Геохимия окружающей среды как наука. Основные геохимические понятия

 

Испарительные геохимические барьеры. Испарительные геохимические барьеры представляют собой участки, на которых увеличение концентрации химических элементов происходит в результате процессов испарения. Наиболее распространены они в регионах с засушливым климатом (пустынях, сухих степях и саваннах), но встречаются и в черноземных степях и даже лесостепях. В сухие периоды их временное появление возможно даже в тайге и тундре. Однако в этом случае в дождливый период идет промывание почв и аномальные концентрации химических элементов на испарительных барьерах могут исчезнуть.

Испарительные геохимические барьеры могут образовываться в различных окислительно-восстановительных условиях. Если в почве имеется глеевый горизонт, происходит глеевое засоление. Но гораздо чаще встречаются испарительные барьеры, сформировавшиеся (и формирующиеся) в условиях кислородной окислительной обстановки.

В условиях жаркого сухого климата, при относительно низком уровне грунтовых вод по вертикали возможно формирование двух испарительных барьеров. Верхний барьер образуется, как правило, на поверхности, нижний — непосредственно над уровнем грунтовых вод. Его образование связывается с началом испарения вод.

Если грунтовые воды располагаются достаточно глубоко и их уровень не подвержен большим колебаниям, возникает своеобразная солевая зональность (В.А. Ковда). Наиболее труднорастворимые соли концентрируются в нижних частях барьера, а легкорастворимые — в верхних. В результате образуются следующие горизонты испарительного барьера (снизу вверх): 1) карбонатный; 2) сульфатный, гипсовый; 3) хлоридно-сульфатный. На первом отлагаются труднорастворимые карбонаты, на втором — вместе с гипсом осаждаются Sr и Мо; на третьем — Mo, Zn, Си, Pb,  Ва, Sr. При близком к поверхности залегании грунтовых вод возможно совмещение всех трех горизонтов.

Большой хозяйственный ущерб наносится в результате образования испарительных барьеров на сельскохозяйственных угодьях. По имеющимся данным к настоящему времени из-за засоления полностью потеряно для сельского хозяйства около 20—25 млн га плодородных земель. На десятках миллионов гектаров в результате засоления значительно понижены урожаи.

Особые бедствия связаны с содовым засолением, которое переходит в ранг мировых проблем. Это связано с тем, что сода (Na2C03 и NaHC03), концентрирующаяся на так называемых содовых испарительных барьерах, вызывает многочисленные изменения в структуре и составе минеральной и органической частей почв. Величина рН может достигать значения 11. Возникающие при этом условия приближаются к абиотическим.

Примеры испарительных геохимических барьеров:

1. Наиболее простым и очень  распространенным примером образования испарительного геохимического барьера может быть засоление почв в результате поднятия грунтовых вод выше уровня их капиллярного подъема на поверхность. При поднявшемся уровне грунтовых вод часть их вместе с растворенными в них солями по капиллярам достигает поверхности почв. С поверхности идет атмосферное испарение вод, а растворенные соли накапливаются в почвах. Так происходит формирование испарительного геохимического барьера. Чем выше концентрация растворимых в воде солей, тем более мощной будет зона барьера и быстрее произойдет засоление почв.

2. К числу распространенных испарительных барьеров относятся и формирующиеся за счет непосредственного испарения растворов, находящихся на поверхности. Как правило, для функционирования таких барьеров необходимо в первую очередь наличие водоупоров, препятствующих более быстрому, чем испарение, просачиванию. В природных условиях такими водоупорами обычно являются глины и сланцы.

Формирование (и действие) описываемых барьеров можно рассматривать при испарении растворов и отложении солей в отшнурованных лагунах морей, а в миниатюре — при высыхании луж на плотных глинах. В результате подобного испарения происходит образование так называемых соляных озер. В периоды дождей и таяния снегов они представляют собой насыщенные растворы, а в засушливые периоды — залежи солей в бессточных котловинах. Таких озер много в Северо-Восточном Казахстане, в Алкамергенской зоне.

 

Сорбционные геохимические барьеры. Сорбционные геохимические барьеры формируются на участках встречи водного или газового потока с сорбентами. До последнего времени сорбционные барьеры выделялись только при миграции в водных потоках. Изучение миграции поллютантов техногенного происхождения показало большую роль сорбционных барьеров в концентрации в ландшафтах загрязняющих веществ при аэрозольном переносе. Правда, в большинстве подобных случаев мы имеем дело с комплексными (обычно сорбционными и механическими) барьерами.

Примеры сорбционных геохимических барьеров:

1. Наиболее часто встречающимися сорбционными барьерами являются участки, на которых водные растворы, как правило, с концентрацией ионов, далеко не достигающей насыщения (в этих случаях не идет осаждение их собственных минералов), встречаются с природными сорбентами. Среди последних резко преобладают глины, гумусовые вещества и гидроксиды Fe и Мn.

Рассматриваемые барьеры характерны для краевых зон болот (сорбентом является торф), гумусовых и глинистых горизонтов почв, коры выветривания. Гумус и глинистые частицы в основном определяют содержание в почвах сорбированных элементов, которое часто бывает чрезвычайно высоким. Так, в каолините концентрация сорбированной меди может доходить до 0,8%.

2. Сорбционные процессы, происходящие в Океане и речных водах (они относятся к числу основных процессов, очищающих воды от многих токсичных элементов), также можно рассматривать как формирование громадного сорбционного макробарьера.
3. Сорбционные барьеры таких же громадных размеров, как рассматриваемые выше в Океане, формируются и в атмосфере. Многочисленные аэрозоли природного и техногенного происхождения сорбируют молекулы определенных газов. В результате миграция этих газов существенно ограничивается, так как контролируется перемещением сорбировавших их аэрозолей и временем нахождения последних в атмосфере. Таким образом, идет формирование подвижного сорбционного барьера для целого ряда газов.

В свою очередь сорбированные молекулы газов создают вокруг аэрозолей своеобразную воздушную адсорбционную оболочку. Это позволяет аэрозолям (включая тонкую пыль), адсорбировавшим газы, находиться в воздухе не 5 суток, как обычно, а 40 суток. Увеличение срока нахождения в атмосфере пыли способствует увеличению дальности ее переноса от места поступления до места концентрации на механических барьерах. В итоге могут появиться геохимические аномалии (в первую очередь техногенные), оторванные от источников загрязнения.

 

Термодинамические геохимические барьеры. Формирование термодинамических барьеров происходит при довольно резком изменении давления и температуры в конкретных геохимических системах. К настоящему времени в биосфере природные термодинамические барьеры преобладают над техногенными. Последние, как правило, возникают в процессе выполнения отдельных технологических операций и пока существенного влияния на общее состояние биосферы не оказывают.

Примеры термодинамических геохимических барьеров:

1. Наиболее иллюстративным является  образование из растворов, продвигающихся по трещинам в горных породах, травертина (карбонат кальция). Процесс проходит при быстром палении давления, связанном с раскрытием трещин или приближением (выходом) на поверхность подземных гидрокарбонатно-кальциевых вод. Реакция осаждения кальцита может быть представлена следующей схемой:

Наибольшую известность получили травертины, образовавшиеся на термодинамических барьерах крупнейших курортов, связанных с минеральными водами (районы Эльбруса и Казбека, горы Горячей в Пятигорске, Карловых Вар).

Если формирование описываемых барьеров происходило в рудных районах, то продвигающиеся растворы обогащались рудными элементами, являющимися индикаторами оруднения в этих районах. При отложении на поверхности травертина вместе с ним выпадали из растворов и соответствующие металлы. Так, травертины Коксу-Текелийского полиметаллического района обогащены Pb и Zn.

2. На термодинамическом барьере, связанном с остыванием термальных минерализованных вод, разгружающихся во впадине Красного моря,  в результате падения давления и остывания происходят распад комплексных соединений и осаждение Pb, Zn, Si, Ca.

На барьерах, подобных описанному, но развивающихся на суше, происходит осаждение из гидротермальных растворов целого ряда металлов. Если концентрация достигает промышленной величины, образуются гак называемые низкотемпературные месторождения полезных ископаемых. Детальное изучение газов жидких включений в минералах позволило считать, что в растворах было много СО2. В результате быстрого падения давления содержание углекислого газа уменьшалось, комплексы разрушались, шло отложение кальцита и рудных минералов.

 

 Миграция химических элементов в почвенном профиле

 

В число важнейших процессов, обусловливающих распределение различных элементов в почвах, входят:

1. выщелачивание из почвы;
2. осаждение;
3. включение в минералы;
4. адсорбция компонентами почвы;
5. сорбция органическим веществом.

В почвенной среде одновременно протекают разнообразные процессы взаимодействия между твердыми и газообразной фазами почвы, живым веществом и почвенным раствором, от которых зависят доминирующая форма соединения элемента и характер его распределения между фазами (рис.).

 

Рис. Динамическое равновесие между компонентами почвы

 

К числу важнейших компонентов почв, связывающих тяжелые металлы, относятся силикаты и алюмосиликаты, оксиды, гидроксиды и минералы — соли.

Сорбционные свойства минеральной части почв обусловлены глинистой фракцией, представленной смесью различных глинистых минералов: слоистые алюмосиликаты, оксиды и гидроксиды различных элементов. К глинистым минералам относят каолиниты, смектиты, иллиты, хлориты, вермикулиты. Способность глинистых минералов стехиометрически связывать катионы металлов, обменивая их на другие катионы, называют емкостью катионного обмена. Глинистые минералы способны поглощать и анионы (молибдат-ион, например).

Многие элементы могут соосаждаться с карбонатами или сорбироваться преимущественно на оксидах железа и марганца, которые оседают на поверхности карбонатных частиц. Наибольшее сродство к карбонатам наблюдается у Со, Cd, Си, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, U и Zn. В почвах карбонаты могут стать основными поглотителями микроэлементов.

В аридных климатических зонах на миграцию и аккумуляцию химических элементов существенно влияют сульфиды, сульфаты и хлориды. Ионы металлов (Fe2+, Mn2+, Hg2+, Cu2+) образуют сульфиды, относительно устойчивые в кислых или нейтральных условиях при восстановительной среде. При этом другие тяжелые металлы (Cd, Co, Ni, Sn, Ti, Zn) способны легко соосаждаться с сульфидами железа Сульфиды тяжелых металлов могут окисляться в более мобильные сульфаты при улучшении условий аэрации почв.

Сульфиды тяжелых металлов довольно редки в почвах. Напротив, сульфаты часто присутствуют в почвах в окислительных условиях. Некоторые из них хорошо растворимы (например, CuS04) и активно участвуют в почвенных процессах. Хлориды металлов, как наиболее растворимые соли, обнаруживаются в почвах аридных и семиаридных климатических зон.

Накоплению тяжелых металлов в почве способствует также органическое вещество — гумус. Такие компоненты гумусовых веществ, как фульвокислоты, образуют комплексные соединения с металлами — фульваты тяжелых металлов. Гуминовые кислоты также способны образовывать гуматы, например меди, железа, никеля и других элементов.

При высоком содержании гумуса интенсивно образуются органо-металлические комплексы в коллоидной и растворимой формах, что обусловливает высокую степень их подвижности. При интенсивно промывном  режиме и низких значениях рН  соединения тяжелых металлов растворяются и переходят в ионную форму. На территориях, где преобладают почвы с высокой степенью засоления, можно ожидать образования труднорастворимых соединений, содержащих тяжелые металлы.

Тяжелые металлы и другие потенциально токсичные элементы обладают разной подвижностью в зависимости от кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условий в почвах.

В кислых почвах с преобладанием окислительных условий (почвы подзолистого ряда, хорошо дренированные) такие тяжелые металлы, как Cd и Hg, образуют легкоподвижные формы. Напротив, Pb, As, Se образуют малоподвижные соединения, способные накапливаться в гумусовых и иллювиальных горизонтах и негативно влиять на состояние почвенной биоты. Если в составе загрязняющих веществ присутствует сера, в восстановительных условиях создается вторичная сероводородная среда и многие металлы образуют нерастворимые или слаборастворимые сульфиды.

В заболоченных почвах Mo, V, As, Se присутствуют в малоподвижных формах. Значительная часть элементов в кислых заболоченных почвах присутствует в относительно подвижных и опасных для живого вещества формах; таковы соединения Pb, Cr, Ni, Со, Си, Zn, Cd и Hg.

В слабокислых и нейтральных почвах с хорошей аэрацией (дерново-подзолистые, серые, лесные, дерново-карбонатные) образуются труднорастворимые соединения свинца, особенно при известковании. В нейтральных почвах подвижны соединения Zn, V, As, Se, a Cd и Hg могут задерживаться в гумусовом и иллювиальных горизонтах.. По мере уменьшения кислотности опасность загрязнения почв перечисленными элементами увеличивается.

 

Особенности геохимии поверхностных вод суши

Принято совокупность компонентов, входящих в состав природных вод, условно делить на пять групп: