2 Фактори міграції хімічних елементів
Міграція- це процес переміщення хімічних елементів у просторі і в часі, що приводить до їх концентрації або розсіювання.
Середу міграції може бути твердою (дифузія), рідкої (справжні і колоїдні розчини, розплави, суспензії або суспензії) або газоподібної (газові суміші, суспензії, дими - суміш газу і твердих частинок, аерозолі, тумани - суміш газу і частинок рідини, флюідізати) .
Фактори міграції підрозділяються на внутрішні і зовнішні.
Внутрішні чинники міграції визначаються будовою атомів. Від них залежить здатність елементів давати летючі, розчинні або інертні форми. До них відносяться:
електростатичні властивості іонів:
іонний потенціал - відношення заряду іона до його радіусу,
енергетичний коефіцієнт іонів);
властивості зв'язку з'єднань, включаючи будову кристалічної решітки (визначають здатність з'єднання протистояти руйнуванню);
хімічні властивості сполук (це вже з урахуванням умов середовища - наприклад, більш високу стійкість кисневих з'єднань в більшості гіпергенних ситуацій);
гравітаційні властивості атомів (проявляються при кристалізації, седиментації, вивітрювання);
Зовнішні чинники міграції - ландшафтно-геохімічні умови, що визначають поведінку елементів в різних хімічних (окисно-відновних, лужно-кислотних) ситуаціях:
температура (в цілому підвищення прискорює фізико-хімічну міграцію, а для деяких видів міграції, наприклад, біогенної, потрібні певні діапазони температур);
тиск (підвищення тиску в рівноважної системі призводить до зміни системи в бік зменшення обсягу);
ступінь електролітичноїдисоціації (залежить від співвідношення властивостей розчинника і розчиняється речовини, температури розчину і його концентрації);
концентрація водневих іонів, що визначає кислотність-лужність середовища (pH);
поверхневі сили колоїдних систем (визначають масштаби селективної сорбційних);
комплекси тіпоморфних іонів в грунтах і водах (що таке типоморфні іони - буде розглянуто далі);
геоморфологічні фактори (рельєф);
радіаційні характеристики середовища;
життєдіяльність організмів і техногенез - найбільш складні за механізмом впливу.
Результат міграціі- це розсіювання і концентрація хімічних елементів [9].
2.1 Види міграції
Види міграції (або форми руху матерії) - виділяються у відповідності з різними рівнями організації речовини. Виділяються механічна, фізико-хімічна, біогенна та техногенна міграція.
Механічна: перенесення без перетворення дійсного складу.
Визначається розмірами мінеральних часток, їх щільністю, швидкістю руху середовища, що є агентом переносу (водного потоку, вітру і т.д.).
Фізико-хімічна: підпорядковується фізичним і хімічним законам.
Процеси дифузії, розчинення, осадження, плавлення, кристалізації, сорбції, десорбції і т.д. Підвиди - іонна міграція (в розчинах), колоїдна, газова та ін.
Биогенная: визначається діяльністю організмів. Взаємодія між живою речовиною і інертною матерією Землі відбувається в формі масообміну хімічних елементів між живими організмами і навколишнім середовищем. Саме процеси массобмена елементів об'єктивно характеризують геохімічну діяльність організмів. Подібні закономірні процеси міграції хімічних елементів, які здійснюються не під впливом геологічних факторів, а в результаті життєдіяльності організмів були названі В.І. Вернадським биогеохимическими. Тут облік лише хімічних властивостей елементів (валентності, іонних радіусів і ін.) Недостатній.
Техногенна: пов'язана з діяльністю людини. Освоєння сировинних ресурсів, господарське використання сировини, значні за масштабами переміщення речовини, створення речовин, що не існують в природі.
Механічна міграція. відбувається без змін хімічного складу і фізичного стану речовини. Процеси механічної міграції включають два аспекти:
Переміщення мас газоподібних (атмосфера, вулканічні гази), рідких (наземні і підземні води, магматичні розплави) і твердих (рух льодовиків, горнопородних мас і грунтів на схилах, блоків літосфери в тектонічних процесах).
Міграція суспензій в газових, рідких і твердих (льодовики) середовищах. Це процес циклічний; він включає:
механічну дезінтеграцію гірських порід і мінералів;
механічне перенесення дезінтегрірованного мінеральної речовини;
механічну диференціацію в процесі перенесення;
накопичення переміщених частинок.
Дезінтеграція - результат фізичного (температурного) вивітрювання. Найбільш інтенсивна при максимальному контрасті денних і нічних температур (гірські області, райони без рослинності - тому що наявність рослинного покриву, особливо лісової рослинності, згладжує температурні контрасти).
Перенесення здійснюється різними агентами: вітром, текучими водами, льодовиками, іноді безпосередньо під дією гравітації (на схилах). У найбільших масштабах здійснюється текучими водами, в меншій мірі - вітром. Перенесення, досконалий вітром, називається еоловим. Цей процес найбільш широко поширений в міжгірських рівнинах. У високогірних і полярних районах в сучасну епоху велику роль відіграє льодовиковий перенесення.
В остаточному підсумку всі види перенесення, крім еолового - це прямий результат дії гравітаційних сил. Тому український геохімік А.Е.Ферсман назвав механогенез «областю геохімічного впливу сили тяжіння».
Механічна диференціація здійснюється завдяки непостійності швидкостей руху водних і повітряних потоків, що переносять частинки твердої речовини. Здатність потоку переносити частинки певної маси визначається енергією потоку. Вона прямо пропорційна масі води і квадрату швидкості течії. Тому залежність процесу від швидкості потоку дуже велика, і навіть невеликі гірські річки можуть переносити велику гальку і валуни.
При зниженні швидкості відбувається механічне розділення частинок - великі уламки залишаються на дні, більш дрібні переносяться далі. Спочатку відбувається в основному поділ за розміром, але коли справа доходить до поділу піщаної фракції досить істотну роль починає грати питома вага мінеральних часток. Частинки близького розміру, але з різною питомою вагою випадають в осад не одночасно. Так як мінерали мають і різний хімічний склад, результатом механічної диференціації виявляється і певна відмінність в хімізмі. Це ще й механізм формування розсипних родовищ.
Фізико-хімічна міграція.Глубінние (ендогенні) процеси Прямого впливу на міграцію елементів в біосфері глибинні процеси, як правило, не роблять (виняток становлять лише області сучасного вулканізму). Але все глибинні процеси вносять дуже великий вклад в формування геохімічної неоднорідності літосфери, яка є невід'ємною складовою частиною біосфери.
Найзначніший внесок в створення геохімічних неоднорідностей в літосфері вносять дві групи ендогенних процесів: магматичні і гідротермальні.
Взаємодія гідросфери та атмосфери з літосферою:
Хімічне вивітрювання. Реакції гідратації, окиснення, карбонатізаціі.
Карбонатизація являє собою процес приєднання вуглекислоти до продуктів зміни гірських порід, що призводить до утворення карбонатів кальцію, заліза, магнію та інших металів.
Розкладання алюмосиликатов і освіту глинистих мінералів.
Розкладання Fe-містять силікатів призводить до утворення гідрооксідних сполук заліза - Fe (OH) 3. FeOOH і ін. Присутність яких надає виветрелих речовини бурого забарвлення, дуже поширену в умовах нашого помірно вологого клімату (приклад Столбовського сиенитов, які буріють на виветрелой поверхні).
У арідном кліматі істотну роль грає карбонатизація.
У вологому і теплому кліматі (екваторіальному) хімічне вивітрювання заходить найбільш далеко, до повного розкладання алюмосиликатов на прості гідроксиду (латеритні грунти).
Перехід частини мінеральної речовини в розчинні форми - і, відповідно, у водне середовище.
Хімічне осадження розчиненого мінерального речовини, його повернення в літосферу.
Взаємодія речовини, що осідає з грунтових вод, з дезінтегрованих пухким матеріалом верхніх рівнів літосфери. В остаточному підсумку такий механізм призводить до формування з пухких опадів осадових гірських порід.
Біогенна міграція. Взаємодія між живою речовиною і інертною матерією Землі відбувається в формі масообміну хімічних елементів між живими організмами і навколишнім середовищем. Саме процеси массобмена елементів об'єктивно характеризують геохімічну діяльність організмів. Подібні закономірні процеси міграції хімічних елементів, які здійснюються не під впливом геологічних факторів, а в результаті життєдіяльності організмів були названі В.І. Вернадським биогеохимическими.
Рухливість хімічних елементів в процесах, де провідна роль належить біогенної міграції, залежить як від форми знаходження цих елементів, так і від тієї ролі, яку вони виконують в живих організмах. Рослинні і тваринні організми утримують в своїх тканинах мільярди тонн мінеральних речовин. Чим більше биогенное значення хімічного елемента, тим більшою мірою він захоплюється живими організмами і, отже, виявляється захищеним від виносу з грунтів грунтовими і річковими водами.
Техногенна міграція. З появою людини і розвитком людського суспільства з'являється новий і найскладніший вид міграції хімічних елементів - техногенна міграція. Особливо швидко її роль зростає останні два століття (з початку промислової революції). При цьому багато разів зростає вплив техногенезу на природні процеси, техногенне навантаження на природні системи, аж до біосфери в цілому. Біосфера трансформується і переходить в нову якість. У той же час люди досі погано знають закони, яким підпорядковується техногенна міграція, механізми впливу цих процесів на природні системи.
Концептуальна основа - ідея переходу біосфери в якісно новий стан: ноосферу (сферу розуму).
Для характеристики техногенної міграції і пов'язаного з нею розподілу хімічних елементів на земній поверхні використовуються поняття:
Техногенні ореоли розсіювання.
Техногенні аномалії (виділяються в депонуються, тобто накопичують середовищах і можуть відповідати ореолам розсіювання). Можуть бути не тільки шкідливими, але і корисними. Наприклад, ті, які є результатом вапнування кислих ґрунтів, що покращує агрохімічні властивості. Практикується також безпосереднє внесення дефіцитних мінеральних компонентів не в середу, а безпосередньо в їжу тварин і людини (харчові добавки).
Техногенні потоки розсіювання (виділяються в транзитних середовищах - водах, повітрі, донних відкладах водотоків).
Техногенні зони вилуговування. У більшості пов'язані з вилуговуванням елементів з відвалів гірничодобувних підприємств. У цих випадках з ними можуть бути пов'язані техногенні потоки розсіювання та ореоли забруднення в сполучених ландшафтах, де вилужені компоненти будуть накопичуватися. Нерідко вилуговування застосовується штучно як технологія добування мінерального компонента з руд.
Техногенні геохімічні бар'єри. З одного боку - так називають природні бар'єри, на яких концентруються елементи, що потрапили в ландшафт в результаті техногенної міграції. З іншого - штучно створювані бар'єри для локалізації забруднення. Наприклад, вапняні вали, службовці для осадження елементів, які переносяться кислими водами. Або штучні сорбційні бар'єри.
У загальному вигляді ці процеси зводяться до вилучення елементів з одних ландшафтно-геохімічних систем, їх переносу і надходженню в інші ландшафтно-геохімічні системи, включаючи і накопичення в останніх. Для цих процесів, як і власне в біосфері, використовується, головним чином, перетворена сонячна енергія, причому форми її використання більш різноманітні. Широко використовується в тому числі і сонячна енергія, акумульована в минулі геологічні епохи (горючі корисні копалини). Використовуються і ендогенні джерела енергії, в тому числі і енергія радіоактивного розпаду, використання якої в таких масштабах чуже біосфері і можливі наслідки її застосування ясні ще далеко не в повній мірі.
Виділяється два геохімічних типу процесів техногенної міграції.
Міграція, успадкована від біосфери, але техногенно змінена. Це процеси, пов'язані з біологічним кругообігом, водного й повітряного міграцією елементів. Для їх характеристики можна використовувати ті ж поняття, які розроблені стосовно до процесів біогенної та фізико-хімічної міграції.
Встановлено, що існують цикли міграції: геохімічні і біологічні.
Кругообіг хімічних елементів:
геохімічний круговорот є складовою частиною геологічного кругообігу речовини - великий круговорот (рис. 2.3.1).
Біологічний круговорот (БІК) пов'язаний з життєдіяльністю організмів: харчування і виділення, трофічні ланцюжки, життєвий цикл) - малий кругообіг (рис. 2.3.2) БИК щодо замкнутий лише в межах конкретних ландшафтів і біосфери в цілому, але він не є повністю замкнутим, тому відбувається переміщення речовини між ландшафтами, повне виведення частини речовини з малого обороту в межах географічної оболонки як результат процесів накопичення опадів - але збереження його у великій кругообігу;
Малюнок 2.1 Схема геохімічного (великого) кругообігу
Малюнок 2. 2 - Загальна схема біологічного кругообігу (БІК)
Абіогенні цикли склалися на нашій планеті значно раніше біогенних. Вони включають весь комплекс геологічних, геохімічних, гідрологічних, атмосферних процесів.
Абіогенний геохімічний круговорот включає накопичення, утримання і перерозподіл космічної енергії Сонця на планеті через нагрівання водних мас, освіту і конденсацію парів, випадання атмосферних опадів і рух поверхневих і ґрунтових вод по ухилу від областей харчування до областям випаровування. Нерівномірне нагрівання повітря і води викликає планетарні переміщення водних і повітряних мас, формування градієнтів щільності і тиску, океанічні течії і грандіозні процеси атмосферної циркуляції [9].