Геохимические барьеры

Миграция веществ с водой осуществляется во взвешенном, истинно растворимом и коллоидном состоянии. Характер и интенсивность этого процесса зависят от свойств самих веществ, а также условий, влияющих на накопление и передвижение воды, химического, минералогического и гранулометрического состава почвенно-грунтовой толщи, свойств и режимов почв. Из-за разнообразия земной поверхности эти условия на пути природных потоков очень изменчивы, в результате возникают участки, где изменение условий миграции приводит к уменьшению подвижности веществ и их накоплению. Такие участки, зоны гипергенеза, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции, приводящее к концентрации химических элементов, названы А.И. Перельманом геохимическими барьерами. Он выделяет три типа геохимических барьеров: биогеохимические, физико-химические и механические.
I. Биогеохимические барьеры являются участками биогенной аккумуляции элементов, необходимых для организмов (О, С, Н, Са, К, N, Si, Mg, Р, S, Na, CI, Fe, Ba, Sr, Mn, В, F, Zn, Rb, Сu, V, Ni, As, Co, Li, Mo, I, Se, Ra). Примерами таких барьеров могут служить растительный покров суши, гумусовые горизонты почв, колонии микроорганизмов, осуществляющие процессы преобразования соединений ряда элементов и, как следствие, их концентрацию (серобактерии, железобактерии и др.).
II. Физико-химические барьеры делят на следующие классы: 1) окислительные, 2) восстановительные, 3) сульфатный и карбонатный, 4) щелочной, 5) кислый, 6) испарительный, 7) адсорбционный, 8) термодинамический.
Окислительные барьеры возникают на участках смены восстановительных условий окислительными или менее окислительных более окислительными. В этом классе выделяют следующие виды окислительных барьеров в зависимости от того, какие элементы преимущественно аккумулируются в условиях конкретной окислительной обстановки:
а) железистый или железисто-марганцевый барьер возникает на контакте глеевых вод с кислородными водами или воздухом. В таких местах часто развиваются ожелезнение или омарганцевание за счет выпадения из вод гидроксидов Fe и Мn. Примером подобного механизма аккумуляции железа и марганца является формирование различного рода ожелезненных горизонтов вплоть до болотных руд (рудняка, ортштейна), а также микроскоплений в форме различных конкреций, бобовин, примазок, трубочек в результате возникновения кислородных барьеров. Очевидно, в этих процессах могут одновременно с физико-химическим фактором (окисление) участвовать и специфические микроорганизмы (железобактерии и др.), т.е. проявляется и биогеохимический барьер.
б) марганцевый барьер возникает преимущественно в легкопроницаемых породах (песчаные, гравелистые образования и др.), а также в болотных почвах степных и пустынных зон в условиях миграции слабощелочных (лишенных Fe) вод. Вследствие осаждения Мn на окислительном барьере обнаруживаются примазки гидроокислов Мn, черные, "омарганцованные" горизонты и т.п. без заметного ожелезнения;
в) серный барьер возникает в результате окисления сероводорода подземных или почвенно-грунтовых вод. Образование серных барьеров возможно при миграции сероводородсодержащих сбросных вод рисовых полей на территориях, сильно загрязненных продуктами нефтедобычи или транспортировки нефтепродуктов.
Восстановительные барьеры возникают в тех участках зоны гипергенеза, в частности почвенно-грунтовой толщи, где окислительные условия сменяются восстановительными или менее восстановительные резко восстановительными.
Различают две принципиально различные восстановительные среды - сульфидную (или сероводородную) и глесвую. В соответствии с этим выделяют сульфидный и глеевый восстановительные барьеры.
Сульфидный (сероводородный) барьер возникает в почвах и водоносных горизонтах, когда воды, характеризующиеся окислительными или глеевыми условиями, встречают на пути своего движения сероводород. Поскольку сульфиды характеризуются очень слабой растворимостью, то в этих условиях из мигрирующих растворов происходит выпадение соединений ряда металлов в нерастворимой форме. Сульфидный барьер служит зоной осаждения следующих элементов: Fe, V, Zn, Со, Pb, U, Ni, As, Cd, Hg, Ag, Se и, как видно, в том числе и основных тяжелых металлов, загрязняющих почву.
Глеевые барьеры возникают на участках резкой смены окислительной обстановки глеевой или же на контакте слабоглеевой и резкоглеевой среды. Этот барьер существенно отличается от сероводородного тем, что на нем не осаждаются Fe, Мn, Р и многие другие элементы с постоянной валентностью, осаждаемые в сероводородной среде. На глеевом барьере возможно осаждение урана (U6+ -U4+), селена (Se4+- Se2+), а также V, Сu, Ag.
Сульфатный и карбонатный барьеры возникают в местах встречи сульфатных и карбонатных вод с водами другого типа, содержащими значительные количества Са, Sr и Ва. Последние выпадают в осадок в форме сульфатов и карбонатов, вызывая огипсование, кальцитизацию и обогащение стронцием в зоне осаждения.
Щелочной барьер возникает на участках резкого повышения рН, в частности в местах смены кислых вод нейтральными или щелочными (или при смене сильнокислой среды слабокислой). С ним связано осаждение Fe, Са, Мn, Sr, V, Сr, Zn, Ni, Со, Pb, Са, т.е. большинства тяжелых металлов, загрязняющих почвенную среду. Наиболее часто щелочной барьер возникает на контакте бескарбонатных пород с известняками и другими карбонатными породами. При попадании кислых вод в известняки рН их резко повышается и металлы выпадают из растворов в виде вторичных минералов. Кислые воды в таежно-лесной зоне несут значительные количества растворенного Fe. Попадая на пути своего движения в породы, обогащенные карбонатами, или смешиваясь с жесткими бикарбонатными водами, они отдают из раствора осаждающееся в этих условиях железо.
В верхних горизонтах лесостепных и степных почв обычно создается слабокислая среда за счет разложения растительных остатков и образующейся углекислоты. При нисходящем движении такие подкисленные растворы достигают карбонатных горизонтов, на контакте с ними создается щелочной барьер и возникают условия для осаждения многих металлов.
Щелочной барьер чаще и резче выражен в сухом климате, где почвы и отложения всегда карбонатны (лессы, лессовидные суглинки и др.).
Кислый барьер чаще и резче выражен в местах резкого понижения рН, в частности, при смене нейтральной и щелочной реакции на кислую, может возникнуть и в кислом и щелочном интервале на участках сдвига рН в более кислую сторону. Так, растворенный кремнезем из щелочных вод, попадая в воды с кислой средой, выпадает из раствора.
Алюминий хорошо мигрирует в щелочной среде (в форме аниона). При понижении рН даже в пределах щелочных показателей (сильнощелочные - слабощелочные) возможно осаждение алюминия.
Испарительный барьер возникает на участках сильного испарения подземных и почвенно-грунтовых вод, из которых осаждаются растворенные соли. Так образуются солевые и гипсовые коры и солевые горизонты в солончаках и солончаковых почвах. Водорастворимые органо-минеральные комплексы могут выпадать при испарении в почве и закрепляться на различной глубине. С испарительным барьером может быть связано концентрирование Са, Na, К, Mg, F, S, Sr, Cl, Rb, Zn, Li, Ni, V, Mo.
Адсорбционные барьеры возникают на контакте пород и почв, богатых адсорбентами, с подземными водами, в растворе которых присутствуют различные ионы. В результате в глинах, торфах, углях и других адсорбентах, имеющих отрицательный заряд, возможно накопление различных катионов и анионов (Са, К, Mg, Р, S, Rb, V, Cr, Zn, Ni, Сu, Со, Pb, V, As, Mo, Hg, Ra).
Термодинамические барьеры возникают на участках резкого изменения температуры или давления, с которыми тесно связан газовый режим вод. Примером может служить выпадение из растворов бикарбоната кальция

при перемещении почвенных вод из более холодных слоев в теплые (потеря СО2).
III. Механические барьеры образуются на участках изменения скорости движения вод (или воздуха). С ними может быть связана концентрация многих элементов (F, Ti, Zn, Cr, Ne, Th, Та, Sn, W, Hf, Hg, Os, Pt, Rd, Au, Ru, Jr, Rh и др.).
Очень часто выпадение и концентрация тех или иных веществ является следствием одновременного действия нескольких геохимических барьеров, накладывающихся друг на друга.
Так, например, термодинамический барьер в местах выхода углекислых вод может совмещаться с кислородным, что приведет к выпадению не только СаСО3, но и железа в виде гидроксидов.
В гумусовом горизонте совмещаются биологический и адсорбционный барьеры.
Другим ярким примером совмещенного действия геохимических барьеров является аккумуляция различных веществ в болотных почвах притеррасной поймы (совмещение окислительного, биогеохимического, испарительного барьеров).
Такие комплексные барьеры называются по совокупности совмещающихся барьеров биосорбционным, кислородно-термодинамическим и т.п.
Геохимические барьеры сменяют друг друга в пространстве, что обусловливает сложную, многообразную картину распределения ландшафтно-геохимических полей со свойственными им геохимическими ассоциациями элементов. Понимание этих связей необходимо для прогнозирования техногенного геохимического воздействия на ландшафты и его регулирования. Для этого создаются карты миграции загрязнителей, карты районирования территорий по тенденции их аккумуляции и возможной интенсивности деструкции.

---