Геохимический барьер: определение термина, особенности

Понятие геохимического барьера связано с техногенным загрязнением окружающей среды в результате миграции химических веществ вместе с атмосферными осадками, подземными или поверхностными потоками воды. Концентрация вредных соединений может достигать 1 класса опасности, а их предельно допустимые значения могут быть превышены в несколько раз, что приводит к возникновению геохимических аномалий в грунтовых водах и водоемах даже на больших расстояниях от места источника загрязнения. Исследования геохимических барьеров позволили получить новые сведения о возможности снижения подвижности токсичных соединений.

Определение

Термин «геохимический барьер» впервые ввел российский ученый А. И. Перельман. Его сущность заключается в обозначении области земной коры, на которой происходит резкое снижение интенсивности миграции и концентрации химических веществ. В результате они переходят из состояния техногенного рассеяния в стабильные минеральные ассоциации. Данные барьеры используются для защиты окружающей среды от промышленного загрязнения.

Наиболее широкое распространение эта теория получила в экологии, геологии, геохимии ландшафтов, океанов и морей. Простым примером барьера может служить миграция грунтовых вод, насыщенных ионами железа. Под землей этот элемент практически полностью растворен в жидкости. При выходе на поверхность происходит окисление железа под воздействием кислорода, и металл выпадает в виде соли, то есть переходит в минеральную фазу. То же самое явление наблюдается при транспортировке раствора железа по водопроводным трубам. В этом случае говорят о техногенном барьере.

Геохимические барьеры и их классификация

Барьеры различают по нескольким признакам:

• По происхождению (генетическая систематизация): природные; техногенные (возникающие в процессе человеческой деятельности); природно-техногенные.
• По размерам: макрогеохимические барьеры, в которых снижение миграционных процессов происходит на расстояниях порядка тысяч метров; мезобарьеры (от нескольких метров до 1 км); микробарьеры (от нескольких миллиметров до нескольких метров).
• По характеру движения веществ: двусторонние - миграция потоков с разных сторон, в барьере могут осаждаться разнотипные ассоциации (показаны на рисунке ниже); латеральные (субгоризонтальные); подвижные; радиальные (субвертикальные).
• По способу поступления веществ: диффузионные; инфильтрационные.
  

Природные и техногенные типы

Среди вышеуказанных типов геохимических барьеров выделяют следующие классы:

• Механические. При миграции веществ не происходит изменения их фазы, но они перемещаются (чаще всего в пределах биосферы). Примером может служить скатывание обломков по склонам гор.
• Физико-химические. Барьеры возникают в результате изменения физико-химической обстановки. В настоящее время этот класс явлений наиболее изучен и систематизирован (его описание приведено ниже).
• Биогеохимические (фитобарьеры и зообарьеры). Для них характерно изменение формы состояния и небольшой путь миграции. Чаще всего такой барьер связан с накоплением химических элементов в результате жизнедеятельности животных и растений. К данному классу относятся как природные, так и техногенные геохимические барьеры (миграция отходов на сельскохозяйственных угодьях и пастбищах).

Комплексные барьеры

При наложении в пространстве нескольких классов данных явлений возникает комплексный геохимический барьер, который выделяют в отдельную самостоятельную категорию. Ученые считают, что в природных условиях такие барьеры занимают одно из лидирующих мест. В качестве примера можно привести сочетание кислородного и сорбционного барьеров в горных районах:

• родники, выходящие на поверхность земли в глеевых горизонтах, насыщены растворенными гидроксидами трехвалентного железа, которые окисляются под воздействием атмосферного воздуха (кислородный барьер);
• осаждающиеся коллоиды являются хорошими сорбентами для других химических соединений;
• в результате формируется второй – сорбционный барьер.

О большой роли комплексных барьеров свидетельствует также тот факт, что благодаря им образовались многие залежи полезных ископаемых.

Разновидности физико-химических барьеров

Среди физико-химических барьеров выделяют следующие типы:

1. Кислородный. Окисление происходит в присутствии большого объема свободного кислорода в водах, подступающих к барьеру.
2. Сульфидный (сероводородный). Осаждение веществ в реакции с H₂S.
   
3. Глеевый. Для этого барьера характерна восстановительная реакция (без свободного кислорода и сероводорода).
4. Щелочной.В результате снижения кислотности происходит образование гидроксидов и карбонатов, выпадающих в нерастворимый осадок.
   
5. Кислотный. При уменьшении рН наблюдается формирование малорастворимых солей.
6. Испарительный. Концентрация миграционных веществ увеличивается за счет испарения воды и кристаллизации солей.
7. Сорбционный. Происходит извлечение определенных веществ за счет природных сорбентов (глины, гумус и другие).
8. Термодинамический. Повышение концентрации и осаждение веществ при резком колебании давления и температуры. Наиболее ярко этот процесс протекает в водах, содержащих угольную кислоту.

Подклассы

Среди группы физико-химических барьеров существует также градация по подклассам. Всего их насчитывается 69. Они отличаются по кислотно-щелочным характеристикам для каждого из типов барьеров.

Среди механических барьеров выделяют подклассы, зависящие от агрегатного состояния и других характеристик вещества в миграционном потоке:

• минералы и изоморфные примеси;
• растворенные газы (пар);
• коллоидные системы;
• соединения синтетического происхождения;
• животные и растительные организмы.

Примеры

В качестве простых примеров геохимических барьеров физико-химического класса можно привести следующие:

• В условиях влажного климата в лесах образуется мощная подстилка из опавших листьев. Отличительной особенностью грунтовых вод в таких условиях является то, что они бедны кислородом. В результате происходит выщелачивание химических элементов из почвы, в том числе марганца и железа. При выходе на поверхность начинается их окисление с образованием нерастворимых гидроксидов (кислородный барьер). Этот механизм приводит к формированию залежей самородной серы.
• Если на возвышенном участке земли имеются залежи минералов, содержащих сульфиды железа и других металлов, то их вымывание естественными осадками способствует образованию грунтовых вод с кислой реакцией среды. В низинах, при высокой влажности и анаэробных (бескислородных) условиях, происходит восстановление сульфатов до сульфидов (сульфидный барьер). К такому механизму часто приурочены залежи меди, селена и урана.
• Если грунт сложен известняковыми породами, то в условиях влажного климата, под воздействием разлагающихся органических остатков, происходит выщелачивание железа, никеля, меди, кобальта и других элементов. Известняки создают щелочной геохимический барьер, который способствует нейтрализации кислых грунтовых вод и образованию нерастворимых гидроксидов.

Социальные барьеры

В современной геохимии также выделяют новый подкласс – социальные геохимические барьеры. Их отличительной особенностью является то, что они ранее не возникали в природных условиях для тех соединений, которые на них концентрируются. Барьеры данного подкласса рассматриваются только в контексте техногенных или комплексных геохимических барьеров.

Среди них выделяют 4 подкласса:

• бытовые (свалки твердых или жидких бытовых отходов);
• строительные;
• промышленные;
• смешанные барьеры (свалки строительных, промышленных и бытовых отходов).