит (FeS∙nH₂O); реже - сульфиды Cu (халькозин, ковеллин), свинца (галенит), цинка (сфалерит) и т.д. Сероводородный барьер характерен для почв, грунтовых и пластовых вод.

При встрече кислородных вод с глеевой средой формируется глеевый барьер, на котором концентрируются U, Se, V, местами – Cu. Такие металлы, как Fe, Mn, Pb, Zn в этих условиях энергично мигрируют.

Комплексные соединения. Большинство металлов находятся в природных водах не в виде простых ионов, а в виде комплексных ионов типа Fe(OH)²⁺, [NaSO₄]^-, [UO₂(CO₃)₃]^4-. Например, уран: рН осаждения его гидроксида равен 4.2, однако он легко мигрирует в карбонатных водах. Объясняется это тем, что он, в составе комплексного аниона, образует растворимые комплексные ионы типа [UO₂(CO₃)₃]^4-. Многие элементы (Cu, Ag, Be, Sc, Y, отчасти – Zr, также образуют комплексные ионы и легко мигрируют в ландшафтах.

Многие металлы образуют органоминеральные комплексы с растворенными органическими веществами (РОВ). Миграция металлов в форме органоминеральных комплексов характерна для тайги, тундры и других ландшафтов влажного климата. Значительная часть Fe, Ni, Cu, Zn мигрируют в такой форме.

«Принцип подвижных компонентов»: роль элемента в ландшафте определяется его содержанием в среде и интенсивностью миграции. Распространенные элементы, наиболее интенсивно мигрирующие и накапливающиеся в ландшафте, являются типоморфными, в то время, как значение других элементов, активно мигрирующих, но все же менее подвижных или не способных к аккумуляции в данных условиях, второстепенно.

К типоморфным относятся следующие элементы или ионы: O₂, CO₂, H₂S, H⁺, OH^-, Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, CO₃^2-, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, Fe²⁺ и др. Один и тот же элемент типоморфен в одном ландшафте и нетипоморфен – в другом. Например, железо типоморфно в болотах лесной зоны, но мало активно в степях. Типоморфными обычно являются элементы с большими кларками.

Основные классы водной миграции определяются соотношением в воде типоморфных газов и ионов. Таблица «Классы водной миграции химических элементов» - см. стр.48 Н.К.Чертко «Геохимия ландшафта» (проработать самостоятельно).