Геохимические потоки в ландшафтах Геохимические барьеры
Геохимические потоки в ландшафтах
Основной миграционный цикл (ОМЦ). Примером может служить поток элементов в ходе биогеохимического круговорота. Перемещение элементов происходит в начале по вертикали вверх – из почвы к растениям и животным, а затем по вертикали вниз от растений и животных обратно в почву
Ландшафтно – геохимический поток (ЛГП). Поступательное движение вещества параллельно земной поверхности. В пределах ландшафта ЛГП может протекать в атмо-, литосфере и почве. Например, пассивный мигрант Ar следует параллельно земной поверхности с воздушными потоками, он же, растворённый в поверхностных водах перемещается в гидросфере. Воздушные и водные ЛГП в пределах ландшафтной призмы могут иметь различные направления в зависимости от сезонных и суточных изменений метеоусловий.
Внеландшафтный геохимический поток (ВГП) • положительный ВГП, обуславливающий привнос химических элементов или веществ в ландшафты, в основном с подземными водами или из атмосферы • отрицательный ВГП, обусловливающий отток элементов и веществ из ландшафта ( в поверхностные и подземные воды, под действием силы тяжести в виде твёрдых масс, в атмосферу)
Природные мигранты подразделяются на две основные категории: • независимые мигранты, создающие в ландшафте движущуюся фазу или поток (поверхностные, подземные воды, атмосферные осадки) • зависимые мигранты, вещества переносимые потоками независимых мигрантов (ионы, взвешенные вещества, планктон и т. п. )
Геохимические барьеры – - такие участки ландшафта, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции, что приводит к концентрации химических элементов. Именно с Г. Б. связано образование МПИ. Выделяются два главных типа ГБ: • площадные, занимающие обширные территории (луговые, лесные, болотные), имеющие, как правило, изотропный характер и изометрическое распространение; • линейные, возникающие в результате анизотропных процессов и занимающие относительно небольшие пространства (перегибы склонов, зоны тектонических нарушений, выходы горных пород).
Количественные характеристики барьера.
Количественные характеристики барьера. Градиент барьера: • m – числовые выражения величины одного из показателей, определяющих изменения геохимической обстановки (1 - до, 2 - после барьера), количество растворенного О 2 или H 2 S; • L – мощность (ширина) барьера. • Выражается р. Н/м, Eh/м, о/м, Па/м.
Количественные характеристики барьера Контрастность барьера: Контрастность образования геохимии аномалий: • Ca- среднее содержание компонента в аномалии, • Сф- фоновое содержание.
Классификация ГБ ГБ могут иметь преимущественно механический, физико-химический или биогеохимический характер. Так как природный ГБ сочетает в себе черты всех типов. 1. Механические барьеры – с ними связано формирование россыпей, в процессе образования которых тяжелые элементы механически(под действием силы тяжести) осаждаются раньше (самородное золото и кварцевый песок). Другим примером может служить деятельность ледников. 2. Биогеохимические барьеры – возникают при накоплении химических элементов растительными и животными организмами. Так, гумусовый слой почвы играет роль горизонтального барьера для ряда микроэлементов (Pb, Ni, Ag, Cd, As, Sn, Zn, Co, Au, Ag и др. ), которые аккумулируются на нем. Эти элементы поглощаются корнями деревьев из почвы, а затем возвращаются в неё с опадом. Действие этого барьера избирательное, так как не все элементы задерживаются в гумусовом слое. Часть элементов выносится инфильтрационными водами.
Классификация ГБ 3. Физико-химические барьеры – возникают при изменении физико-химической обстановки (изменении величин p. H, Eh, температуры, давления и др. ). Подразделяются: • Окислительный (кислородный). Характерны окислительные преобразования более растворимых восстановленных соединений в менее растворимые окисленные (осаждаются Fe, Mn, Co, Ni, S). Процесс происходит в две стадии: окислениегидролиз – В результате образуются твёрдые фазы гидроксидов железа и марганца.
Окислительный барьер 1 -направление движения подземных вод 2 -водоносные горизонты 3 -граниты 4 - барьер
Классификация ГБ Формирование месторождений самородной серы – • Восстановительный. Характерно преобразование более растворимых окисленных форм элемента с переменной валентностью в менее растворимые – восстановленные (осаждаются Te, Cr, Se). Например, хром мигрирует в кислородсодержащих водах в виде анионов – хроматов и гидрохроматов. При снижении Eh происходит образование малорастворимых гидроксидов и оксидов –
Классификация ГБ • Щелочной гидролитический. Возникает при повышении p. H среды. Осаждаются элементы – комплексообразователи, являющиеся гидролизаторами (Fe, Mn, Hg, Be, Cu, Cr). Миграция этих элементов в водах осуществляется в виде ионов и разнообразных комплексных соединений (например с фульво- и гуминовыми кислотами гумуса). При повышении p. H происходит гидролиз комплексных соединений:
Щелочной гидролитический барьер 1. Направение движения кислых вод 2. Граниты 3. Карбонатные породы 4. Геохимический барьер
Классификация ГБ • • • Щелочной карбонатный барьер. Связано образование труднорастворимых карбонатов кальция и магния – известняка и доломита. Сульфатный барьер. Происходит осаждение труднорастворимых сульфатов бария и свинца. Сульфидный барьер. Действие барьера основано на образовании труднорастворимых сульфидов многих 18 -электронных элементов : Cd, Co, Cu, Fe, Hg, Ni, Mn, Pb, Zn, Ag, Sb. Для барьера характерны следующие уравнения реакции:
Сульфидный барьер. 1. Направление движения обогащённых кислородом вод 2. Зона окисления над месторождением сульфидных руд 3. Геохимический барьер 4. Сульфидные руды 5. Болото(торфянник)-восстановительная обстановка
Классификация ГБ • • Сорбционный гидроксидный барьер. Свежеосаждённые гидроксиды являются эффективными сорбентами, на которых осаждаются: - В кислой среде – аниогенные элементы : As, Se, W, Mo, B, V, Cr, Nb, Sb - В щелочной среде – катиогенные элементы : Zn, Cu, Pb, Cd, Ni, Co, Be Сорбционный глинистый барьер. Минералы глин имеют нескомпенсированный отрицательный заряд и на них сорбируются катиогенные элементы (Li, Sr, Ba) и катиогенные элементы – комплексообразователи (Ni, Pb, Zn, Ca, Be).
Классификация ГБ • • • Сорбционный карбонатный барьер. При образовании карбонаты способны соосождать многие элементы (с карбонатами кальция и магния соосождаются Zn, Cu, Pb, Ba, W, Mo, As, F) Испарительный барьер - участки, на которых увеличение концентрации химических элементов происходит в результате испарения На термодинамическом барьере происходит осаждение элементов в результате изменения температуры или давления.
Техногенные геохимические барьеры- это такие участки ноосферы, на которых происходит резкое уменьшение интенсивности техногенной миграции и, как следствие, концентрации элементов. Выделяются техногенные биогеохимические, механические и физико-химические барьеры. Широко распространены механические барьеры: наземные сооружения, земляные выемки, придорожные посадки деревьев. Они являются механическим препятствием для распространения свинца и цинка, поступающих с автомобильными выхлопами. В почве под этими посадками обнаруживаются концентрации элементов, в десятки раз превышающие фон. Техногенные механические барьеры (здания, деревья) в значительной мере определяют размеры и структуру атмо- и литохимических ореолов в городах.
Техногенные геохимические барьеры В качестве техногенных биогеохимических барьеров выступают плантации сельскохозяйственных культур, где накапливаются фосфор, сера, азот калий и др. Большая часть этих элементов на значительных площадях удаляется из почвы с урожаями. В русловых отложениях рек и прудов загрязненных сульфатами и органическими веществами, формируются техногенные металлоносные илы. Техногенный испарительный барьер известен с древности антропогенное засоление орошаемых почв.
Искусственные геохимические барьерыобозначающее участки земной коры, где целенаправленно изменяется геохимическая обстановка, обусловливающая рост концентрации химических элементов. Например, отшнуровывание морских заливов с целью добычи соли - искусственный испарительный барьер; устройство различных заграждений для остановки движущихся песков, роста оврагов и т. п. - искусственный механический барьер. Искусственные барьеры локализуют загрязнение.
Разложение и синтез минералов в зоне гипергенеза. Эпигенетические процессы – вторичные процессы, ведущие к последующим изменениям и новообразованиям минералов и горных пород, то есть процесс преобразования уже сформировавшейся породы в литосфере. Является совокупностью двух групп процессов: • процессы катагенеза – совокупность процессов преобразования состава, строения, физического состояния и свойств осадочных горных пород в земной коре при их литификации • процессы гипергенеза – совокупность процессов физического и химического преобразования, выветривания горных пород в верхних частях земной коры и на её поверхности, при низких температурах.
Разложение и синтез минералов в зоне гипергенеза Типоморфными – называются такие химические элементы, ионы и соединения, миграция которых определяет характерные геохимические особенности данного эпигенетического процесса. Типоморфность зависит от кларка элемента и его миграционной способности. По величине кларков элементы подразделяются на: • главные (имеют высокие кларки и слагают основную массу горных пород и определяют условия миграции других элементов – Si, Al, Fe, Ca, K, Cl и др. ) • второстепенные ( играют подчинённое значение – Ra, Cs, U и др. ) Главные элементы могут, но не всегда являются типоморфными, второстепенные элементы никогда не могут быть типоморфными. Например, находясь в растворённом, ионном виде в подземных водах железо (Fe 2+) не является типоморфным, а осаждаясь на геохимическом барьере и формируя месторождение железных руд ( в виде оксидов и гидроксидов) становится типоморфным.
Разложение и синтез минералов в зоне гипергенеза Зона гипергенеза подразделяется на две подзоны : • идиогипергенеза (собственно гипергенеза) – располагается в приповерхностной зоне выветривания, в окислительной обстановке • скрытого гипергенеза – располагается глубже, в бескислородной зоне, в восстановительной обстановке.
Разложение и синтез минералов в зоне гипергенеза По характеру взаимодействия с водой породообразующиеся минералы в зоне гипергенеза подразделяются на две группы: растворяющиеся конгруэнтно и растворяющиеся инконгруэнтно.
Минералы, растворяющиеся конгруэнтно, то есть с сохранением мольных отношений компонентов в породе и в растворе. • К ним относятся хлориды (например, галит), сульфаты (например, гипс), карбонаты, реже силикаты. • Взаимодействие с водой идёт по схеме простого растворения. • При достаточном количестве этих минералов в горной породе, во взаимодействующей с ней воде быстро достигается состояние насыщения по содержанию продуктов растворения. Если отсутствуют условия вывода этих элементов из раствора, то химическое взаимодействие воды с этими минералами прекращается. Взаимодействие может возобновиться снова при изменении гидродинамических условий, температуры, давления и т. п. При изменении условий может происходить дальнейшее растворении или соли могут выпадать в осадок
Минералы, растворяющиеся конгруэнтно Полное насыщение относительно солей – сульфатов и хлоридов в водах зоны гипергенеза достигается редко так как: – Пластовые отложения солей встречаются редко; – В зоне активного водообмена время контакта вода – порода крайне непродолжительное; – Происходит постоянное смешение с фильтрующимися пресными водами.
Минералы, растворяющиеся конгруэнтно Растворение карбонатов происходит по более сложной схеме: При этом ОН – нейтрализуется растворенным в воде (из воздуха) диоксидом углерода: Количество. СО 2 и ОН контролируется парциальным давлением диоксида углерода.
Минералы, растворяющиеся конгруэнтно Растворение силикатов. Растворение кварца сопровождается образованием кремниевой кислоты, диссоциация которой не приводит к ощутимому снижению р. Н : Растворение форстерита:
Минералы, растворяющиеся инконгруэнтно, - то есть с нарушением мольных отношений компонентов в породе и в растворе. • Растворение силикатов (кроме кварца и форстерита). Происходит с образованием какой-либо вторичной фазы. При этом раствор оказывается ненасыщенным по отношению к исходному минералу, но пересыщенным вторичными минеральными образованьями. Это объясняется тем, что вновь растворённые соединения вступают в химическое взаимодействие между собой, либо с диоксидом углерода или водой и формируют новые твёрдые фазы, образование которых приводит: - к снижению минерализации раствора, что способствует дальнейшему растворению минерала; - к формированию защитного слоя на поверхности растворяющейся породы ( «рубашки» ), которая затрудняет взаимодействие с первичным минералом.
Минералы, растворяющиеся инконгруэнтно • Растворение алюмосиликатов происходит, как правило, по типу гидролиза, который состоит из взаимного разложения не только минерала, но и воды: Образование в процессе гидролиза трудно растворимых минералов (глин) объясняется тем, что алюминий и кремний формируют соединения, практически нерастворимые в большинстве типов вод. Алюминий – элемент – гидролизат, слабо мигрирующий в воде из-за образования трудно растворимого гидроксида. При наличии в воде наряду с алюминием - кремния в растворе происходит образование глинистых минералов.
Разрушение органического вещества. 1. Торфообразование – консервирование растительных остатков в малоизменённом виде с образованием кислотных веществ в условиях пересыщения водой и бедности микроорганизмов. При захоронении торфа, этот процесс сменяется углеобразованием, а на конечной стадии происходит образование графита.
Разрушение органического вещества. 2. Гниение органических остатаков. Происходит в отсутствии притока кислорода, в анаэробных условиях при высокой влажности при участиии микроорганизмов. Анаэробы используют кислород из химических соединений. Например при протекании реакции сульфат – редукции: Также при гниении происходят процессы образования аминов, фенолов, метана, восстановленных соединений железа, марганца и др. Происходит разложение нитратов, сначала, до аммиака, а затем до молекулярного азота.
Разрушение органического вещества. 3. Гумификация органических остатков (аэробное разложение). Происходит в зонах увлажнения и аэрации, где наблюдается разложение и ресинтез органических веществ в почве животными, растениями, грибами, микроорганизмами. При разложении белков происходит: • образование азотной кислоты и её солей при аммонификации и нитрификации • образование сульфатов и фосфатов при окислении белковой серы и фосфора • окисление углерода в углекислый газ • разложение минеральных веществ до простых солей. Наблюдается в почвах высокой гумусности: чернозёмах, почвах тропиков
Разрушение органического вещества 4. Сухое «тление» органических остатков происходит в условиях особо сухого климата, при свободном доступе кислорода, хорошей промытости почв и при низкой активности почвенных организмов. Почвенные животные осуществляют механическое и биохимическое разрушение органического вещества. Грибы, растения и бактерии завершают окислительные процессы с образованием простых минеральных солей, газов, воды. Наблюдается в почвах малой гумусности и светлоокрашенных: почвах саванн и полупустынь.
Скачать презентацию Геохимические потоки в ландшафтах Геохимические барьеры Геохимические
Геохимические потоки в ландшафтах.ppt