Раздел 3.2. Геохимические барьеры Содержание работы с преподавателем. Теоретический блок

Если на путях миграции мигранты встречают участки с резким изменением внешних факторов миграции, то часть их прекращает свою миграцию. Такие участки А.И. Перельман предложил именовать геохимическими барьерами.

Геохимический барьер – участки земной коры, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрация (рис. 3).

Рис. 3. Параметры геохимического барьера: 1 – направление миграции химических элементов до барьера, 2 – после барьера, 3 – область концентрации элементов на барьере (рудные тела, аномалии и др.), m₁ - геохимические характеристики среды до барьера, m₂ – после барьера, l - длина барьера (по А.И. Перельману)

Геохимический барьер относится к фундаментальным понятиям геохимии. Главная особенность барьера – резкое изменение условий и концентрация элементов. В пределах большинства барьеров довольно резко изменяется форма нахождения элементов в мигрирующем потоке (изменение типа миграции), а затем происходят связанные с ней изменения интенсивности миграции и осаждение (концентрация) определенных химических элементов или их соединений. Например,

при отсутствии свободного кислорода (глеевая обстановка) железо в подземных водах будет находиться в двухвалентном, хорошо растворимом состоянии (Fе²⁺). Выход таких вод на дневную поверхность со свободным кислородом приводит к окислению и образованию труднорастворимого гидроксида железа - Fe(OH)₃. Происходит переход металла из формы водных растворов в минеральную. При этом изменение типа миграции железа сопровождается его осаждением и концентрацией. Рассматриваемый барьер относится к так называемым кислородным.

Геохимический барьер - это зона, где одна геохимическая обстановка сменяется другой. Между понятием геохимический барьер и геохимическая обстановка имеется глубокая связь: уменьшение пространства, занимаемого обстановкой приводит к переходу количества в качество, превращению обстановки в барьер и наоборот.

Классификации любых явлений и процессов могут строиться на различных принципах. При научных исследованиях довольно часто классификацию проводят по генетическим особенностям изучаемых явлений, так как они позволяют лучше выделить отличительные особенности их (явлений) возникновения и формирования. Генетическая классификация геохимических барьеров была предложена А.И. Перельманом и в дальнейшем дополнена В.А Алексеенко. На кафедре минералогии и петрографии Пермского государственного университета профессором А.М. Кропачевым были предложены несколько иные таксономические единицы классификации (табл.1).

Таблица 1

Таксономические единицы классификации геохимических барьеров

Критерий выделения таксона	по А.И. Перельману, В.А. Алексеенко	по А.М. Кропачеву
Генезис	Тип	Тип
Вид миграции	Класс	Группа
Внешний фактор	Подкласс	Класс
Разновидность внешнего фактора	-	Подкласс

По генетической классификации А.И. Перельмана выделяются два основных типа барьеров – природные и техногенные. И те и другие располагаются на участках изменения факторов миграции. В первом случае смена факторов, а соответственно и смена одной геохимической обстановки другой обуславливаются природными особенностями конкретного участка биосферы. Во втором — такая смена геохимических обстановок происходит в результате антропогенной деятельности.

По мнению В.А. Алексеенко (2003), довольно часто антропогенное изменение геохимической обстановки и формирование техногенных геохимических барьеров являются своеобразным толчком, после которого идет образование природных геохимических барьеров. Происходит наложение на техногенные барьеры природных. Иногда все они (в том числе и техногенные) могут лишь частично перекрывать друг друга. Такие процессы формирования геохимических барьеров позволили выделить их новый, третий тип: техногенно-природные геохимические барьеры.

По ведущему виду миграции природные геохимические барьеры делятся на три группы (класса): механическую, физико-химическую и биогеохимическую. Механические барьеры представляют собой участки резкого уменьшения интенсивности механической миграции. Они в основном связаны со вторым типом миграции химических элементов, когда их форма нахождения не изменяется, но они перемещаются в пространстве. Перемещение происходит, как правило, в пределах биосферы — чаще всего с нахождением элементов в минеральной или коллоидной форме. Перемещение коллоидов вместе с сорбированными ими элементами, а также минералов может происходить в воздушной и водной средах и, кроме того, на границе сред (скатывание обломков по склонам). Классификация механических барьеров с использованием «матричной основы» (как это было сделано А. И. Перельманом для физико-химических барьеров) была предложена В.А. Алексеенко в 1997 г.

Образование физико-химических барьеров связано с изменением физико-химической обстановки. К настоящему времени детальная классификация разработана только для этого класса барьеров, а точнее, для случая осаждения химических элементов, мигрирующих в ионной форме в водах с различными окислительно-восстановительными и щелочно-кислотными условиями.

Биогеохимические барьеры, в отличие от многих других, связаны главным образом с первым типом миграции химических элементов, когда изменяется их форма нахождения без значительного перемещения в пространстве. По своей сути рассматриваемые барьеры представляют собой накопление химических элементов растительными и животными организмами. Эти геохимические барьеры относятся к числу наиболее распространенных в биосфере и могут быть как природными, так и техногенными. Концентрация химических элементов на биогеохимических барьерах является частью биологического круговорота этих элементов.

Накопление на геохимических барьерах химических элементов (соединений), как правило, приводит к их аномальным концентрациям. При определенных условиях концентрация и общее содержание элементов на барьере резко возрастают. Так образуются месторождения полезных ископаемых. До недавнего времени рассматриваемые процессы были только природными. Сейчас техногенные процессы достигли таких масштабов, что и на природных, и на техногенных барьерах возможно накопление определенных элементов (их соединений) в промышленных концентрациях. Так формируются техногенные месторождения различных полезных ископаемых, в первую очередь — металлов.

В земной коре происходит совмещение и комплексирование геохимических процессов, в связи, с чем А. И. Перельманом были выделены комплексные барьеры, образующиеся в результате наложения двух или нескольких взаимосвязанных процессов. Исследования последних десятилетий в области геохимических барьеров показали настоятельную потребность в выделении их в дополнительную группу (класс) комплексных геохимических барьеров, ранее рассматриваемую А.И. Перельманом, но среди барьеров, относимых как к типу природных, так и к типу техногенных.

Геохимические барьеры техногенного типа также делятся на три группы механическую, физико-химическую и биогеохимическую, но сущность их не может быть понята без учета социальной формы движения материи, техногенной миграции. Именно поэтому, в типе техногенных геохимических барьеров В.А. Алексеенко также предложено (1997) выделять еще одну самостоятельную группу (класс)— группу (класс) социальных барьеров. В научной литературе и в обиходе широко используется термин «социальная миграция химических элементов». По аналогии с социальной миграцией, В.А. Алексеенко и др. (2003) считают целесообразным введение понятия «социальный геохимический барьер». Под этим термином должны объединяться зоны складирования и захоронения отходов - как промышленных, так и бытовых. Что объединяет эту группу барьеров с рассмотренными группами природных и техногенных барьеров и что отличает её? На социальных барьерах, как и на всех ранее рассмотренных барьерах, прекращается перемещение целого ряда веществ, участвующих в определенном виде техногенной миграции — социальной. Так же, как и на других барьерах, в данном случае прекращают миграцию не все участвующие в ней вещества, а только часть из них. Социальные барьеры созданы искусственно там, где в природных условиях они не возникали, по крайней мере для всех тех веществ, которые на них концентрируются. Этим социальные барьеры отличаются от природных.

• По способу образования (вывоз и складирование) они отличаются и от всех ранее рассмотренных техногенных барьеров.

• По специфике концентрации веществ и способу образования такие барьеры не имеют аналогов и среди природных барьеров, и среди техногенных.

• Концентрирующиеся на них вещества не объединяются ни одним общим физическим или химическим свойством (а это является обязательным условием концентрации веществ на природных и техногенных барьерах). Все вещества на техногенных барьерах объединяет только одно социальное условие: ненужность обществу на данном этапе его развития.

• Образование рассматриваемых барьеров и состав накапливающихся на них веществ являются отражением конкретного уровня развития как определенного сообщества людей, так и всего человечества.

Все это в сумме и обуславливает, по мнению В.А. Алексеенко и др. (2003), обособление социальных геохимических барьеров. Их же широкое распространение, а главное, все возрастающее негативное воздействие этих барьеров на среду, окружающую человека, и непосредственно на его здоровье делают необходимым не только выделение социальных барьеров, но и их детальное эколого-геохимическое изучение.

Среди техногенных геохимических барьеров, также как и в природном типе барьеров следует выделять группу комплексных геохимических барьеров, которые как по распространенности, так и по эколого-геохимической значимости, занимают (как и в случае с природными) ведущее положение. То, что очень часто создание одного, планируемого геохимического барьера вызывает возникновение под его влиянием и пространственно-совмещенных с ним новых, обычно незапланированных барьеров, заставляет уделять особое внимание комплексным техногенным и техногенно-природным барьерам.

Следует особо отметить, что природно-техногенные геохимические барьеры третьего типа всегда являются комплексными. Их число, а также научная и практическая значимость непрерывно возрастают.

В своем типичном проявлении комплексный геохимический барьер представляет собой пространственное наложение друг на друга (обычно с несовпадением границ) нескольких групп геохимических барьеров. Как правило, накладывающиеся друг на друга барьеры генетически связаны между собой. Среди природных барьеров комплексные по распространенности занимают если не первое, то одно из первых мест. Так, очень широко распространены (особенно в горных районах) кислородные барьеры, представляющие собой родники с выходом на поверхность глеевых вод. Осаждающиеся из них гидроксиды Fе³⁺ являются хорошими сорбентами целого ряда металлов из вытекающих родниковых вод. Процесс осаждения этих коллоидов представляет собой начало формирования нового геохимического барьера — сорбционного. Вот поэтому-то опробование «ржавой мути», осевшей на дне источников, дает информацию о концентрации металлов в родниковой воде, а следовательно, и об общей гидрогеохимической обстановке в районе распространения выходящих на поверхность глеевых вод.

О массе веществ, концентрирующихся на комплексных геохимических барьерах, об их распространенности в пространстве и во времени можно судить хотя бы потому, что подавляющее большинство месторождений полезных ископаемых образовалось именно на комплексных геохимических барьерах.

На геохимических барьерах образуются рудные тела месторождений, понятие о барьерах является одной из методологических основ изучения геохимических аномалий и, следовательно для разработки методики геохимических поисков месторождений полезных ископаемых.

Существуют также классификации, построенные не по генетическим признакам. Так, в зависимости от размеров выделяются макро-, мезо- и микробарьеры. К макрогеохимическим барьерам относятся зоны с резким уменьшением интенсивности миграции химических элементов на расстоянии в тысячи метров. Мощности зон могут достигать нескольких сотен метров. Такими барьерами являются, например, дельты крупных рек, где происходит смешивание пресных речных вод (их можно рассматривать как своеобразные коллоидные растворы) с морскими, которые являются слабыми электролитами. В этих условиях происходит осаждение коллоидов, что может даже являться началом формирования осадочных месторождений.

Протяженность мезобаръеров обычно колеблется от первых метров до тысячи метров. Их примером могут быть краевые зоны болот, где резко изменяются окислительно-восстановительные условия и могут накапливаться многие химические элементы, предварительно выщелоченные из водораздельных и склоновых участков.

Размеры микробаръеров могут колебаться от долей миллиметра до первых метров. К ним относятся и барьеры, выделяемые А.Л. Ковалевским в отдельных растениях, и барьеры, на которых формируются рудные прожилки и жилы в пределах месторождений полезных ископаемых.

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 ориентации в пространстве миграционных потоков А.И. Перельманом выделены латеральные и радиальные барьеры. Латеральные барьеры формируются при движении вод в субгоризонтальном направлении, а радиальные (вертикальные) барьеры при миграции растворов (снизу вверх или сверху вниз) в зонах разломов, корах выветривания. В случае техногенного загрязнения поверхности почв радиальные барьеры являются зоной накопления-осаждения продуктов техногенеза из мигрирующего потока в почвы. Кроме того, они, по мнению Н.П. Солнцевой, являются «основной формой защиты почвенно-грунтовых вод от загрязнения». Именно на таких барьерах очень часто начинается распад различных комплексных соединений в гидротермах и начинает формироваться вертикальная зональность оруденения детально описанная Л.Н. Овчинниковым и СВ. Григоряном.

Природные латеральные барьеры биосферы во многом отражают ландшафтно-геохимическую контрастность территории, а при поступлении веществ с техногенными потоками — контрастность свойств объектов, выполняющих барьерные функции, и свойств поступающих потоков.

По способу массопереноса различают диффузионные и инфильтрационные барьеры, хотя обычно при наличии инфильтрационных барьеров возникают и диффузионные. Эта закономерность наблюдается при формировании и микробарьеров, и макробарьеров.

В.С Голубев разработал понятие о подвижном геохимическом барьере – барьер перемещается медленнее фильтрации вод. При таком механизме перед барьером повышается содержание химических элементов.

Рассмотрим некоторые примеры геохимических барьеров природного типа.

Механическая группа барьеров проявляется на участках резкого уменьшения интенсивности механической миграции. К ним приурочены различные продукты механической дифференциации осадков.

В группе по ведущему внешнему фактору миграции выделяются следующие классы барьеров:

Гидродинамический – проявляется в руслах рек, на берегах озер, морей и океанов, где происходит резкое снижение скорости течения. В результате на гидродинамическом барьере для веществ, перемещающихся в водных потоках, осаждаются минералы с находящимися в них изоморфными примесями, коллоиды с сорбированными ими веществами, живые и отмершие животные и растительные организмы, техногенные соединения, не имеющие природных аналогов.

Осаждение минералов происходит практически на всем протяжении водных потоков, постоянных и временных, которые могут быть на суше (реки, ручьи и т.д.) и в океане (течения, волноприбойная деятельность). На барьере происходит дифференциация в зависимости от массы перемещаемых обломков. Если же рассматривать обломки одного размера, то дифференциация будет происходить в зависимости от удельного веса. При этом большое влияние могут оказывать ландшафтно-геохимические особенности места расположения гидродинамического барьера.

За счет вышерассмотренной дифференциации веществ в зависимости от массы переносимых обломков, на барьере часто формируются участки с высокой концентрацией отдельных минералов. В случае их промышленных запасов образуются россыпные месторождения самородных Аu и Рt, алмазов, гранатов, цирконов и т.д. Иногда промышленную ценность представляют изоморфные примеси, содержащиеся в основных минералах россыпей (примером может служить Нf, извлекаемый из циркона). Следует отметить, что большая часть Аu добывается у нас в стране из россыпных месторождений.

Протяженные россыпи образуются в прибрежных зонах морей благодаря гидродинамической деятельности морских вод. Многие из таких россыпей имеют большое промышленное значение. Размеры барьера различные (от микро до макро). Впервые обосновал образование рудных месторождений за счет гидродинамической деятельности моря (механический барьер) профессор Ростовского университета И.А. Шамрай. Им же были описаны такие месторождения железа.

Как правило, природные концентрации химических элементов на гидродинамическом барьере не представляют опасности для живых организмов, так как находятся в труднорастворимых минералах.

Концентрация живых организмов, переносимых водными потоками, на гидродинамическом барьере относительно невелика. Гораздо больше отлагается отмерших организмов, точнее, их скелетов и раковин. Довольно значительное распространение это явление получило в процессе формирования ряда морских пляжей.

В последнее время значительная масса твердых техногенных соединений стала попадать в водные потоки. Концентрация таких соединений, не имеющих природных аналогов, происходит как на техногенных, так и на природных гидродинамических барьерах. Поскольку размеры и масса отдельных обломков и изделий колеблются в очень больших пределах (от обломков различных механизмов и автомобильных покрышек до пробок от бутылок и синтетических кульков), они осаждаются на различных по значимости барьерах практически по всей протяженности загрязненных постоянных и временных потоков, а также на пляжах. К сожалению, масса веществ, накапливающихся на этом барьере, возрастает, и проблема их ликвидации вскоре может стать одной из основных при решении многих экологических задач (Алексеенко, 2003).

Аэродинамический – проявляется при снижении скорости воздушного потока.

На барьере для веществ, перемещающихся в воздушных потоках, осаждаются обломки минералов, растворенные газовые смеси и пары, твердые коллоидные частицы, техногенные соединения.

Осаждение обломков минералов (песка), переносимых в воздушных потоках, часто происходит на мезобарьерах. Одним из примеров такого, но перемещающегося барьера являются дюны. Скорость их передвижения в разных районах обычно колеблется от 18 до 35 м в год. Обломки минералов переносятся и в агроландшафтах во время сильных пыльных бурь. В этом случае (при достаточном уменьшении силы ветра) началом формирующегося аэродинамического барьера могут становиться деревья, кусты и даже телеграфные столбы. В результате действия барьера в субаридных и аридных районах возникают эоловые аккумуляции песков, лесса, кальцитизация верхних горизонтов, эоловые россыпи золота, алмазов.

Для переносимых в воздушных потоках паров воды барьерами обычно служат горные системы. Классическим примером является район города Рио-де-Жанейро (Бразилия), зажатый между горами и Атлантическим океаном. Выпадение на барьере из облаков осадков в виде дождя приводит к экологическим бедствиям. Катастрофические наводнения в этом районе, связанные с продолжительными ливнями, происходят довольно часто. Последние из них были в 1966 и 1988 гг. Подобных барьеров на земном шаре довольно много, однако из-за высокой плотности населения (в районе проживает около 10 млн человек) особо выделяется именно этот участок. Во время последнего ливня (1988) здесь погибло около 300 человек, а общий экономический ущерб оценен в 935 млн долларов США.

Широко распространены в природе аэродинамические барьеры, на которых отлагаются коллоидные частицы, перемещающиеся в воздушных потоках. Довольно часто на таком барьере отлагаются и мелкие обломки минералов, но основную часть обычно составляют коллоиды (пыль).

О громадном значении этого явления можно судить уже по тому, что после пыльных бурь в 1969 г. на Дону и Кубани высота валов пыли, отложившейся на барьере в Краснодарском крае, иногда доходила до 5 м. Так как началом формирования рассматриваемых барьеров часто являются деревья и кусты, то трудно преувеличить положительную роль (особенно при развитии земледелия на больших площадях) лесополос.

Концентрация на аэродинамическом барьере относительно крупных организмов происходит совместно с мелкими обломками минералов, а споры и пыльца растений (так же, как и бактерии) часто прекращают миграцию вместе с неорганическими коллоидными частицами. По массе количество веществ, осаждающихся на барьере, чрезвычайно мало. Однако их роль в развитии биосферы значительна.

Осаждение на аэродинамическом барьере техногенных соединений, мигрирующих в воздушных потоках, все возрастает. Как правило, этот процесс приводит к ухудшению состояния среды, окружающей человека.

Фильтрационный – возникает по глинистым отложениям, через которые фильтруются ионные растворы, а механические частицы раствора задерживаются.

Плотиковый – проявляется при наличии плотных пород на пути вертикальной миграции обломочных частиц. В результате образуются повышенные концентрации тяжелых минералов (аллювиальные россыпи золота, платиноидов, касситерита и др.) (рис. 4).

Рис. 4. Схема строения аллювиальной россыпи в поперечном разрезе (по В.И. Смирнову)

Физико-химическая группа барьеров возникает в местах резкого уменьшения интенсивности физико-химической миграции. Геохимические барьеры возникают в местах изменения температуры, давления, окислительно-восстановительных, щелочно-кислотных и других условий.

В группе по ведущему внешнему фактору миграции выделяются следующие классы барьеров:

Барический – проявляется на участках резкого падения давления. Барьер формируется в местах резкого понижения давления СО₂ в подземных водах, на нем осаждаются кальцит и другие карбонаты:

Ca²⁺ + 2HCO₃^- = CaCo₃ +H₂O +CO₂

раствор твердый газ

Так образуются кальцитовые гидротермальные жилы, травертины в местах выхода на поверхность углекислых источников, кальцитовые горизонты в почвах и осадочных породах. Причина понижения давления СО₂ -тектонические подвижки, раскрытие полостей на глубине, разгрузка вод на поверхности и т.д.

Температурный - проявляется на участках резкого повышения или падения температуры.

Классическим примером проявления геохимического барьера температурного класса является кристаллизация минералов из магматического расплава при формировании магматических пород. Например, в реакционных рядах Н. Боуэна при понижении температуры магматического расплава первыми начинают кристаллизоваться высокотемпературные минералы оливин, анортит, последовательно сменяющиеся более низкотемпературными минералами в случае дальнейшего понижения температуры (рис. 5).

Рис. 5. Реакционные ряды Н.Боуэна с дополнениями А.Н. Заварицкого (1950)

Термобарический – проявляется на участках одновременного резкого падения температуры и давления. Результат деятельности барьера образование различных минералов и горных пород, например фосфоритов в области шельфа. При подъеме с больших глубин холодных вод, насыщенных Р₂О₅ и СО₂, в зоне шельфа происходит одновременно падение гидростатического давления и повышение температуры воды. Это приводит к выпадению в осадок фосфатных минералов и известковых осадков (рис. 6).

Рис. 6. Схема фосфоритообразования – осаждения фосфатов из морской воды в зоне шельфа в условиях восходящих холодных глубинных течений (по А. Казакову): 1 – 3 – фации: 1 – береговых галечников и песков, 2 – фосфоритная, 3- известковых осадков; 4 – падение планктона; 5 направление течений

Кислый – проявляется на участках среды миграции, где происходит смена нейтральной или щелочной среды на кислую. Барьер обусловлен понижением pH. Имеет значение для концентрации анионогенных элементов (Si, Ge, Mo (рис. 7). Роль барьера в образовании руд и аномалий меньше, чем щелочного.

Рис. 7. Катионогенные и анионогенные элементы в земной коре:

1 – элементы, образующие только катионы, 2 – элементы, образующие только анионы, 3 – амфотерные элементы: катионогенные и анионогенные (в том числе элементы, образующие комплексные анионы), 4 – элементы, у которых ионная форма отсутствует или не характерна (по А.И. Перельману)

Щелочной – проявляется на участках среды миграции, где нейтральная и кислая среда сменяется щелочной. Барьер обусловлен повышением pH. Имеет большое значение для концентрации катионогенных элементов (рис. 8). Образуются минералы – гидроксиды, карбонаты, фосфаты, ванадаты и др.

Рис. 8. Щелочной барьер на контакте силикатных и карбонатных пород (по А.И. Перельману)

Окислительный – проявляется на участках миграции, где происходит резкая смена восстановительных условий на окислительные. Барьер обусловлен повышением Eh. Сильные окислители: кислород, перекись водорода, сера в форме сульфат иона и др. На земной поверхности особенно характерна концентрация Fe, Mn, Co, S, Se (рис. 9).

Рис. 9. Окислительный барьер на контакте подземных глеевых вод с поверхностными кислородными водами (по А.И. Перельману)

Восстановительный – проявляется на участках миграции при резком увеличении восстановленности среды. Барьер обусловлен понижением Eh (рис. 10). В зависимости от состава восстановителей барьер делится на два подкласса:

1. Глеевый (бессероводородная обстановка) обусловлен присутствием растворимых органических соединений, метана, водорода, Fe²⁺. На барьере характерно минералообразование самородных металлов меди, золота, селена, сидерита, вивианита и др. минералов.

2. Сероводородный или сульфидный – обусловлен присутствием H₂S, HS^-, местами S^2-. На барьере концентрируются сульфиды (пирит, марказит, галенит, сфалерит и др.), самородные элементы золото, селен, серебро.

Рис. 10. Восстановительный барьер на выклинивании зоны пластового окисления (по А.И. Перельману)

Испарительно-концентрационный – проявляется на участках концентрации элементов в горных породах, почвах, морях, озерах в условиях жаркого климата (постоянно высокая температура) при испарении воды и как следствие понижения произведения растворимости. Имеет значения для формирования сульфатов, карбонатов, солей (рис. 11). Особенность данного барьера заключается в том, что внешний фактор миграции воздействует на внутренние факторы миграции. Изменение последних способствует снижению миграционных свойств атомов химических элементов, находящихся в виде ионов в водных растворах.

Рис. 11. Испарительный барьер в пустыне (по А.И. Перельману)

Сорбционный – проявляется на контакте вод с сорбентами, на поверхности которых образуются концентрации вещества. Барьер характерен для морских и озерных илов, краевых зон болот, почв, кор выветривания, контактов глин и песков в водоносных горизонтах (рис. 12). Глинами и другими сорбентами поглощаются Ca, K, Mg, P, S, Rb, V, Cs,

Рис. 12. Кислородно-сорбционный барьер в таежном ландшафте (по А.И. Перельману)

Zn, Ni, Co, Cu, Pb и другие элементы. Коллоиды сорбируют ионы при их концентрации в водах не достигающей произведения растворимости. Редкие элементы Li, Rd, Tl и другие, не образуют насыщенных растворов, и сорбция является важнейшим путём перехода из раствора в твердую фазу.

Инфильтрационно-диффузионный – проявляется на пути движения жидкостей, газов при наличии плотных, непроницаемых пород, препятствующих движению. На барьере возникают концентрации вод, газов, нефти (рис. 13).

Рис. 13. Залежи нефти и газа, в пластовом природном резервуаре:

1 – моласса, 2 – соляные породы, 3- базальный конгломерат, 4 – известняк, 5 – мергель, 6 – ангидрит, 7 – газ, 8 –нефть (по Р. Мейнхолду)

Биогеохимическая группа барьеров обусловлена резким уменьшение интенсивности миграции химических элементов под воздействием организмов. Это может быть относительно кратковременное накопление химических элементов растительными и животными организмами. При этом после их отмирания (а жизнь отдельных организмов может продолжаться от часов до столетий) сконцентрировавшиеся элементы практически сразу вовлекаются в процесс миграции и в первую очередь в биологический круговорот.

Возможны и захоронения отмерших организмов, тогда накопившиеся в них элементы могут быть связанными сотни миллионов лет. В таких случаях они находятся в залежах угля, торфе, органическом веществе, рассеянном в осадочных породах.

При изучении биогеохимических барьеров основное внимание уделяется общим закономерностям процесса накопления химических элементов организмами. Биомасса растений примерно в 1000 раз больше зоомассы. Соответственно большая масса веществ концентрируется на биогеохимическом барьере, представленном растениями. Однако процесс накопления химических элементов животными организмами, а особенно его последствия, часто имеют особо важное значение для людей. К сожалению, особенности таких биогеохимических барьеров к настоящему времени изучены в гораздо меньшей мере.

Согласно В.А. Алексеенко (2003) основные факторы концентрации химических элементов на биогеохимических барьерах условно можно объединить в следующие три большие группы:

1. внутренние, биохимические, определяемые биохимическими особенностями конкретного вида организмов;

2. внешние, ландшафтно-геохимические, определяемые условиями среды обитания (произрастания) организмов;

3. внутренние, кристаллохимические, определяемые свойствами ионов, входящих в состав растений и животных.

Биохимические факторы. К числу важнейших факторов, влияющих на концентрацию химических элементов в организмах и изученных к настоящему времени наиболее полно относятся:

1. Вид растений и животных. Для определенных видов растений и животных характерны соответствующие, конкретно для каждого вида, концентрации химических элементов. Средние содержания одного и того же элемента в разных видах растений, произрастающих в одинаковых условиях, могут различаться в 2—5 раз. Эта особенность у растений сохраняется, а часто даже усиливается в условиях катастрофического загрязнения почв — обычное их содержание превышается в десятки и сотни раз.

Концентрация элементов в различных видах животных, особенно с учетом скелетных образований, отличается еще больше, иногда на несколько порядков. Так, скелет ряда фораминифер состоит практически из СаСО₃, большинства радиолярий — из SiO₂, а радиолярий отряда Асаntaria — из SrSО₄. В организме корненожек ксенофиофора содержатся гранеллы ВаSО₄. Число подобных примеров можно приводить довольно долго.

Особо следует отметить наличие организмов концентраторов и деконцентраторов определенных элементов (обычно тяжелых металлов). В концентраторах данный элемент всегда (независимо от содержания в питательной среде или продуктах питания) находится в резко повышенных концентрациях, а в деконцентраторах — в пониженных. Необходимо отметить, что из-за этой особенности организмов концентраторов и деконцентраторов их нельзя использовать для проведения поисков месторождений полезных ископаемых биогеохимическими методами. Такие организмы при биогеохимических поисках должны выявляться еще в результате проведения опытных исследований.

2. Строение организмов. Концентрация большинства элементов различна в разных органах растительных и животных организмов. Иногда в одном и том же животном организме она может изменяться в десятки раз. При этом следует отметить, что определенные компоненты органических тканей могут вызвать образование в живом организме даже минералов с очень высокой концентрацией целого ряда элементов.

Образование в живых организмах неорганических кристаллов обусловлено, по мнению ряда ученых, некоторыми типами молекул и характером их взаимного расположения в тканях. Конкретный тип молекул может вызвать образование определенного внутреннего или внешнего минерального скелета. Для целлюлозы и пектинов характерно образование по стенкам клетки в растениях кальцита; белок конхиалин связан в раковинах моллюсков с кальцитом и арагонитом; белок коллаген связан с ОН – апатитом в костях позвоночных. Некоторые белки могут вызывать образование ядер минерализации карбонатов, кремнезема и даже магнетита.

Ландшафтно-геохимические факторы. Содержание химических элементов в одинаковых частях растения может существенно изменяться с изменением ландшафтно-геохимических условий их произростания. В основном через растения сказывается влияние ландшафтно-геохимических условий на накопление химических элементов в животных организмах, включая человека.

Рассматриваемое влияние наблюдается обычно в результате смены целого комплекса ландшафтно-геохимических условий. Специально проведенные исследования позволили установить, что практически все ландшафтно-геохимические особенности миграции химических элементов, учитываемые на всех уровнях классификации ландшафтов, влияют на концентрацию элементов в растениях. При этом они иногда имеют противоположную направленность, и тогда может отсутствовать суммарный эффект повышенного (или существенно пониженного) накопления элементов в растениях.

Например, изменение состава коренных горных пород приводит к смене ландшафтно-геохимической обстановки и, как правило, к изменению концентрации ряда элементов в растениях (табл. 2).

Таблица 2