Геохимические барьеры

В конечном счете интенсивность миграции зависит от конкретных ландшафтно - геохимических условий, т.е. от сочетания гидрометеорологических, литогеохимических и почвенно - ботанических характеристик конкретной территории.

Интенсивность миграции (масса вещества переносимого потоком в единицу времени) определяется скоростью обмена и перераспределения химических элементов между компонентами природной среды. Она зависит как от свойств мигрирующих элементов (внутренние факторы), так и от физических, физико - химических и биологических свойств природных систем (внешние факторы), обуславливающих то или иное соотношение между скоростями перехода элементов в подвижное (мобильное) состояние, скоростями их транспортировки и осаждения из миграционного потока.

 

Количественно интенсивность миграции может быть выражена в виде какого-либо коэффициента, сопоставляющего содержание химических элементов в фиксированном наблюдении (место, момент времени) по отношению к такому же состоянию объекта, принимаемого за базовое [ 8,9 ].

Обычно за базовое состояние принимается исходное, до начала геохимического преобразования, либо аналогичный геохимический объект, не затронутый исследуемым геохимическим процессом.

В этом случае количественно интенсивность миграции оценивается величиной коэффициента концентрации (Кк):

 

Кк = Сэ ф ,

 

где Сэ - концентрация химического элемента при фиксированном наблюдении;

Сф - концентрация химического элемента при базовом состоянии объекта.

Коэффициент концентрации, определенный по отношению к геохимическому фону исследуемой территории, называется коэффициентом аномальности. Если коэффициент концентрации определяется по отношению к кларку элемента для соответствующей геосферы, то он носит название кларка концентрации.

Миграционные потоки химических элементов играют основную роль в загрязнении биосферы продуктами техногенеза. В.И.Вернадским было показано, что проблема антропогенного воздействия на окружающую природную среду является проблемой геохимической и биогеохимической миграции химических элементов. В качестве нового для биосферы вида геохимической миграции В.И.Вернадский выделял биогенную миграцию элементов, вызванную человеческой деятельностью. Огромная интенсивность этой миграции позволила сформулировать положение о сопоставимости деятельности человека с геологическими процессами.

А.Е.Ферсман, назвавший промышленное геохимическое воздействие на окружающую среду техногенезом, на примере распределения годовой добычи металлов наглядно показал, что их концентрирование при переработке руд и последующем хозяйственном использовании - временный, промежуточный этап процесса, конечным итогом которого является безвозвратное распыление, рассеивание вещества. А.Е.Ферсман также отмечал, что геохимическая миграция, обусловленная деятельностью человека, превышает по скорости природные процессы геохимической миграции.

Многочисленные исследования, проведенные в последнее время, показывают соизмеримость масс транспортируемого в природе вещества (речной сток и атмосферный аэрозоль) с массами антропогенного происхождения.

Так, при общем природном транспорте вещества речным стоком в 19 ×109 т/год антропогенный вклад - 2 ×109 т/год (более 10%). Для атмосферы антропогенный вклад по пыли составляет 5 - 10% от общего ее количества в атмосфере.

Химические элементы, поступающие в биосферу в результате техногенеза, в большинстве своем не включаются в процессы самоочищения. В ходе своей миграции они меняют лишь уровень своего содержания или формы нахождения в том или ином объекте биосферы. Включаясь во все типы миграционных потоков и биологические круговороты, они неизбежно приводят к загрязнению важнейших жизнеобеспечивающих природных сред: воздуха, воды, пищи. Особую опасность представляют миграционные потоки так называемых "тяжелых металлов" (Cu, Zn, Cd, Hg, Pb, Co, Ni и др.). Вследствие очень низких кларков этих элементов в биосфере живые организмы не способны адаптироваться к их высоким концентрациям, поэтому токсичность этих элементов для живых организмов проявляется уже на клеточном уровне, воздействуя на аппарат наследственности

 

 

Геохимическими барьерами называются участки биосферы, где на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрирование. На геохимических барьерах образуются рудные и безрудные аномалии.

Согласно современным представлениям, различают следующие геохимические барьеры в биосфере:

· физико-химический;

· механический;

· биогеохимический;

· техногенный (социальный).

Первые три типа геохимических барьеров существовали в биосфере до возникновения человеческой цивилизации. Последний, техногенный, появляется в результате целенаправленного воздействия человека на окружающую среду и его роль все возрастает.

Ф и з и к о - х и м и ч е с к и е барьеры - наиболее обширный тип геохимических барьеров, обусловлен изменением интенсивности миграционных потоков элементов в результате протекания различных физико-химических процессов в литосфере и гидросфере.

М е х а н и ч е с к и й барьер - участок резкого уменьшения интенсивности механической миграции химических элементов. На таких барьерах формируются золотые, платиновые, оловянные, монацитовые, алмазные и прочии россыпи. Такого типа барьеры образуются на путях распространения литохимических потоков рассеивания в результате уменьшения скорости и несущей способности потока и, как следствие, выпадения тяжелой фракции.

Б и о г е о х и м и ч е с к и й барьерсвязан с биогенным концентрированием химических элементов. Примером такого барьера является верхний гумусовый слой почвы, где концентрируются металлы в результате образования различных малорастворимых металлоорганических соединений. На биогеохимических барьерах образуются залежи горючих ископаемых (концентрируется углерод) - угля, торфа, нефти. С биогеохимическим барьером также связано образование залежей известняка, фосфоритов, селитры ( концентрируются углерод, кальций, азот, фосфор).

Т е х н о г е н н ы е геохимические барьерысвязаны с деятельностью человека, приводящей к образованию техногенных потоков рассеивания химических элементов и их концентрированию в различных геосферах. Ярким примером является складирование и захоронение отходов, в которых содержание химических элементов в десятки и сотни раз превышает их кларковые в литосфере.

Геохимические барьеры могут существенно отличаться друг от друга не только концентрациями определенных элементов, но и величиной (размерами) самих барьеров.

По этому критерию А.И. Перельманом [4] были выделены макро-, мезо- и микробарьеры.

Макробарьеры имеют ширину до первых километров, а длину тысячи километров. Примером таких барьеров являются современные и древние зоны смешения речных и морских вод.

Мезобарьеры имеют протяженность до десятков километров при ширине до сотен метров. Их примером являются краевые зоны болот, где происходит концентрирование многих элементов, выносимых с водоразделов.

Размеры микробарьеров колеблются от нескольких миллиметров до нескольких метров. Примером таких барьеров являются выходы на поверхность грунтовых глеевых вод, из которых под действием кислорода воздуха отлагается гидроксид трехвалентного железа Fe(OH)3.

Понятие о геохимических барьерах относится к числу важнейших в геохимии. Их изучение началось сравнительно недавно (во второй половине 20-го века), многие особенности накопления на них химических элементов еще до конца не выяснены.

К числу важнейших количественных параметров геохимических барьеров относится градиент барьера (G) [4]:

,

где m1, m2 – числовое выражение величины одного из показателей, характеризующих изменение геохимической обстановке на барьере, соответственно перед и за барьером.

L – мощность (ширина) барьера.

 

К числу показателей, характеризующих изменение геохимической обстановки могут относится значения рН, температуры, Eh, концентрация растворенного кислорода и т.д.

Другой характеристикой геохимического барьера является контрастность барьера (S) [4]:

,

где Са – среднее содержание рассматриваемого элемента на геохимическом барьере;

Сф – фоновое содержание элемента в ландшафте (определенном типе горных пород, почв, осадков, вод и т.д.), аналогичном тому, в котором расположен данный геохимический барьер.