Миграция, концентрация. Рассеяние химических элементов

Есть обширная группа химических элементов, способность которых к миграции в ионной форме ограничена. Это так называемые элементы-гидролизанты – они в растворах легко вступают в реакции гидролиза и выпадают в осадок. Это Fe, Mn, Al, Ti, Sn, Zr, Cr, W, Mo и др. Большей частью они мигрируют в зоне гипергенеза в форме коллоидных растворов. Их растворимость в коллоидной форме в десятки, сотни, иногда и в тысячи раз превышает растворимость в форме истинных (ионных) растворов.

Коллоидные частицы электрически заряжены. Происхождение заряда двояко: либо адсорбция ионов из раствора, либо прямая ионизация вещества частицы. Некоторые коллоиды, например, гидроокись железа, заряжаются положительно или отрицательно в зависимости от среды, в которой они образуются. Для наиболее важных коллоидов характерен заряд:

Положительные коллоиды – гидроокись алюминия, гидроокись трехвалентного железа, гидроокись хрома. Гидрат двуокиси тория, гидрат двуокиси титана, гидрат двуокиси циркония;

Отрицательные коллоиды – кремнезем, гидроокись двухвалентного железа, гидрат пятиокиси ванадия, гидрат двуокиси марганца, гуминовые коллоиды, сульфидные золи.

Коллоидное состояние всегда метастабильно. Являясь гетерогенной системой, коллоидный раствор характеризуется агрегатной неустойчивостью. Им присуща тенденция к уменьшению свободной энергии мицелл, которая реализуется путём их слипания и укрупнения. Такой процесс называется коагуляцией коллоидного раствора. Результат коагуляции – выделение из коллоидного раствора в качестве самостоятельных фаз гелей (студенистых масс, в которых слипшиеся мицеллы образуют пространственную «сетку»). Далее может следовать постепенная потеря этими студенистыми массами содержащейся в них воды, «высыхание».

Причины, вызывающие ускорение процесса коагуляции, сложны и многообразны и могут быть связаны с любыми изменениями физико-химических параметров среды. Одной из наиболее распространённых причин коагуляции коллоидов в зоне гипергенеза является смешение коллоидных растворов с истинными, которые действуют на них как электролиты. Поэтому средой активной миграции коллоидов обычно являются слабо минерализованные поверхностные и грунтовые воды (пресные и ультрапресные), а зоной массового осаждения коллоидных частиц – устья рек, т.к. значительная часть коллоидов быстро коагулирует в морской воде. Область широчайшего распространения коллоидов – это почвы, где значительная часть минеральных веществ содержится именно в этой форме.

Факторы миграции

 

Факторы миграции подразделяются на внутренние и внешние.

Внутренние факторы миграции определяются строением атомов. От них зависит способность элементов давать летучие, растворимые или инертные формы. К ним относятся:

электростатические свойства ионов:

ионный потенциал – отношение заряда иона к его радиусу,

энергетический коэффициент ионов);

свойства связи соединений, включая строение кристаллической решетки (определяют способность соединения противостоять разрушению);

химические свойства соединений (это уже с учётом условий среды – например, более высокой устойчивости кислородных соединений в большинстве гипергенных обстановок);

гравитационные свойства атомов (проявляются при кристаллизации, седиментации, выветривании);

радиоактивные свойства.

Внешние факторы миграции - ландшафтно-геохимические условия, определяющие поведение элементов в различных химических (окислительно-восстановительных, щёлочно-кислотных) обстановках:

температура (в целом повышение ускоряет физико-химическую миграцию, а для некоторых видов миграции, например, биогенной, нужны определённые диапазоны температур);

давление (повышение давления в равновесной системе приводит к изменению системы в сторону уменьшения объёма);

степень электролитической диссоциации (зависит от соотношения свойств растворителя и растворяемого вещества, температуры раствора и его концентрации);

концентрация водородных ионов, определяющая кислотность-щёлочность среды (pH);

окислительно-восстановительный потенциал;

поверхностные силы коллоидных систем (определяют масштабы селективной сорбционности);

комплексы типоморфных ионов в почвах и водах (что такое типоморфные ионы – будет рассмотрено далее);

геоморфологические факторы (рельеф);

радиационные характеристики среды;

жизнедеятельность организмов и техногенез – наиболее сложные по механизму влияния.

Результат миграции – это рассеяние и концентрация химических элементов.

 

Миграция элементов в зоне гипергенеза

В гипергенных условиях ведущая роль принадлежит миграции в газовой и водной средах.

С учётом этого А.И. Перельманом составлена ещё одна геохимическая классификация элементов, в которой элементы классифицируются по особенностям их миграции в гипергенных условиях.

Геохимическая классификация А.И. Перельмана по особенностям 
миграции химических элементов в зоне гипергенеза

 

В соответствии с этой классификацией химические элементы подразделяются на воздушные и водные мигранты

Среди воздушных мигрантов, в свою очередь, выделяются:

активные, образующие соединения (O, H, C, N, I);

пассивные (все инертные газы).

Водные мигранты – подразделяются, с одной стороны - по степени подвижности и, кроме того, на катионогенные и анионогенные элементы, т.е. их классификация имеет табличную (матричную) форму. Подвижность элементов определяется коэффициентом водной миграции(отношение содержания химического элемента в минеральном остатке воды к его содержанию во вмещающих породах).

KX = (MX/anx)100,

где MX – содержание элемента в воде, а – минерализация воды, 
 nx- 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). Так что в целом классификация стройная, но достаточно сложная.

Виды миграции

Разнообразие миграции – определяется числом форм, в которых переносится элемент. Для химически сходных элементов разнообразнее миграция того из них, у которого кларк выше.

Примеры для минералов с кларками одного порядка: S – многовалентна (0, -2, +4, +6), может входить в состав разнообразных соединений (сульфиды, сульфаты, органические соединения), образует 369 минеральных видов. Cl – одновалентен, образует 96 минералов. У Mo – 15 минеральных видов, Hf – 0. Последний пример еще раз отражает различие между редкими и рассеянными элементами.

Виды миграции (или формы движения материи) – выделяются в соответствии с различными уровнями организации вещества. Выделяются механическая, физико-химическая, биогенная и техногенная миграция.

Механическая: перенос без преобразования вещественного состава. Определяется размерами минеральных частиц, их плотностью, скоростью движения среды, являющейся агентом переноса (водного потока, ветра и т.д.).

Физико-химическая: подчиняется физическим и химическим законам. Процессы диффузии, растворения, осаждения, плавления, кристаллизации, сорбции, десорбции и т.д. Подвиды – ионная миграция (в растворах), коллоидная, газовая и др.

Биогенная: определяется деятельностью организмов. 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. Здесь учёт лишь химических свойств элементов (валентности, ионных радиусов и др.) недостаточен. Здесь значительно большую роль приобретают информационные процессы (иногда не вполне корректно утверждают, что они только на этом уровне и появляются; но Вы уже знаете, что информация и управление существуют на всех уровнях организации вещества, только на добиологических уровнях их сложность и значение несравнимо ниже).

Техногенная: связана с деятельностью человека. Освоение сырьевых ресурсов, хозяйственное использование сырья, значительные по масштабам перемещения вещества, создание веществ, не существующих в природе.

 

Особенности различных видов миграции

Механическая миграция происходит без изменений химического состава и физического состояния вещества. Процессы механической миграции включают два аспекта:

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).

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.