Модуль 2. Миграции химических элементов в биосфере
и геохимические барьеры

Тема 2.3. ОСОБЕННОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ МИГРАЦИИ

Давайте несколько подробнее рассмотрим особенности и геохимическую роль каждого вида миграции, а также действие некоторых геохимических барьеров, которые способствуют замедлению миграции и концентрации элементов.

Механическая миграция, как Вы уже знаете, происходит без изменений химического состава и физического состояния вещества. Процессы механической миграции включают два аспекта:

1. Перемещение масс газообразных (атмосфера, вулканические газы), жидких (наземные и подземные воды, магматические расплавы) и твёрдых (движение ледников, горнопородных масс и грунтов на склонах, блоков литосферы в тектонических процессах).
2. Миграция взвесей в газовых, жидких и твёрдых (ледники) средах. Это процесс циклический; он включает:
   • механическую дезинтеграцию горных пород и минералов;
   • механический перенос дезинтегрированного минерального вещества;
   • механическую дифференциацию в процессе переноса;
   • накопление перемещённых частиц.

Дезинтеграция – результат физического (температурного) выветривания. Наиболее интенсивна при максимальном контрасте дневных и ночных температур (горные области, районы без растительности – т.к. наличие растительного покрова, особенно лесной растительности, сглаживает температурные контрасты). В холодном климате дополняется морозным выветриванием.

Перенос осуществляется различными агентами: ветром, текучими водами, ледниками, иногда непосредственно под действием гравитации (на склонах). В наибольших масштабах осуществляется текучими водами, в меньшей мере – ветром. В высокогорных и полярных районах в современную эпоху большую роль играет ледниковый перенос. Все реки мира ежегодно поставляют в океан 15-16 млрд. т наносов (оценка масштабов переноса). Это только итоговый результат, массы переносимого и переотлагаемого материала внутри континентов не менее значительны.

В конечном счёте все виды переноса, кроме эолового – это прямой результат действия гравитационных сил. Поэтому Ферсман назвал механогенез «областью геохимического влияния силы тяжести».

Механическая дифференциация осуществляется благодаря непостоянству скоростей движения водных и воздушных потоков, переносящих частицы твёрдого вещества. Способность потока переносить частицы определённой массы определяется энергией потока. Она прямо пропорциональна массе воды и квадрату скорости течения. Поэтому зависимость процесса от скорости потока очень велика, и даже небольшие горные реки могут переносить крупную гальку и валуны.

При снижении скорости происходит механическое разделение частиц - крупные обломки остаются на дне, более мелкие переносятся дальше. Сначала происходит в основном разделение по размеру, но когда дело доходит до разделения песчаной фракции достаточно существенную роль начинает играть удельный вес минеральных частиц. Частицы близкого размера, но с разным удельным весом выпадают в осадок неодновременно. Так как минералы имеют и различный химический состав, результатом механической дифференциации оказывается и определённое различие в химизме. Это ещё и механизм формирования россыпных месторождений.

Другие причины возникновения различий в химическом составе при механическом водном переносе:

• Дифференциация по механической устойчивости: прогрессирующее механическое разрушение (истирание) менее устойчивых минералов в процессе переноса, и как следствие – более дальний перенос их более мелких частиц;
• Отделение минерального вещества, проходившего стадию химического выветривания (и, соответственно, химически изменённого) от продуктов чисто механического выветривания. Связано с тем, что частицы вещества, образующегося при процессах химического выветривания, относятся к наиболее мелкой фракции и накапливаются большей частью в глинистых осадках.

Коэффициенты концентрации элементов в глинах относительно песков очень различны. Co – 63, Ni – 34, As – 13, U – 8, Fe – 4,8, Al – 3,2, W – 1,1, Zr – 0,7, TR – 0,6, Si – 0,5.

При эоловом (ветровом) переносе дифференциация в большей мере механическая, но разделение песчаной и глинистой фракций тоже возможно.

В атмосфере обычными объектами механического переноса являются пыль, песок и соли. Песок переносится только на небольших высотах (первые метры). Пыль и микрочастицы соли – значительно выше, но основной объём тоже ограничен тропосферным переносом. Источники солей – как высохшие соляные озёра и солончаки, так и акватории соляных озёр и морей (испарение мелких брызг солёной воды, после чего частицы соли остаются в атмосфере). В условиях непромывного режима почв и грунтов соли, поступающие из атмосферы, могут в них накапливаться. Масштабы процесса могут быть очень значительны (пример – великая «соляная буря» на западе США в 1933 г.).

Другой пример – эоловый перенос вулканического пепла, представляющего собой глубинный материал, с иными концентрациями микроэлементов, чем в образованиях верхней части земной коры. Этот процесс оказывает прямое влияние на содержание этих микроэлементов в почвах и является природным механизмом повышения их плодородия.

Третий пример – разнос мелких частиц, образующихся в результате разрушения крупных метеоритов (иридиевые аномалии). Возможно влияние заражения атмосферы и почв космогенными токсикантами на вымирание некоторых видов живых организмов в геологическом прошлом.

Специфика переноса в твёрдых средах (ледникового) – это малые скорости процесса и полное отсутствие дифференциации вещества.

При механической миграции действуют геохимические барьеры:

• аэродинамический;
• гидродинамический;
• фильтрационный.

Физико-химическая миграция. Глубинные (эндогенные) процессы Прямого влияния на миграцию элементов в биосфере глубинные процессы, как правило, не оказывают (исключение составляют лишь области современного вулканизма). Но все глубинные процессы вносят очень большой вклад в формирование геохимической неоднородности литосферы, которая является неотьемлемой составной частью биосферы. Поэтому, чтобы получить представление о механизме формирования таких неоднородностей, надо хотя бы вкратце рассмотреть наиболее важные из эндогенных процессов.

Самый значительный вклад в создание геохимических неоднородностей в литосфере вносят две группы эндогенных процессов: магматические и гидротермальные.

Водная миграция. Водный перенос является ведущим для подавляющего большинства элементов в условиях биосферы. При этом именно вода, находясь в обратимых взаимоотношениях с горными породами, организмами, атмосферой обеспечивает интенсивное взаимодействие между всеми компонентами ландшафта (являясь «кровью ландшафта» по А.И. Перельману).

Масштабы водного переноса связаны с растворимостью химических соединений. Интенсивность процесса для каждого элемента определяется коэффициентом его водной миграции. Вынос элементов при этом происходит в зонах активной циркуляции проточных вод, а накопление – в конечных бассейнах стока (озёрные котловины, мировой океан). Надо иметь в виду, что для разных элементов в составе одного и того же растворимого соединения значения коэффициента могут быть очень различны. Пример – NaCl. В растворённой форме всегда будут переноситься эквивалентные количества катионов и анионов. Но если для Cl^- доля такой миграции будет весьма существенной по отношению к общему количеству его в ландшафте, то её удельный вес в миграции Na⁺ может значимой величиной не выражаться, так как кларк Na на два порядка выше.

Миграция ряда элементов имеет в значительной мере циклический характер. Они не только поступают с речными водами в океан, но и частично возвращаются из океана в атмосферу, а затем с атмосферными осадками возвращаются на сушу. Это, помимо самих О и Н – Cl, S, Na, Li, B, J и др.

Как Вы помните, в классификации А.Е. Перельмана (по особенностям миграции в гипергенных обстановках) водные мигранты подразделяются двояко: по степени подвижности и кроме того на катионогенные и анионогенные элементы. Подвижность определяется коэффициентом водной миграции (отношение содержания химического элемента в минеральном остатке воды к его содержанию во вмещающих породах).

K_X = (M_X/an_x)100,

где M_X – содержание элемента в воде, а – минерализация воды,
n_x- содержание элемента во вмещающей породе.

Дополнительные характеристики – постоянная или переменная валентность, подвижность или же способность осаждаться при различном типе химизма среды, интенсивность миграции в растворах с различными щелочно-кислотными условиями, интенсивность миграции с органическими комплексами. В дополнение ко всему элементы независимо от других признаков подразделяются по роли биогенного накопления в их миграции (существенная или несущественная).

Важнейшие геохимические барьеры при физико-химической миграции:

Окислительный барьер (резкое увеличение Eh) – накопление Fe, Mn, Co, S.

Восстановительные (сероводородный, глеевый – приток кислых вод в соответствующую среду) – накопление Cu, Au, Ag, S, Se, U, Mo.

Кислотные и щелочные – возникают на границах различных горизонтов.

Испарительный барьер

Сорбционные барьеры

Термодинамический барьер

В условиях встречного движения вод возникают двусторонние барьеры.

Возникновение барьеров может быть связано также с резкими изменениями температур, давлений и др. параметров.

Взаимодействие водной среды с атмосферой:

• испарение воды, поступление в атмосферу солевых частиц, аэрозольных взвесей с поверхности водоёмов;
• растворение газов, осаждение в воду атмосферной пыли и аэрозолей.

Взаимодействие гидросферы и атмосферы с литосферой:

1. Химическое выветривание. Реакции гидратации, окисления, карбонатизации.

   Разложение алюмосиликатов и образование глинистых минералов.

   Разложение Fe-содержащих силикатов приводит к образованию гидрооксидных соединений железа – Fe (OH)₃, FeOOH и др., присутствие которых придаёт выветрелому веществу бурую окраску, очень распространённую в условиях нашего умеренно влажного климата (пример столбовских сиенитов, которые буреют на выветрелой поверхности).

   В аридном климате существенную роль играет карбонатизация.

   Во влажном и жарком климате (экваториальном) химическое выветривание заходит наиболее далеко, до полного разложения алюмосиликатов на простые гидрооксиды (латеритные почвы).

2. Переход части минерального вещества в растворимые формы – и, соответственно, в водную среду.
3. Химическое осаждение растворённого минерального вещества, его возврат в литосферу.
4. Взаимодействие вещества, осаждаемого из грунтовых вод, с дезинтегрированным рыхлым материалом верхних уровней литосферы (почвы, кор выветривания, рыхлых осадков)  цементация. Образуются «уплотнённые» горизонты внутри почв и осадков (кремнистые, железистые, известковистые, огипсованные). В конечном счёте такой механизм приводит к формированию из рыхлых осадков осадочных горных пород.

Биогенная миграция. Взаимодействие между живым веществом и инертной материей Земли происходит в форме массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой. Именно процессы массобмена элементов объективно характеризуют геохимическую деятельность организмов. Подобные закономерные процессы миграции химических элементов, осуществляемые не под воздействием геологических факторов, а в результате жизнедеятельности организмов были названы В.И. Вернадским биогеохимическими.

Изучение закономерностей биогенной миграции химических элементов понимание планетарной (геологической) роли жизнедеятельности живых организмов стало возможным благодаря введению понятия «живого вещества». Пока наука XIX в. концентрировала всё внимание на изучении жизнедеятельности отдельных организмов, всё живое представлялось ничтожным по сравнению с могучими силами неживой природы. Считалось, что удел жизни – только приспосабливаться к тем условиям, которые создаются в природе физическими и химическими процессами, которым безоговорочно приписывалось ведущее значение.

Подвижность химических элементов в процессах, где ведущая роль принадлежит биогенной миграции, зависит как от формы нахождения этих элементов, так и от той роли, которую они выполняют в живых организмах. Растительные и животные организмы удерживают в своих тканях миллиарды тонн минеральных веществ. Чем больше биогенное значение химического элемента, тем в большей степени он захватывается живыми организмами и, следовательно, оказывается защищенным от выноса из почв грунтовыми и речными водами.

Подробнее некоторые особенности биогенной миграции, вопросы о геохимической роли живого вещества, общего биологического круговорота элементов и циклов отдельных элементов мы рассмотрим в следующей лекции

Техногенная миграция. С появлением человека и развитием человеческого общества появляется новый и самый сложный вид миграции химических элементов – техногенная миграция. Особенно быстро её роль возрастает последние два столетия (с начала промышленной революции). При этом многократно возрастает влияние техногенеза на природные процессы, техногенная нагрузка на природные системы, вплоть до биосферы в целом. Биосфера трансформируется и переходит в новое качество. В то же время люди до сих пор плохо знают законы, которым подчиняется техногенная миграция, механизмы влияния этих процессов на природные системы. Лишь в начале ХХ в. эти вопросы были поставлены В.И. Вернадским, и им же заложены концептуальные подходы к решению данного круга проблем. Но систематические исследования начались (и у нас, и за рубежом) только с 50-х годов ХХ в.

Концептуальная основа – идея перехода биосферы в качественно новое состояние: ноосферу (сферу разума). Подробнее этот вопрос мы рассмотрим, завершая этот курс.

Для характеристики техногенной миграции и связанного с нею распределения химических элементов на земной поверхности используются понятия:

1. Техногенные ореолы рассеяния.
2. Техногенные аномалии (выделяются в депонирующих, т.е. накапливающих средах и могут соответствовать ореолам рассеяния). Могут быть не только вредными, но и полезными. Например, те, которые являются результатом известкования кислых почв, что улучшает агрохимические свойства. Практикуется также непосредственное внесение дефицитных минеральных компонентов не в среду, а непосредственно в пищу животных и человека (пищевые добавки).
3. Техногенные потоки рассеяния (выделяются в транзитных средах – водах, воздухе, донных осадках водотоков).
4. Техногенные зоны выщелачивания. В большинстве связаны с выщелачиванием элементов из отвалов горнодобывающих предприятий. В этих случаях с ними могут быть связаны техногенные потоки рассеяния и ореолы загрязнения в сопряжённых ландшафтах, где выщелоченные компоненты будут накапливаться. Нередко выщелачивание применяется искусственно как технология извлечения минерального компонента из руд.
5. Техногенные геохимические барьеры. Понятие двоякого употребления, что не очень удобно. С одной стороны – так называют природные барьеры, на которых концентрируются элементы, попавшие в ландшафт в результате техногенной миграции. С другой – искусственно создаваемые барьеры для локализации загрязнения. Например, известковые валы, служащие для осаждения элементов, переносимых кислыми водами. Или искусственные сорбционные барьеры.

В общем виде эти процессы сводятся к изъятию элементов из одних ландшафтно-геохимических систем, их переносу и поступлению в другие ландшафтно-геохимические системы, включая и накопление в последних. Для этих процессов, как и собственно в биосфере, используется, главным образом, преобразованная солнечная энергия, причём формы её использования более разнообразны. Широко используется в том числе и солнечная энергия, аккумулированная в прошлые геологические эпохи (горючие полезные ископаемые). Используются и эндогенные источники энергии, в том числе и энергия радиоактивного распада, использование которой в таких масштабах чуждо биосфере и возможные последствия её применения ясны ещё далеко не в полной мере.

Выделяется два геохимических типа процессов техногенной миграции.

1. Миграция, унаследованная от биосферы, но техногенно изменённая. Это процессы, связанные с биологическим круговоротом, водной и воздушной миграцией элементов. Для их характеристики можно использовать те же понятия, которые разработаны применительно к процессам биогенной и физико-химической миграции.
2. Собственно техногенная миграция в формах, чуждых биосфере. Производство веществ, не существующих в природе, использование атомной энергии, перемещения вещества, подчиняющиеся социальным законам. Здесь требуется новый понятийный аппарат, который сейчас находится в стадии разработки.

Один из важнейших геохимических показателей техногенеза – технофильность химических элементов. Это отношение ежегодной добычи или производства элемента (в тоннах) к его кларку в литосфере. Таким образом, эта величина характеризует относительные масштабы извлечения элементы из природных сред в целях его промышленного использования человеком. При этом не учитываются параметры обратного выхода этих элементов из техногенного оборота, что делает показатель не вполне совершенным. То есть, в отличие от биофильности, этот показатель не является точным отражением концентрации элемента в продуктах техногенеза. (Ещё Вернадский отмечал, что абсолютная тенденция к концентрации на современном этапе ноосферогенеза характерна только для золота, остальные элементы в конечном счёте попадают в отходы производственной и бытовой деятельности и рассеиваются). Вторая особенность – динамичность показателя. В древности использовалось 18 элементов, в 18 веке – 28, к началу ХХ – около 70, а сейчас в техногенез вовлечены все известные элементы, плюс некоторые созданные искусственно элементы и изотопы. Развитие экономики и технологий приводит к постоянному изменению соотношения технофильности различных элементов. Сейчас наибольшая величина технофильности свойственна углероду, что характеризует интенсивность использования горючих полезных ископаемых. Высокие показатели – для фосфора, золота, свинца, цинка, меди… С другой стороны, низки величины технофильности для таких распространённых элементов, как магний, титан, и особенно – кремний. По существу это характеризует низкую степень использования этих элементов в техногенезе, что со временем, вероятно, изменится. Для кремния время этих изменений уже наступает в связи с началом внедрения керамики в качестве замены металлам и пластмассам (здесь лидирует Япония). В целом по мере развития науки и техники всё большей становится регулирующая роль кларка, так как богатые месторождения истощаются и со временем, видимо, человечество вынуждено будет перейти к извлечению элементов из пород, где их содержания ненамного отличаются от кларковых.

Установлено, что существуют циклы миграции: геохимические и биологические. Вопросы цикличности в техногенных процессах пока целенаправленно не изучались.

Круговороты химических элементов:

• геохимический круговорот является составной частью геологического круговорота вещества – большой круговорот (рис. 2.3.1 ).
• Биологический круговорот (БИК) связан с жизнедеятельностью организмов: питание и выделение, трофические цепочки, жизненный цикл) – малый круговорот (рис. 2.3.2) Далее, Вы узнаете, что БИК относительно замкнут лишь в пределах конкретных ландшафтов и биосферы в целом, но он не является полностью замкнутым, т.к. происходит перемещение вещества между ландшафтами, полное выведение части вещества из малого оборота в пределах географической оболочки как результат процессов осадконакопления – но сохранение его в большом круговороте;

Рис. 2.3.1 Схема геохимического (большого) круговорота

Рис. 2.3.2. Общая схема биологического круговорота (БИК)

Абиогенные циклы сложились на нашей планете значительно ранее биогенных. Они включают весь комплекс геологических, геохимических, гидрологических, атмосферных процессов.

Абиогенный геохимический круговорот включает накопление, удержание и перераспределение космической энергии Солнца на планете через нагревание водных масс, образование и конденсацию паров, выпадение атмосферных осадков и движение поверхностных и грунтовых вод по уклону от областей питания к областям испарения. Неравномерное нагревание воздуха и воды вызывает планетарные перемещения водных и воздушных масс, формирование градиентов плотности и давления, океанические течения и грандиозные процессы атмосферной циркуляции.

Эрозия, химическая денудация, транспортировка, перераспределение и накопление механических и химических осадков на суше и в океане.

В добиогенных геохимических круговоротах определяющая роль принадлежала водной и воздушной миграции и аккумуляции. На следующих лекциях мы более подробно остановимся на особенностях биогенной миграции элементов, рассмотрим основные геохимические функции живого вещества и особенности биологического круговорота вещества, а также познакомимся с циклами некоторых, наиболее важных для функционирования биосферы, химических элементов.