2. Миграция веществ

2.1. Типы миграции

Геохимия процессов миграции выделяется в особый раздел науки. Выделяют 4 основных типа миграции: механическая, физико-химическая, биогенная, техногенная.

Механическая миграция (механогенез) обусловлена работой рек, течений, ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и других факторов, детально изучаемых в соответствующих разделах геологии, геоморфологии, вулканологии, океанологии и т.д. Характерное явление механогенеза – раздробление горных пород и минералов, ведущее к увеличению степени их дисперсности, растворимости, развитию сорбции. При диспергировании резко увеличивается суммарная поверхность частиц, а, следовательно, и их поверхностная энергия. Увеличивается и растворимость минералов, многие минералы при этом разлагаются. Так, при диспергировании сульфидов про­водит их частичное разложение на металл и серу. Гидратные минералы выделяют воду.

При механогенезе тяжелые минералы ведут себя как частицы более крупного размера, т.е. при механической миграции важным фактором является плотность минералов. Механическая миграция зависит также от твердости, податливости к выветриванию минералов. Твердые минералы (например, циркон, алмаз, касситерит) хорошо со­храняются в осадках, так как при механическом пере­носе истираются с большим трудом.

Способность минералов сопротивляться истиранию называется абразивной прочностью. Абразивная проч­ность зависит не только от твердости минералов, но и от их химической устойчивости. Восходящий ряд не­которых наиболее распространенных минералов по аб­разивной прочности: золото, киноварь, вольфрамит, пироксены, лимонит, колумбит, платина, эпидот, роговая обманка, дистен, оливин, апатит, монацит, ставролит, ан­далузит, железный блеск, пирит, ильменит, магнетит, кас­ситерит, хромшпинелиды, циркон, турмалин, осмистый иридий, топаз, рутил, шпинель, корунд, алмаз.

Показателем механической миграции (Р_м) является го­довой расход взвешенных частиц в створе реки в т/км² площади бассейна. Р_м зависит от климата, геологическо­го строения местности и рельефа. Максимальная вели­чина Р_м характерна для аридных гор (Р_м = 1000 т/км²), минимальная – для гумидных лесных равнин.

Представление о соотношении механической и хими­ческой миграции дает отношение среднегодовой мине­рализации воды к среднегодовой мутности. В современ­ную геологическую эпоху механическая миграция пре­обладает над химической.

В истории отдельных химических элементов механи­ческая миграция играет различную роль. Она велика для Si, Zr, Нf и мала для Со, Мg, С1, Nа.

В механической миграции большую роль играют эоло­вые процессы. Перенос вещества в атмосфере может быть трех видов:

 — стратосферный (на высоте 15–60 км);

 — тропосферный (на высоте 8–12 км частицы могут мигрировать на сотни и тысячи километров);

 — локальный (миграция на десятки и сотни кило­метров).

Существует гипотеза об эоловом образовании лесов, покровных суглинков, песков пустынь. Осо­бенно велика была роль эоловых процессов в леднико­вые периоды с их сухим холодным климатом и силь­ными ветрами. Наличие пыльных бурь установлено на Марсе.

Механическая миграция на склонах обязана таким процессам, как дефлюкция (сползание вязкого или пластичного течения), солифлюкция (сползание пере­увлажненной массы на мерзлом основании), крип (пере­мещение при совместном действии силы тяжести и др. факторов).

Физико-химическая миграция – это перемещение, пе­рераспределение химических элементов в земной коре и на ее поверхности. Интенсивность и направление миг­рации химических элементов зависят от внутренних и внешних факторов. К внутренним факторам миграции относятся:

1) особенности ионов;

2) форма, в которой присутствует элемент;

3) химические свойства элемента.

К внешним факторам миграции относят физико-химические и биологические условия миграции. Это:

1) щелочно-кислотные и окислительно-восстанови­тельные условия;

2) водный режим;

3) температурный режим;

4) давление;

5) жизнедеятельность живых организмов.

Внутренними факторами физико-химической миграции являются электростатические свойства ионов и форма нахождения элемента.

Электростатические свойства ионов – эта груп­па факторов учитывается только при миграции элементов в виде ионов. Ионная миграция характерна для водных растворов, магматических расплавов, газовых смесей, живого вещества.

Электростатические свойства ионов во многом обус­ловлены размерами ионных радиусов элементов. С уве­личением радиуса иона обычно возрастает дальность миграции. Показателями электростатических свойств ионов служат ионный потенциал Картледжа и энерге­тические коэффициенты ионов. Ионный потенциал Кар­тледжа рассчитывают по формуле

ПК = W / 10R_i, (1)

где ПК – потенциал Картледжа, W – валентность иона, R_i – радиус иона, км.

По этому показателю химические элементы делятся на 3 группы.

1. ПК ниже 3. Элементы с такими значениями потен­циала обычно легко переходят в природные воды из твердой фазы в виде ионов и не образуют комплексных со­единений: К, Nа, Са, Li, Rb, Сs, Ва.

2. ПК от 3–12. Элементы с такими значениями потен­циала Картледжа образуют труднорастворимые гидролизованные соединения. К элементам этой группы от­носят: Fе, А1, Zг, V, Сr и др.

3. ПК выше 12. Элементы этой группы, соединяясь с кислородом, образуют комплексные растворимые соеди­нения. Это В, С, N, Р, S.

В зависимости от условий Si и Мо могут вести себя и как элементы 2-й группы и как элементы 3-й группы.

Энергетические коэффициент ионов рассчитывают по следующим формулам:

ЭК_КАТИОН = (W² / 20R_i)[0,75(10R_i + 0,2)], (2)

ЭК_АНИОН = W² / 20R_i. (3)

Энергетические коэффициенты отражают последова­тельность кристаллизации минералов из растворов и рас­плавов и обусловлены, в основном, энергией их кристал­лических решеток. Ионы с большими значениями ЭК вы­падают из растворов раньше. В процессах миграции они менее подвижны и поэтому накапливаются в элювии. Ионы с малыми энергетическими коэффициентами (Na, К, RЬ, Сs, Li) обладают легкой растворимостью и высо­кой миграционной способностью.

Степень электролитической диссоциации характери­зует количество ионов, образовавшихся при растворении вещества. Показателем степени диссоциации является коэффициент диссоциации, он зависит от природы, как растворенного вещества, так и растворителя, и поэтому этот показатель можно отнести как к внутренним, так и к внешним факторам миграции. Степенью электроли­тической диссоциации определяется последовательность выпадения вещества в осадок.

Однако невозможно объяснить все разнообразие миграционных процессов свойствами ионов, т.к. многие элементы мигрируют в виде недиссоциированных молекул, особенно это относится к гидрооксидам. Неионная форма преобладает и в органических соединениях (кол­лоидные мицеллы), многие из которых хорошо раство­римы в воде (фульвокислоты, например). В комплексе с органическим веществом мигрируют и многие металлы.

Форма, в которой находится элемент, и соответствен­но его химические свойства, также относится к внутрен­ним факторам миграции.

В.И. Вернадский выделял 4 формы нахождения эле­мента в природе: горные породы и минералы, живое ве­щество, магмы (силикатные расплавы) и рассеяние. Ес­тественно, что интенсивность миграции элементов, нахо­дящихся в различных формах и соединениях, – различ­на. Например, минералы Nа-альбита и Nа-галита харак­теризуются различной растворимостью и абразивной прочностью, скорость миграции натрия из этих двух ми­нералов разнится довольно-таки значительно. Металлы могут накапливаться в земной коре в виде карбонатов, оксидов, сульфатов, сульфидов и т.д. В целом, существует такая закономерность: кислородные соединения метал­лов на земной поверхности более устойчивы, чем, напри­мер, сульфиды.