Ландшафтно-геохимические барьеры.

Начало разработке вопроса о геохимических барьерах было положено А.И.Перельманом (1961). Геохимические барьеры – это те части ландшафтно-геохимических систем, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов, и как результат, их накопление (концентрация).

Выделяют макро-, мезо- и микробарьеры. К макробарьерам относятся, например, дельты рек – зоны смешения пресных речных и соленых морских вод, ширина таких барьеров может достигать сотен и тысяч метров (но это небольшая величина по сравнению с протяженностью реки и акваторией моря).

К мезобарьерам относятся краевые зоны болот, водоносные горизонты артезианских бассейнов. В результате здесь накапливаются многие элементы выщелоченные из почв водоразделов и склонов. Ширина таких барьеров может достигать десятки и сотни метров.

Микробарьеры встречаются гораздо чаще, в том числе в почвах. По сути, накопление в почвенных горизонтах таких новообразований как ортштейны, различные коры (солевые, латеритные) – результат изменения интенсивности миграционных потоков в почвенном профиле. Причина уменьшения скорости – изменение условий. Ширина таких барьеров может составлять от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.

Явление, которое ныне именуется геохимическим барьером, привлекало внимание исследователей и ранее, в частности при изучении условий образования минералов и руд, при трактовке процессов осаждения элементов из вод. Главная особенность барьера – резкое изменение условий и концентрация элементов. Это зона, где одна геохимическая обстановка сменяется другой. Между понятием «геохимический барьер» и «геохимическая обстановка», следовательно, имеется глубокая связь: уменьшение пространства, занимаемого обстановкой, приводит к  переходу количества в качество, превращение обстановки в барьер (и наоборот).

В основу классификации геохимических барьеров положены различия в миграции. Выделяют два основных типа барьеров – природные и техногенные. В свою очередь, и в тех и в других выделяют по 3 класса: механические, физико-химические и биогеохимические.

Механические барьеры – это участки резкого уменьшения механической миграции. К ним приурочены различные продукты механической дифференциации осадков. Это наиболее простые геохимические барьеры. Биогеохимические барьеры обязаны уменьшению интенсивности биогенной миграции. Угольные залежи, торф, концентрация элементов в телах организмов и т.д. – следствие таких процессов. Физико-химические барьеры возникают в местах смены физических и химических условий миграции элементов. Это участки земной поверхности, где резко меняются температура, давление, окислительно-восстановительные, щелочно-кислотные и другие условия. Физико-химические барьеры классифицируются на виды по накоплению химических элементов. Последнее определяется во многом тем, в какой среде проходят миграционные процессы. Различают следующие виды барьеров окислительный (кислородный), восстановительный глеевый, восстановительный сероводородный, щелочной, нейтральный,  кислый, испарительный, сорбционный, сульфатный.

Окислительные (кислородные) барьеры. Их образование связано с изменениями окислительно-восстановительных условий в ландшафте. Резкая смена восстановительных условий на окислительные, смена резко восстановительных на слабо восстановительные, слабо окислительных на сильно окислительные. Например, грунтовые воды, обогащенные железом и марганцем, в виде бикарбонатов или органических комплексов вблизи поверхности почв, на окраинах болот, в озерах образуют железо-марганцевые конкреции, болотные и озерные руды, залежи самородной серы.

Восстановительные сероводородные (сульфидные) барьеры формируются в тех ландшафтах, где создаются условия для образования сероводорода. (Кислые или глеевые воды контактируют с сероводородной средой: рН7, Еh0). Вступая в химическую реакцию с металлами сероводород образует сульфиды металлов (железа, свинца, меди, цинка), выпадающие в осадок.

Восстановительные глеевые барьеры образуются в тех условиях, где кислые воды встречаются с восстановительной средой. Эти барьеры накапливают выпадающие в осадок трудно растворимые соединения ванадия, селена, меди, урана, кобальта.

Щелочные барьеры образуются в почвенных горизонтах (на границе), где наблюдается скачок рН и смена кислой и или слабо кислой среды на щелочную. Например, на контакте силикатных и карбонатных пород. Образуются горизонты, обогащенные кальцием, магнием, марганцем, барием, стронцием, ванадием, цинком, медью, кобальтом, свинцом, кадмием.

Кислые барьеры формируются в зонах ландшафта при резкой смене условий рН (щелочной или нейтральной) в более кислую сторону. На кислых барьерах задерживается миграция и осаждается мышьяк, молибден, селен, кремний, соединения, которых в кислой среде слаборастворимы.

Нейтральный (или кальциевый) барьер образуется при наличии карбонатных пород или жестких вод, насыщенных ионами СО32-. На барьере приостанавливается миграция кальция, железа, бария, стронция.

Сульфатные барьеры характерны для вод, обогащенных сульфатными ионами. Здесь концентрируются барий, стронций, кальций.

Испарительные барьеры проявляются в аридных условиях. Вода с растворенными в ней элементами передвигается вверх, и по мере перехода в парообразное состояние происходит выпадение элементов из раствора с образованием хлоридных, сульфатных и карбонатных солей. Этот барьер прекращает миграцию всех растворимых в воде веществ. Есть две разновидности испарительных барьеров: а) верхние – на поверхности почвы; и б) нижние – на уровне грунтовых вод. Здесь наблюдается образование засоленных почв и накопление кальция, магния, калия, натрия, фтора, серы, стронция, хлора, свинца, цинка, ванадия, никеля, молибдена.

Сорбционные барьеры характерны для тех ландшафтов, в которых много коллоидных частиц (гумуса, глины). В основе сорбционного поглощения лежит поглотительная способность почвы. Этот барьер может осаждать практически все элементы, встречающиеся в растворе в ионной форме.

В природе наблюдается приуроченность основных геохимических барьеров к определенным почвам и породам. А.И.Перельман дает следующие примеры распространенности геохимических барьеров. Сернокислые барьеры – рудные тела сульфидных месторождений; кислые барьеры – дерново-подзолистые, красноземные, серые лесные, бурые лесные почвы, солоди; нейтрально-карбонатные барьеры – черноземы, каштановые, сероземные почвы, рендзины; хлоридно-сульфатные барьеры – верхние горизонты некоторых солончаков; содовые барьеры – солонцы; бескарбонатные глеевые барьеры – луговые и болотные почвы северных степей, лесной и тундровой зон; соленосный глеевый – гипсовые горизонты луговых почв; содовый глеевый – содовые луговые солонцы; содовый сероводородный – солонцеватые солонцы; соленосно-сульфидный – нижние горизонты солончаков.

В зависимости от направления потоков миграции химических элементов в ландшафте, на пути которых возникают геохимические барьеры, последние делятся на две группы – радиальные (вертикальные) и латеральные. Радиальные барьеры формируются при вертикальном (снизу вверх или сверху вниз) миграции растворов. Во многом благодаря существованию этих барьеров наблюдается дифференциация химических элементов в почвенном профиле. Латеральные барьеры возникают при движении вод в субгоризонтальном направлении. Например, на границах фаций, в краевых зонах болот и т.д.

В земной коре происходит совмещение и комплексирование различных геохимических процессов в связи, с чем выделяют комплексные барьеры, образующиеся в результате наложения двух или нескольких взаимосвязанных химических процессов. Выделяются также двусторонние барьеры, которые формируются при движении различных элементов к барьеру с разных сторон. На двустороннем барьере происходит осаждение разнородной ассоциации химических элементов.

В зависимости от способа переноса различают диффузные и инфильтрационные барьеры. В.С.Голубев разработал понятие о подвижном геохимическом барьере – барьер перемещается медленнее фильтрации вод. При таком механизме перед барьером в водах повышается содержание химических элементов.

По форме геохимические барьеры разделяются на линейные и площадные. Линейные барьеры характерны для границ раздела различных элементарных геосистем. Примером линейного барьера является, например, граница болота и незаболоченной территории, на которой в почвах, водах и рыхлых отражениях резко изменяются окислительно-восстановительные условия, в пограничной полосе идет накопление болотных железо-марганцевых руд и ряда элементов группы железа. Площадные барьеры могут субгоризонтально простираться на большие расстояния.

Техногенные барьеры также разделяются на три класса – механические, физико-химические и биогеохимические. Более сложные процессы образования геохимических барьеров обычно включают в себя менее сложные. Например, в образовании техногенных барьеров могут участвовать механические, физико-химические и биогенные процессы, но сущность данных барьеров не может быть понята (раскрыта) без учета особенностей социальной формы движения, техногенной миграции. Главное внимание исследователей до сих пор привлекали физико-химические барьеры (природные и техногенные).

Для характеристики геохимических барьеров применяют ряд показателей: градиент и контрастность барьера. Градиент барьера характеризует изменение геохимических показателей в направлении миграции химических элементов.

G=dm/dl    или   G=m1-m2/l

где m1 – значение геохимического показателя до барьера,  m2  - его значение после барьера, l – ширина барьера.

Контрастность барьера (S) характеризуется отношением величины геохимических показателей в направлении миграции до и после барьера.

S=Cx1/Cx2=m1/m2

Интенсивность накопления элемента, например, при рудообразовании, увеличивается с ростом контрастности и градиента барьера.

Природа и положение в пространстве геохимических барьеров обусловлены исходной неоднородностью условий Ландшафтно-геохимические барьеры.миграции, связанной с литологическим и гранулометрическим составом пород, а также с различиями биоклиматических условий. По мере накопления на геохимических барьерах определенных веществ природа барьера изменяется, разрушаются некоторые исходные барьеры, возникают новые комплексные. Так, в зонах обогащения изменяется с течением времени не только сорбционные свойства геохимических барьеров, но часто вследствие цементации горизонтов карбонатами, гидроксидами, кольматации коллоидами и суспензиями ухудшается водопроницаемость, а соответственно аэрация, создаются условия для развития глеевого процесса, формируется новообразованный восстановительный глеевый барьер. Особенно сильно трансформируется, а часто и полностью разрушаются геохимические барьеры под воздействием миграционных потоков техногенных веществ. Так, кислые сточные воды могут целиком уничтожить карбонатный барьер в почвах или толще рыхлый отложений. И наоборот, в результате привнесения в ландшафт некоторых веществ, например, извести в кислые почвы, в их верхних горизонтах при обильном и повторном внесении извести вновь образуется площадной карбонатный барьер. Для ограничения токсичного действия некоторых техногенных потоков проектируется (в единичных случаях и осуществлено) создание искусственных геохимических барьеров. В Молдове, например, осуществлен эксперимент по созданию известкового барьера на пути стекания обогащенных медью. Поверхностных снеговых вод с виноградников, обрабатываемых бордоской жидкостью (раствором медного купороса).

На геохимических барьерах образуются рудные тела большинства месторождений полезных ископаемых, и само понятие геохимических барьеров оказалось очень полезным для разработки методики поисков полезных ископаемых. Изучение барьеров важно и в борьбе с загрязнением окружающей среды.

Физико-химическая миграция химических элементов – это перемещение, перераспределение химических элементов в земной коре и на ее поверхности. Она осуществляется или в атмосфере (надземной и подземной), или в природных водах, поэтому ее можно разделить на воздушную и водную.