В курсовой работе рассматривается введенное в естественные науки в 1961 году академиком А. И. Перельманом новое фундаментальное понятие геохимические барьеры
 Скачать 0.57 Mb.
|
|
2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ Сероводородные барьеры При резком понижении величины Eh возникают восстановительные геохимические барьеры. Если на таких барьерах осаждение химических элементов происходит с участием H2S (в виде газа или водного раствора), то барьер считается сероводородным. В таблице 1, приведенной на демонстрационном листе, показано, что на сероводородном барьере происходит осаждение химических элементов, поступающих с кислородными и глеевыми водами, имеющими разные кислотно–щелочные характеристики. В биосфере такие воды находятся в изобилии, а следовательно, появление сероводородных барьеров лимитируется наличием самого сероводорода. В зонах сероводородного заражения (а H2S может находиться в них в виде раствора и газа) происходит реакция взаимодействия H2S с растворенными солями и металлами в самородном состоянии. Ее результатом является образование труднорастворимых сульфидов. Так формируются сероводородные барьеры. Глобальное распространение и генетическое разнообразие таких барьеров в биосфере позволяет объединять сероводородные барьеры по отношению к породам (осадкам), в которых они образуются и где происходит отложение сульфидов. При таком подходе в биосфере можно выделить осадочно-диагенетические сероводородные и эпигенетические барьеры. Кроме них можно говорить о магматическом барьере, выходящем за пределы биосферы. Такое подразделение имеет и определенный геохимический смысл: есть некоторые различия в изотопном составе серы сульфидов, образующихся на этих барьерах. Осадочно-диагенетические сероводородные барьеры возникают в осадках при бактериальном разложении в них органического вещества. Эпигенетические сероводородные барьеры возникают в уже сформировавшихся горных породах и отличаются генетическим разнообразием, хотя все формируются благодаря жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий. Магматический сероводородный барьер находится за пределами биосферы, и мы можем изучать лишь образовавшиеся на нем сульфиды. В зависимости от генезиса магмы и источников в ней серы, изотопный состав серы в сульфидах бывает различным, и все же в подавляющем большинстве случаев он близок к среднему для Земли или относится к слегка утяжеленному – от 4 до 6‰ (В.И. Виноградов). Важным является тот факт, что сероводородный барьер является одним из основных барьеров, на которых формируются разные месторождения, то есть участки с аномально высокими концентрациями и большими запасами Pb, Zn, Cu, Cd, Ag, Mo, Hg, As, Sb, Ni. Следует отметить, что сероводородные геохимические барьеры могут возникнуть как природным путем, так и быть обусловленными загрязнениями антропогенного характера. Так как целью работы является рассмотреть роль геохимических барьеров как показателей загрязнения земельных ресурсов, то будут приведены примеры природных сероводородных барьеров, имеющих в своем генезисе антропогенный фактор. Довольно крупные природные и техногенные сероводородные геохимические барьеры формировались и формируются в настоящее время в дельтах крупных рек. Показательно будет рассмотреть процесс образования барьера на примере реки Дон (рисунок 3 на демонстрационном листе). При впадении ее в Таганрогский залив Азовского моря сульфатами обогащены не только воды реки, но и илы. Этому способствует «ветровой нагон» морской воды в реку на десятки километров. В таких условиях (по данным анализа илов) выделен ландшафт с сульфатно-сульфидно-кальциево-натриевым классом водной миграции. Таким образом, имеется постоянный источник серы в водах и илах участка. Есть и все предпосылки для широкого развития сульфатредуцирующих бактерий. Это в первую очередь достаточно теплый климат и обилие органических веществ, связанных с буйной растительностью камышово-рогозово-тростниковой формации. Вырабатываемого бактериями в дельте H2S столько, что его не успевают окислить кислородные воды даже такой крупной реки, как Дон. В илах возникает восстановительная сероводородная обстановка. Начинаясь у обоих берегов, она охватывает 2/3 площади реки, лишь в районе сильного течения остается место для глеевой обстановки в донных отложениях. На границе сероводородных илов и кислородных вод формируется нормальный сероводородный барьер с накоплением сульфидом таким металлов, как Fe, Cu, Pb, Zn, Cd, Ag и другие. При практически неподвижном барьере миграционным потоком и источником осаждающихся металлов являются воды реки. Их (металлов) концентрация в донных отложениях, в соответствии с формулой Перельмана, будет обратно пропорциональна общему количеству материала, отложившегося на барьере. Следовательно, даже при концентрациях определенных металлов, обычных для поверхностных вод континентов, на аналогичном барьере концентрация этих металлов может соответствовать промышленной концентрации. С подобным процессом в прошлом связывается образование многих стратифицированных месторождений меди. Своеобразное строение рассматриваемого сероводородного барьера, переходящего в центральной части в глеевый, создает предпосылки для зонального строения формирующейся рудной залежи. Постепенное горизонтальное продвижение дельты (обычное явление для многих рек) осложняет рудную зональность и в итоге может привести к зональности, соответствующей наблюдаемой на известных месторождениях. В рассматриваемом примере на природном геохимическом барьере постоянно отлагается довольно много материала, переносимого в реке. Концентрация тяжелых металлов в донных отложениях в большой мере зависит от содержания их в водах реки, а следовательно, от количества промышленных сбросов в реку. Таким образом, в данном случае мы имеем дело с формированием на природном сероводородном барьере антропогенных геохимических аномалий тяжелых металлов. Выше по течению той же реки Дон имеет место уже не природный, а техногенный сероводородный барьер, подобный ранее описанному. Источниками серы в этом случае являются сульфаты, поступающие в реку с нагонными течениями из Азовского моря и со сбросами промышленных предприятий Ростова и Аксая. Природные сообщества планктонных водорослей (а именно они развиты в этой части реки) не создают достаточного количества органических соединений для жизнедеятельности большого числа бактерий, и основной объем органики поступают с бытовыми стоками городов Аксай и Ростов. В этих условиях формируется сероводородный барьер. Концентрирующиеся на нем металлы имеют в основном тоже техногенное происхождение. Образование таких барьеров в реках у крупных населенных пунктов – явление аномальное и опасное. Во-первых, сам H2S, накапливающийся в илах, - это сильный яд для большинства живых организмов. Во-вторых, тяжелые металлы, осевшие из вод в илы, постепенно поступают в растительные и животные организмы (включая человека), вызывая их отравление. Кислородные барьеры К числу получивших наибольших наибольшее распространение в биосфере относятся и кислородные геохимические барьеры. Объясняется это тем, что такие барьеры образуются каждый раз, как только миграционные потоки с бескислородными водами (глеевыми или сероводородными) попадают в зоны со свободным кислородом. Поскольку такими зонами являются практически вся атмосфера (в том числе значительная часть почвенной атмосферы) и верхние горизонты большинства поверхностных вод (включая воды океана), то формирование кислородных барьеров на земной поверхности лимитируется в основном наличием миграционного потока бескислородных вод. Окислительный барьер может также возникнуть при смене резковосстановительных условий слабовосстановительными и слабоокислительных – резкоокислительными. В этих случаях резко увеличивается значение Eh. Из металлов на кислородных барьерах осаждаются железо и марганец с переменной валентностью и совместно с ними, но гораздо реже кобальт. Кроме этих металлов на кислородных барьерах могут концентрироваться сера и селен. Это происходит в тех случаях, когда к кислородному барьеру подходит поток сероводородных вод. Примеры кислородных геохимических барьеров: На многих сероводородных источниках видны образование и осаждение своеобразных «хлопьев» серы. Это явление связано с окислением (часто с участием серобактерий) сероводорода до свободной серы. Данный процесс можно представлять как аналог формирования более древних месторождений серы (смотри рисунок 2 на демонстрационном листе). Примером таких месторождений является Шорсу в Ферганской долине. Один из наиболее распространенных кислородных барьеров – барьер, образуемый в результате окисления глеевых вод, поступающих на поверхность по разрывным нарушениям. На поверхности такие барьеры представляют собой железные шляпы, состоящие в основном из гематита и гидрогетита (лимонита). Одним из районов широкого распространения железных шляп, приуроченных к кислородным барьерам, является Джунгарский Алатау (Южный Казахстан). Железные шляпы встречаются по зонам нарушения в углистых сланцах и известняках, часто содержащих рассеянный пирит. В плане рассматриваемые железные шляпы представляют собой линзообразные тела размером до 10 на 100 метров, обычно вытянутые вдоль зон разломов. Примером техногенного кислородного барьера (с локальной зоной воздействия, но развитый во многих горно-рудных районах), может послужить барьер, формирующийся в зоне отлива глеевых шахтных (рудничных) вод. В этих случаях идет (пока в миниатюре) процесс, аналогичный формированию природных «железных шляп». Рассматриваемый кислородный барьер постепенно становится комплексным (раздел 6), так как происходит наложение сорбционного (в основном коллоидами Fe[OH]3), а часто и щелочного барьера. Таким образом, на относительно небольшом участке концентрируется целый ряд металлов, выносимых с шахтными водами. К кислородным барьерам можно отнести и многочисленные родники с выходами на поверхность глеевых вод. Дно таких родников обычно сплошь покрыто оседающими рыхлыми гидроксидами железа, из-за чего сами воды часто получают название «железистых» или «железных вод». К их числу относят известные «железные воды» на курорте Горячий Ключ (Западный Кавказ). Своеобразные кислородные микробарьеры в луговых и болотных почвах были изучены В.В. Добровольским (1966). Он описал трубчатые железистые стяжения в почвах Европейской части России. Их диаметр колеблется от 0,5 до 3 сантиметров при длине 3,8 сантиметра. Такие стяжения формируются вокруг отмерших корней растений, по которым атмосферный кислород проникал в оглееные горизонты. Следует отметить, что этот вид геохимических барьеров крайне редко может служить показателем антропогенного загрязнения земельных ресурсов, так как к настоящему времени в пределах биосферы среди кислородных барьеров преобладают природные. Но среди имеющихся техногенных на одном из первых мест по площади развития стоят барьеры, образующиеся при осушении болот. В этот период глеевая обстановка, характерная для болот, сменяется кислородной. И хотя продолжительность существования таких барьеров мала (даже в истории человечества), эколого-геохимические последствия перехода на больших территориях от глеевой обстановки к кислородной чрезвычайно велики. Не все из них еще изучены, однако изменение интенсивности водной миграции железа, марганца и кобальта на больших площадях осушиваемых болот фиксируется довольно четко. Глеевые барьеры Глеевые барьеры возникают в тех случаях, когда на участки с восстановительной бессероводродной обстановкой попадает поток кислородных или глеевых вод. При этом щелочно-кислотное состояние этих вод может быть различным. Если на барьер поступают глеевые воды, слабоглеевая обстановка должна сменяться сильноглеевой. Это происходит при понижении величины Eh. К настоящему времени теоретически обосновано появление таких глеевых барьеров в биосфере, но пока они в природных условиях практически не изучены. Глеевые условия обычно возникают на участках разложения органических веществ без доступа кислорода или при его недостаточном поступлении, а также в зонах поступления водорода по разломам из глубинных слоев. Показателями глеевой обстановки может служить наличие углеводородов (чаще всего CH4), а в водных потоках, кроме того, растворенных органических соединений, Fe2+,H2. Горные породы глеевой обстановки имеют белую, сизую, серую и зеленую окраски. При переходе Fe2+ в Fe3+ окраска резко меняется, становясь ржаво-бурой. Примеры глеевых барьеров: К числу наиболее распространенных глеевых барьеров относятся краевые части болот. Из поверхностных кислородных вод в этих частях, при смене окислительной обстановки глеевой начинается осаждение таких элементов, как Cu, Mo, U, Ag, Cr, V, As. На глеевых барьерах, как правило, четко выражена их двусторонность. Кроме рассмотренного потока кислородных вод, из глеевой зоны идет встречная миграция элементов, подвижных в бескислородной обстановке. К их числу относится Со, концентрирующийся за пределами глеевой зоны на кислородном барьере. Своеобразные глеевые барьеры встречаются в западинах с солодями в лесостепях. Сами барьеры в таких условиях (осолоделые горизонты отличаются большой степенью выщелачивания высокодисперсных и водорастворимых компонентов, которые аккумулируются в лежащих ниже горизонтах вмывания) обычно расположены в нижней части гумусового горизонта. На рассматриваемых барьерах наиболее энергично накапливается молибден. Его содержание на барьере может быть в 8-10 раз выше, чем в лежащих выше («кислородных») почвах. Щелочные барьеры На участках, где кислая среда сменяется щелочной, слабощелочная – резкощелочной или сильнокислая – слабокислой, начинают формироваться щелочные геохимические барьеры. Другими словами, щелочные барьеры возникают при резком скачкообразном увеличении значений pH. В этих условиях из водных растворов на щелочных барьерах осаждаются многие минералы, относящиеся к карбонатам, гидроксидам, фосфатам. Примеры щелочных геохимических барьеров: Формирование кислых природных растворов часто связано с окислением сульфидных руд. Величина рН таких вод , по данным многочисленных исследований, может уменьшатся до 2,6-3,0. Если же недалеко от рудных тел есть карбонатные породы, то в результате их взаимодействия рН растворов, мигрирующих от сульфидных руд, резко повышается. На небольшом расстоянии кислые воды (рН=2,6) становятся нейтральными (рН=7,0) и даже слабощелочными. Кислые воды сульфидных полиметаллических месторождений, как правило, обогащены Cu, Zn, Fe, Pb. Так, в водах полиметаллических месторождений Джунгарского Алатау концентрации Pb и Zn достигают 90-100 мкг/литр. При поступлении таких вод в карбонатные породы и смешивании их с так называемыми «фоновыми водами» на щелочных барьерах происходит отложение сульфатов цинка, железа, свинца. Щелочные барьеры образуются и на контакте ультраосновных пород с известняками в результате боковой миграции кислых вод (смотри рис.4 на демонстрационном листе). Так как кислые водные потоки, мигрирующие из ультраосновных пород, обогащены никелем и кобальтом, концентрации этих металлов на щелочном барьере могли стать основой некоторых гипергенных месторождений. Довольно часто щелочные геохимические барьеры формируются в районах с шахтной отработкой месторождений полезных ископаемых. Откачиваемые из штолен и шахт воды представляют собою техногенный поток кислых растворов целого ряда химических элементов. При смешивании этих растворов с нейтральными и слабощелочными поверхностными и подземными водами биосферы, а особенно при взаимодействии шахтных вод с карбонатными породами образуются многочисленные щелочные барьеры. На них, в зависимости от минералогических и геохимических особенностей отрабатываемых месторождений, осаждаются многие тяжелые металлы, особо токсичные в высоких концентрациях: свинец, кадмий, цинк, ртуть, кобальт и другие (смотри таблица 1 на демонстрационном листе, барьер Д-6). Кислые барьеры Кислые геохимические барьеры формируются в тех случаях, когда нейтральные и щелочные условия скачкообразно меняются на слабокислые и кислые, а также при довольно резкой смене слабокислой обстановки на сильнокислую или даже при резкой смене сильнощелочных условий слабощелочными. Другими словами, можно сказать, что кислые геохимические барьеры возникают при резком уменьшении величины рН. На кислых барьерах чаще концентрируются анионогенные химические элементы, как, например, Si, Ge, Mo и другие. Такие барьеры характерны как для условий биосферы, так и для гидротермальных систем. Роль кислого барьера в формировании контрастных геохимических аномалий и руд считается меньшей, чем щелочного. Примеры кислых геохимических барьеров: Довольно часто небольшие по размерам кислые барьеры образуются в почвах с внутрипочвенной щелочно-кислотной дифференциацией. Как пример, можно рассмотреть почвенный профиль колочных солодей Северного Казахстана. Величина рН в нем до глубины 30-40 см равняется 5-6, а на глубине более 40 см повышается до 8-9. Продвижение к поверхности элементов, растворимых в щелочной среде, происходит до появления кислой обстановки. Затем начинается их осаждение на кислом барьере. Н.С. Касимовым (1982) в таких условиях наблюдались концентрация Y, Se, Be, Zr и образование их ложных геохимических аномалий в верхнем почвенном горизонте. На многих кислых барьерах химические элементы осаждаются из потока содовых вод. Такие воды чаще всего образуются за счет обменных реакций и выветривания натриевых силикатов. В рассматриваемых водных потоках легко растворяются и часто находятся в повышенной концентрации Mo, V, Se, U, Si, Y, Zr, Ag, Se, Be, Cu, Al, Cr. Испарительные 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 [рис.5 на демонстрационном листе], 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 (в дождливый период идет промывание почв и аномальные концентрации элементов на испарительных барьерах могут исчезнуть). Испарительные геохимические барьеры могут образовываться в различных окислительно-восстановительных условиях, но чаще всего встречаются испарительные барьеры, формирующиеся в условиях кислородной окислительной обстановки. Следует отметить большой хозяйственный ущерб, наносимый в результате образования испарительных барьеров на сельскохозяйственных угодьях (а также засоление земель). Особые бедствия связаны с содовым засолением, которое переходит в ранг мировых проблем. В качестве примера можно привести высохшие участки акватории Аральского моря, на которых сейчас регистрируются фантастически аномальные концентрации солей (это вполне сформировавшаяся глобальная экологическая катастрофа). 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 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. Поднятие уровня грунтовых вод может быть как природным, так и антропогенным. В последнем случае сформировавшиеся барьеры относится к техногенным. Чаще всего техногенные испарительные барьеры образуются в результате чрезмерного орошения почв, вызывающего подъем уровня грунтовых вод выше критического. Техногенный подъем уровня вод может быть связан с созданием водохранилищ, особенно в равнинных регионах, а также со сбросами сточных вод. Испарительные техногенные барьеры с чрезвычайно опасными концентрациями многих тяжелых металлов образуются около промышленных отстойников, в которые сбрасывают жидкие отходы предприятия химической промышленности. Но, к сожалению, большинство отстойников расположено в поймах рек и на таких участках в периоды паводков и дождей происходит растворение солей на барьерах и вынос токсичных веществ в реки. Один из подобных отстойников сделан в старице реки Северный Донец. Уровень грунтовых вод, связанных со старицей, высокий, что и привело к образованию испарительного геохимического барьера. Постоянная же подпитка из старицы, ставшей отстойником, способствовала повышению концентрации в грунтовых водах целого ряда тяжелых металлов, в том числе свинца и цинка. Отложение металлов в почвах на испарительном барьере привело к образованию (в направлении продвижения грунтовых вод от озера – отстойника к реке) крупных аномалий металлов. Так, размер контрастной аномалии цинка превышает 1,5 км2, а свинца – 0,5 км2. Особо следует отметить, что содержания металлов в почвах этих техногенных аномалий вполне сопоставимы с промышленными содержаниями в рудах, хотя в периоды таяния снега и половодья почвы ежегодно подвергаются интенсивнейшему природному промыванию. Столь высокое содержание металлов в почвах способствовало их резко повышенному накоплению в растениях, включая различные сельскохозяйственные культуры. Это в свою очередь вызвало резкое увеличение заболеваемости населения в районе. В случаях, когда для накопления токсичных отходов производства создаются отстойники – накопители, но недостаточная степень их изоляции допускает (хоть и отдельные) прорывы загрязняющих отходов в грунтовые воды, размеры аномалий на испарительных барьерах уменьшаются по сравнению с описанными ранее. Однако и в этих случаях их площадь остается довольно большой. Аномалия цинка на испарительном барьере около такого отстойника в летний период достигала 0,35 км2, а свинца – 0,05 км2. Содержание металлов в верхнем почвенном горизонте оставалось по-прежнему очень высоким. 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. При создании техногенных барьеров для формирования водоупоров часто также используются сланцы и глины (для этих целей их обычно дополнительно утрамбовывают), а также асфальт, цемент и различные синтетические материалы. Следует отметить, что испарительные техногенных барьеры, вероятно, получили наибольшее площадное развитие среди техногенных физико-химических барьеров. Они образуются практически везде, где в больших объемах проводится орошение земель и отмечается поднятие уровня грунтовых вод. |