Геохімічний бар’єр: визначення терміна, особливості

Поняття геохімічного бар’єру пов’язано з техногенним забрудненням навколишнього середовища в результаті міграції хімічних речовин разом з атмосферними опадами, підземними або поверхневими потоками води. Концентрація шкідливих сполук може досягати 1 класу небезпеки, а їх гранично допустимі значення можуть бути перевищені в кілька разів, що призводить до виникнення геохімічних аномалій у ґрунтових водах і водоймах навіть на великих відстанях від місця від джерела забруднення. Дослідження геохімічних бар’єрів дозволили отримати нові відомості про можливості зниження рухомості токсичних сполук.

Визначення

Термін «геохімічний бар’єр» вперше ввів російський учений А. В. Перельман. Його сутність полягає у позначенні області земної кори, на якій відбувається різке зниження інтенсивності міграції та концентрації хімічних речовин. В результаті вони переходять зі стану техногенного розсіювання в стабільні мінеральні асоціації. Дані бар’єри використовуються для захисту навколишнього середовища від промислового забруднення.

Найбільш широке поширення ця теорія отримала в екології, геології, геохімії ландшафтів, океанів і морів. Простим прикладом бар’єра може служити міграція грунтових вод, насичених іонами заліза. Під землею цей елемент практично повністю розчинений в рідині. При виході на поверхню відбувається окислення заліза під впливом кисню, і метал випадає у вигляді солі, тобто переходить в мінеральну фазу. Те ж саме явище спостерігається при транспортуванні розчину заліза по водопровідних трубах. У цьому випадку говорять про техногенному бар’єрі.

Геохімічні бар’єри та їх класифікація

Бар’єри розрізняють за кількома ознаками:

За походженням (генетична систематизація): природні; техногенні (що виникають в процесі людської діяльності); природно-техногенні.
За розмірами: макрогеохимические бар’єри, у яких зниження міграційних процесів відбувається на відстанях порядку тисяч метрів; мезобарьеры (від декількох метрів до 1 км); микробарьеры (від декількох міліметрів до кількох метрів).
За характером руху речовин: двосторонні – міграція потоків з різних сторін, в бар’єрі можуть осідати різнотипні асоціації (показано на малюнку нижче); латеральні (субгоризонтальные); рухливі; радіальні (субвертикальні).
За способом надходження речовин: дифузійні; инфильтрационные.

Природні та техногенні типи

Серед вищевказаних типів геохімічних бар’єрів виділяють наступні класи:

Механічні. При міграції речовин не відбувається зміни їх фази, але вони переміщуються (найчастіше в межах біосфери). Прикладом може служити скочування уламків по схилах гір.
Фізико-хімічні. Бар’єри виникають внаслідок зміни фізико-хімічної обстановки. В даний час цей клас явищ найбільш вивчений і систематизований (його опис приведено нижче).
Біогеохімічні (фитобарьеры і зообарьеры). Для них характерна зміна форми, стану і невеликий шлях міграції. Найчастіше такий бар’єр пов’язаний з накопиченням хімічних елементів в результаті життєдіяльності тварин і рослин. До даного класу відносяться як природні, так і техногенні геохімічні бар’єри (міграція відходів на сільськогосподарських угіддях і пасовищах).

Комплексні бар’єри

При накладенні у просторі декількох класів даних явищ виникає комплексний геохімічний бар’єр, який виділяють в окрему самостійну категорію. Вчені вважають, що в природних умовах такі бар’єри займають одне з лідируючих місць. В якості прикладу можна навести поєднання кисневого та сорбційного бар’єрів у гірських районах:

джерела, що виходять на поверхню землі в глейових горизонтах, насичені розчиненими гідроксидами тривалентного заліза, які окислюються під впливом атмосферного повітря (кисневий бар’єр);
осідають колоїди є добрими сорбентами для інших хімічних сполук;
в результаті формується другий – сорбційний бар’єр.

Про великий ролі комплексних бар’єрів свідчить також той факт, що завдяки їм утворилися багато поклади корисних копалин.

Різновиди фізико-хімічних бар’єрів

Серед фізико-хімічних бар’єрів виділяють наступні типи:

Кисневий. Окислення відбувається у присутності великого обсягу вільного кисню у водах, що підступають до бар’єра.

Сульфідний (сірководневий). Осадження речовин в реакції з H2S.

Глеевый. Для цього бар’єру характерна відновна реакція (без вільного кисню і сірководню).

Лужний.В результаті зниження кислотності відбувається утворення гідроксидів і карбонатів, випадають в нерозчинний осад.

Кислотний. При зменшенні рН спостерігається формування малорозчинних солей.

Випарний. Концентрація міграційних речовин збільшується за рахунок випаровування води і кристалізації солей.

Сорбційний. Відбувається вилучення певних речовин за рахунок природних сорбентів (глини, гумус та інші).

Термодинамічний. Підвищення концентрації та осадження речовин при різкому коливанні тиску і температури. Найбільш яскраво цей процес протікає у водах, що містять вугільну кислоту.

Підкласи

Серед групи фізико-хімічних бар’єрів існує також градація за підкласами. Всього їх налічується 69. Вони відрізняються за кислотно-лужним характеристиками для кожного з типів бар’єрів.

Серед механічних бар’єрів виділяють підкласи, що залежать від агрегатного стану та інших характеристик речовини в міграційному потоці:

мінерали і ізоморфні домішки;
розчинені гази (пар);
колоїдні системи;
з’єднання синтетичного походження;
тваринні і рослинні організми.

Приклади

В якості простих прикладів геохімічних бар’єрів фізико-хімічного класу можна привести наступні:

В умовах вологого клімату в лісах утворюється потужна підстилка з опалого листя. Відмінною особливістю грунтових вод в таких умовах є те, що вони бідні киснем. В результаті відбувається вилуговування хімічних елементів з ґрунту, в тому числі марганцю і заліза. При виході на поверхню починається їх окислення з утворенням нерозчинних гідроксидів (кисневий бар’єр). Цей механізм приводить до формування покладів самородної сірки.
Якщо на підвищеному ділянці є поклади мінералів, що містять сульфіди заліза та інших металів, то їх вимивання природними опадами сприяє утворенню грунтових вод з кислою реакцією середовища. У низинах, при високій вологості і анаеробних (безкисневих) умовах, відбувається відновлення сульфатів до сульфідів (сульфідний бар’єр). До такого механізму часто приурочені поклади міді, селену та урану.
Якщо грунт складний вапняковими породами, то в умовах вологого клімату, під впливом розкладаються органічних залишків, відбувається вилуговування заліза, нікелю, міді, кобальту й інших елементів. Вапняки створюють лужний геохімічний бар’єр, який сприяє нейтралізації кислих ґрунтових вод і утворенню нерозчинних гідроксидів.

Соціальні бар’єри

У сучасної геохімії також виділяють новий підклас – соціальні геохімічні бар’єри. Їх відмітною особливістю є те, що вони раніше не виникали в природних умовах для тих сполук, які на них концентруються. Бар’єри даного підкласу розглядаються лише в контексті техногенних або комплексних геохімічних бар’єрів.

Серед них виділяють 4 підкласи: