Ландшафтно-геохімічні бар’єри

Початок розробки питання про геохімічних бар'єри було покладено А.І.Перельманом (1961). Геохімічні бар'єри - це ті частини ландшафтно-геохімічних систем, в яких на короткій відстані відбувається різке зменшення інтенсивності міграції хімічних елементів, і як результат, їх накопичення (концентрація).

Виділяють макро-, мезо- і Мікробарьери. До Макробарьери відносяться, наприклад, дельти річок - зони змішання прісних річкових і солоних морських вод, ширина таких бар'єрів може досягати сотень і тисяч метрів (але це невелика величина в порівнянні з довжиною річки і акваторією моря).

До мезобарьерам відносяться крайові зони боліт, водоносні горизонти артезіанських басейнів. В результаті тут накопичуються багато елементів вилужені з грунтів вододілів і схилів. Ширина таких бар'єрів може досягати десятки і сотні метрів.

Мікробарьери зустрічаються набагато частіше, в тому числі в грунтах. По суті, накопичення в ґрунтових горизонтах таких новоутворень як ортштейни, різні кори (сольові, латеритні) - результат зміни інтенсивності міграційних потоків в грунтовому профілі. Причина зменшення швидкості - зміна умов. Ширина таких бар'єрів може становити від декількох міліметрів до декількох сантиметрів.

Явище, яке нині іменується геохимическим бар'єром, привертало увагу дослідників і раніше, зокрема при вивченні умов утворення мінералів і руд, при трактуванні процесів осадження елементів з вод. Головна особливість бар'єру - різка зміна умов і концентрація елементів. Це зона, де одна геохімічна обстановка змінюється іншою. Між поняттям «геохімічний бар'єр» і «геохимическая обстановка», отже, є глибокий зв'язок: зменшення простору, займаного обстановкою, призводить до переходу кількості в якість, перетворення обстановки в бар'єр (і навпаки).

В основу класифікації геохімічних бар'єрів покладені відмінності в міграції. Виділяють два основних типи бар'єрів - природні та техногенні. У свою чергу, і в тих і в інших виділяють по 3 класу: механічні, фізико-хімічні та біогеохімічні.

Механічні бар'єри - це ділянки різкого зменшення механічної міграції. До них приурочені різні продукти механічної диференціації опадів. Це найбільш прості геохімічні бар'єри. Біогеохімічні бар'єри зобов'язані зменшення інтенсивності біогенної міграції. Вугільні поклади, торф, концентрація елементів в тілах організмів і т.д. - наслідок таких процесів. Фізико-хімічні бар'єри виникають в місцях зміни фізичних і хімічних умов міграції елементів. Це ділянки земної поверхні, де різко змінюються температура, тиск, окислювально-відновні, лужно-кислотні та інші умови. Фізико-хімічні бар'єри класифікуються на види по накопиченню хімічних елементів. Останнє визначається багато в чому тим, в якому середовищі проходять міграційні процеси. Розрізняють такі види бар'єрів окислювальний (кисневий), відновний глейові, відновний сірководневий, лужної, нейтральний, кислий, випарний, сорбційний, сульфатний.

Окисні (кисневі) бар'єри. Їх утворення пов'язане зі змінами окислювально-відновних умов в ландшафті. Різка зміна відновлювальних умов на окисні, зміна різко відновних на слабо відновлювальні, слабо окислювальних на сильно окислювальні. Наприклад, грунтові води, збагачені залізом і марганцем, у вигляді бікарбонатів або органічних комплексів поблизу поверхні ґрунтів, на околицях боліт, в озерах утворюють залізо-марганцеві конкреції, болотні та озерні руди, поклади самородної сірки.

Відновлювальні сірководневі (сульфідні) бар'єри формуються в тих ландшафтах, де створюються умови для освіти сірководню. (Кислі або глейові води контактують з сірководневою середовищем: рН7, Еh0). Вступаючи в хімічну реакцію з металами сірководень утворює сульфіди металів (заліза, свинцю, міді, цинку), що випадають в осад.

Відновлювальні глейові бар'єри утворюються в тих умовах, де кислі води зустрічаються з відновлювальної середовищем. Ці бар'єри накопичують випадають в осад важко розчинні сполуки ванадію, селену, міді, урану, кобальту.

Лужні бар'єри утворюються в ґрунтових горизонтах (на кордоні), де спостерігається стрибок рН і зміна кислої і чи слабо кислого середовища на лужну. Наприклад, на контакті силікатних і карбонатних порід. Утворюються горизонти, збагачені кальцієм, магнієм, марганцем, барієм, стронцієм, ванадієм, цинком, міддю, кобальтом, свинцем, кадмієм.

Кислі бар'єри формуються в зонах ландшафту при різкій зміні умов рН (лужний або нейтральною) в більш кислу сторону. На кислих бар'єри затримується міграція і осідає миш'як, молібден, селен, кремній, сполуки, яких в кислому середовищі слаборозчинні.

Нейтральний (або кальцієвий) бар'єр утворюється при наявності карбонатних порід або жорстких вод, насичених іонами СО32-. На бар'єрі призупиняється міграція кальцію, заліза, барію, стронцію.

Сульфатні бар'єри характерні для вод, збагачених сульфатними іонами. Тут концентруються барій, стронцій, кальцій.

Випарні бар'єри виявляються в аридних умовах. Вода з розчиненими в ній елементами пересувається вгору, і в міру переходу в пароподібний стан відбувається випадання елементів з розчину з утворенням хлоридних, сульфатних і карбонатних солей. Цей бар'єр припиняє міграцію всіх розчинних у воді речовин. Є два різновиди випарних бар'єрів: а) верхні - на поверхні грунту; і б) нижні - на рівні грунтових вод. Тут спостерігається утворення засолених грунтів і накопичення кальцію, магнію, калію, натрію, фтору, сірки, стронцію, хлору, свинцю, цинку, ванадію, нікелю, молібдену.

Сорбційні бар'єри характерні для тих ландшафтів, в яких багато колоїдних частинок (гумусу, глини). В основі сорбційного поглинання лежить поглинальна здатність грунту. Цей бар'єр може осаджувати практично всі елементи, що зустрічаються в розчині в іонної формі.

У природі спостерігається приуроченість основних геохімічних бар'єрів до певних грунтів і порід. А.І.Перельман дає наступні приклади поширеності геохімічних бар'єрів. Сірчанокислий бар'єри - рудні тіла сульфідних родовищ; кислі бар'єри - дерново-підзолисті, красноземних, сірі лісові, бурі лісові грунти, солоди; нейтрально-карбонатні бар'єри - чорноземи, каштанові, сероземниє грунту, рендзини; хлоридно-сульфатні бар'єри - верхні горизонти деяких солончаків; содові бар'єри - солонці; бескарбонатних глейові бар'єри - лучні та болотні грунти північних степів, лісової і тундрової зон; соленосних глейові - гіпсові горизонти лугових грунтів; содовий глейові - содові лугові солонці; содовий сірководневий - солонцюваті солонці; соленосних-сульфідні - нижні горизонти солончаків.

Залежно від напрямку потоків міграції хімічних елементів в ландшафті, на шляху яких виникають геохімічні бар'єри, останні діляться на дві групи - радіальні (вертикальні) і латеральні. Радіальні бар'єри формуються при вертикальному (від низу до верху або зверху вниз) міграції розчинів. Багато в чому завдяки існуванню цих бар'єрів спостерігається диференціація хімічних елементів в грунтовому профілі. Латеральні бар'єри виникають при русі вод в субгоризонтально напрямку. Наприклад, на кордонах фацій, в крайових зонах боліт і т.д.

У земній корі відбувається поєднання і комплексування різних геохімічних процесів в зв'язку, з чим виділяють комплексні бар'єри, які утворюються в результаті накладання двох або декількох взаємопов'язаних хімічних процесів. Виділяються також двосторонні бар'єри, які формуються під час руху різних елементів до бар'єра з різних сторін. На двосторонньому бар'єрі відбувається осадження різнорідної асоціації хімічних елементів.

За формою геохімічні бар'єри поділяються на лінійні і майданні. Лінійні бар'єри характерні для кордонів розділу різних елементарних геосистем. Прикладом лінійного бар'єру є, наприклад, межа болота і незаболоченій території, на якій в грунтах, водах і пухких відображеннях різко змінюються окислювально-відновні умови, в прикордонній смузі йде накопичення болотних залізо-марганцевих руд і ряду елементів групи заліза. Майданні бар'єри можуть субгоризонтально сягати на великі відстані.

Для характеристики геохімічних бар'єрів застосовують ряд показників: градієнт і контрастність бар'єру. Градієнт бар'єру характеризує зміну геохімічних показників в напрямку міграції хімічних елементів.

G = dm / dl або G = m1-m2 / l

де m1 - значення геохімічного показника до бар'єру, m2 - його значення після бар'єру, l - ширина бар'єру.

Контрастність бар'єру (S) характеризується відношенням величини геохімічних показників в напрямку міграції до і після бар'єру.

Інтенсивність накопичення елемента, наприклад, при рудоутворення, збільшується з ростом контрастності і градієнта бар'єру.

Природа і положення в просторі геохімічних бар'єрів обумовлені вихідної неоднорідністю умов міграції, пов'язаної з литологическим і гранулометричним складом порід, а також з відмінностями биоклиматических умов. У міру накопичення на геохімічних бар'єри певних речовин природа бар'єру змінюється, руйнуються деякі вихідні бар'єри, виникають нові комплексні. Так, в зонах збагачення змінюється з плином часу не тільки сорбційні властивості геохімічних бар'єрів, але часто внаслідок цементації горизонтів карбонатами, гидроксидами, кольматации колоїдами і суспензіями погіршується водопроникність, а відповідно аерація, створюються умови для розвитку глеевого процесу, формується новостворений відновний глейові бар'єр. Особливо сильно трансформується, а часто і повністю руйнуються геохімічні бар'єри під впливом міграційних потоків техногенних речовин. Так, кислі стічні води можуть цілком знищити карбонатний бар'єр в грунтах або товщі пухкий відкладень. І навпаки, в результаті привнесення в ландшафт деяких речовин, наприклад, вапна в кислі грунти, в їх верхніх горизонтах при рясному і повторному внесенні вапна знову утворюється базарною карбонатний бар'єр. Для обмеження токсичної дії деяких техногенних потоків проектується (в поодиноких випадках і здійснено) створення штучних геохімічних бар'єрів. У Молдові, наприклад, здійснено експеримент зі створення вапняного бар'єру на шляху стікання збагачених міддю. Поверхневих снігових вод з виноградників, оброблюваних бордоською рідиною (розчином мідного купоросу).

На геохімічних бар'єри утворюються рудні тіла більшості родовищ корисних копалин, і саме поняття геохімічних бар'єрів виявилося дуже корисним для розробки методики пошуків корисних копалин. Вивчення бар'єрів важливо і в боротьбі із забрудненням навколишнього середовища.

Фізико-хімічна міграція хімічних елементів - це переміщення, перерозподіл хімічних елементів в земній корі і на її поверхні. Вона здійснюється або в атмосфері (надземної і підземної), або в природних водах, тому її можна розділити на повітряну і водну.