Геохимические аномалии

                                                             Оглавление

 

 

1. Геохимические аномалии2-7

   1.1.Геохимическая  аномалия2

1.2. Положительные и отрицательные  аномалии2-3

1.3. Выявление аномалий3-5

1.4. Практика выделения  аномалий5-7

 

2. Особенности миграции  химических элементов в биосфере.7-13

   2.1. Среда миграции7-10

2.2.Факторы миграции10-12

       2.3. Виды  миграции12-13

 

3. Кларки осадочных горных  пород14-17

4. Техногенная миграция.17-23

Список литературы.24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Геохимические аномалии.

 

1. Геохимическая аномалия — участок земной коры (или поверхности земли), отличающийся существенно повышенными концентрациями каких либо химических элементов или их соединений по сравнению с фоновыми значениями и закономерно расположенный относительно скоплений полезных.

  Собственно геохимической аномалией считаются участки со значительно повышенным (или пониженным) по сравнению с фоном содержанием химических элементов (их соединений). Сами элементы при этом могут находиться в минеральной, биогенной, коллоидной, сорбированной или изоморфной формах, а также в виде растворов и газовых смесей. К геохимическим аномалиям относятся и участки с резкими отклонениями от нормы соотношения двух и более элементов или изотопов одного и того же элемента. Элементы, по содержанию которых выявляются аномалии, обычно называют элементами-индикаторами.

2. Положительные и отрицательные аномалии

По особенностям распределения  элементов аномалии могут быть положительными или отрицательными. Первые отличаются повышенными концентрациями элементов-индикаторов, а вторые — пониженными. Хотя одни из первых экологически неблагоприятных  районов были выявлены по недостатку в их пределах химических элементов J и F, отрицательным аномалиям в  эколого-геохимической оценке территорий пока уделяется крайне незначительное внимание. Это во многом объясняется  тем, что обычно неблагоприятные  эколого-геохимические условия возникают  при загрязнении, а под ним  понимают увеличение концентраций определенных элементов (их соединений).

Следует помнить, что отрицательные  техногенные аномалии возникают  не только при выщелачивании элементов. Так, контрастные отрицательные  биогеохимические аномалии Мо возникают  при весьма существенном повышении  в почвах особо токсичного в данных случаях элемента — Рb. В почвах над окисляющимися металлами (их сульфидами) уменьшается содержание кислорода. По отрицательным аномалиям этих элементов даже ведутся поиски месторождений полезных ископаемых.

3. Выявление аномалий

Для выявления аномалий необходимо определить величину минимального (максимального) аномального содержания или верхний  и нижний пределы обычного колебания  содержания относительно фона. При  выделении аномалий «на глаз», а  также по принципу «считать аномальными  все содержания, в два-три раза превышающие среднее арифметическое»  неизбежны субъективные ошибки. Их можно исключить, пользуясь при  обработке имеющейся эколого-геохимической  информации методами математической статистики. Для этого очень важно правильное объединение в одну выборку определенной группы проб. Чаще всего при составлении  таких выборок учитывается ландшафтно-геохимическое  районирование территорий.

Методы проведения статистической обработки в этом учебнике не разбираются, так как в учебных программах курсу «Экологическая геохимия»  обычно предшествуют курсы «Математическая  статистика», «Вычислительные машины и программирование». Укажем только, что при выявлении положительных  аномалий нижнее значение аномальных содержаний для отдельных проб (отдельно расположенных точек отбора проб) вычисляется при нормальном законе распределения по формуле С_а = С_ф + 3S.

В случае выявления отрицательных  аномалий за верхний предел для отдельных  единичных проб (точек их отбора) берется содержание, вычисляемое  соответственно для нормального  и логнормального законов по формулам С_а = С_ф—ЗS.

Практика эколого-геохимических  исследований показала, что часто  возникает необходимость выявить  еще только формирующиеся аномалии. Эта задача может быть сведена  к выявлению участков с существенно  повышенными (пониженными) концентрациями химических элементов (их соединений), величины которых еще не достигли содержаний, определяемых по вышеуказанным  формулам. Для того чтобы не пропустить такие «недооформившиеся» аномалии, умышленно занижают (а при отрицательных аномалиях — завышают) значение аномального содержания. При этом для гарантии отсева проб, в которых повышенные (пониженные) концентрации вызваны только случайными колебаниями фона, в аномалию можно объединить лишь те пробы, которые отличаются четко выраженной корреляцией. Как правило, мы имеем дело с пространственной корреляцией проб, т.е. корреляцией точек отбора проб.

 

Чтобы установить субъективные ошибки при выявлении аномалий с несколько  пониженным (а для отрицательных  аномалий с несколько повышенным) уровнем, необходимо пользоваться следующими формулами:

• для положительных аномалий с нормальным законом распределения изучаемого компонента — Са = Сф + 3S/m^1/2,
• для отрицательных аномалий с нормальным законом распределения Са = Сф—3S/m^1/2.

В этих формулах m — число коррелирующихся проб (точек их отбора).

Опыт работ показал, что прогрессивное  изменение аномального содержания следует ограничивать при нормальном законе распределения уровнями С_ф(+-)S. Это соответствует учету в формулах девяти коррелирующих точек отбора проб (9^1/2= 3). Дальнейшее изменение значений аномальных содержаний приводит к потере и математического, и геохимического смысла этих величин.

4. Практика выделения аномалий

Обычно для каждой выборки рассчитывают фоновое содержание интересующих элементов (соединений) и три значения аномальных содержаний (для изолированных аномальных точек, а также для двух и девяти коррелирующих точек отбора проб). Затем на картах отбора проб, обязательно составляемых на ландшафтно-геохимической основе, проводят поэлементную разноску (каждый элемент на отдельной карте). При этом для выделения положительных аномалий особыми значками (удобно разными цветами) выносят только те пробы, в которых концентрация рассматриваемого элемента равна или превышает аномальное содержание соответственно: для единичных, для двух и для девяти коррелирующих проб.

После этого производится непосредственное выделение аномалий. Так, каждая проба  с концентрацией, равной или превышающей  аномальную для единичных проб, заслуживает внимания. Пробы с содержаниями, аномальными для двух коррелирующих проб, составляют аномалию, если их рядом не меньше двух или если рядом расположена проба с аномальным содержанием для единичных проб . Пробы с содержаниями, аномальными для девяти коррелирующих проб, составляют аномалию только в том случае, если их число (вместе с пробами, имеющими более высокое содержание) не менее девяти. Внутри крупных аномалий могут находиться отдельные пробы с фоновыми содержаниями . При необходимости в пределах аномалии изолиниями выделяются аномальные содержания для единичных и двух коррелирующих проб.

   При выделении отрицательных аномалий выносятся пробы с содержаниями, которые равны или меньше рассчитанных аномальных. Дальнейший механизм выделения аналогичен описанному.

   Практика показала, что для каждого элемента (соединения) удобно составлять отдельную карту, а затем делать одну сводную, на которой кроме отдельных аномалий различных элементов (соединений) следует выделять аномальные зоны. Они представляют собой участки с пространственно сближенными аномалиями ряда элементов, образование которых (аномалий) может быть вызвано одними и теми же причинами. Практика выделения геохимических ландшафтов, аномальных по распределению элементов. В случае сложного ландшафтно-геохимического строения изучаемого района, а особенно при существенно меняющейся антропогенной нагрузке, кроме карт аномалий и аномальных зон, целесообразно построение карт фоновых содержаний. Такие карты составляются отдельно для каждого элемента. На них цветом обозначают разные фоновые содержания, характеризующие различные ландшафты или их определенные части. Обычно выделяется от трех до пяти различных уровней содержания. При выборе граничных значений фоновых содержаний желательно, чтобы аномальное содержание, установленное для девяти коррелирующих проб в выборках из ландшафтов с меньшим фоновым содержанием, не превышало нижний уровень границы фонов в группе ландшафтов с более высокими значениями фонов. Такие карты не только наглядно отражают основные геохимические особенности ландшафтов изучаемого района, но и позволяют сразу же выделить ландшафты с аномально высоким содержанием изучаемых веществ.

2. Особенности миграции химических элементов в биосфере.

Миграция - это процесс перемещения химических элементов в пространстве и во времени, приводящий к их концентрации или рассеянию.

1. Среда миграции

Может быть твёрдой (диффузия), жидкой (истинные и коллоидные растворы, расплавы, взвеси или суспензии) или газообразной (газовые смеси, взвеси, дымы – смесь газа и твердых частиц, аэрозоли, туманы – смесь газа и частиц жидкости, флюидизаты).

Очень многие химические соединения хорошо растворимы в воде и миграция входящих в их состав элементов происходит в ионной форме (K, Na, Cl и др.), поэтому здесь необходимо особо остановиться на необычных свойствах воды как растворителя. Никакая другая жидкость не может сравниться с водой ни по числу веществ, которые могут в ней растворяться, ни по количеству вещества, которое она может удерживать в растворе. Объяснение этих замечательных свойств следует искать в структуре воды, о которой мы говорили ранее. Вы помните, что каждая молекула воды является миниатюрным диполем. Важным следствием дипольной природы молекул воды является ее очень высокая диэлектрическая постоянная – 80. Высокая диэлектрическая проницаемость как раз и объясняет активность воды как растворителя ионных соединений. Это связано с тем. Что силы притяжения ионов друг к другу уменьшаются пропорционально диэлектрической проницаемости среды, а растворение ионных соединений не что иное, как разрыв ионов, составляющих молекулу растворяемого вещества молекулами растворителя. В растворе катионы притягивают отрицательные полюсы ближайших диполей молекул воды, а анионы – положительные полюсы диполей. Этот процесс, как Вам известно из курса химии, называется гидратацией. Число молекул воды, окружающих каждый ион напрямую зависит не только от размеров этого иона, но и от плотности заряда на его поверхности. То есть гидратация иона возрастает с увеличением его заряда (Z) и убывает с увеличением его радиуса (r). Величина Z/r, называемая ионным потенциалом, определяет не только гидратацию данного иона, но и многие другие его свойства в водных растворах. По существу, ионные потенциалы являются мерой электроотрицательности, т.к. - чем меньше радиус положительного иона и чем больше его заряд, тем более ярко выражены кислотные свойства соответствующего окисла. И, наоборот, чем больше радиус и чем меньше заряд, тем сильнее соответствующее основание. Положительный заряд поверхности иона отталкивает протоны, входящие в состав молекул воды, координированных вокруг него. Если это отталкивание достаточно сильно, некоторые из протонов могут отрываться от молекул воды, в результате чего заряд центрального иона нейтрализуется образовавшимися гидроксильными группами. В результате – может выпадать в осадок нерастворимая гидроокись. В истинных растворах элементы присутствуют либо в виде отдельных ионов, либо входят в состав растворимых комплексных ионов. Вам должно быть известно, что на растворимость тех или иных соединений существенно влияют и такие параметры природных вод как их общая минерализация, ионный состав, кислотность-щелочность, окислительно-восстановительный потенциал. Все эти рассмотренные нами геохимические параметры вод в первую очередь определяют миграцию химических элементов в ионной форме. Но в водной среде возможны и иные формы физико-химической миграции элементов. Одна из таких форм – миграция в коллоидных растворах. Процесс образования истинных растворов достаточно подробно рассматривается в курсе химии, поэтому несколько подробнее остановимся на свойствах коллоидных систем, изучению которых уделяется явно недостаточное внимание в школьном курсе химии.

Коллоидным является такое состояние дисперсной системы, в которой размер диспергированных частиц колеблется приблизительно от 10-3 до 10-6 мм. Нельзя провести четкой границы между истинными и коллоидными растворами: коллоидные растворы, с одной стороны, переходят в истинные, а с другой – в суспензии. Степень их диспергированности такова, что частицы нельзя различить в световом микроскопе, но они крупнее молекул, т.е коллоидные частицы обычно мультимолекулярны (состоят из многих молекул). Коолоидные частицы (дисперсная фаза) разделены дисперсионной средой и в целом составляют коллоидную систему. Существует большое количество разнообразных типов коллоидных систем: твердое – газ (дымы), жидкость-газ (туманы), жидкость-жидкость (эмульсии), твердое-жидкость, т.е. коллоидные растворы (золи, гели и пасты). Жидкость в природныхз коллоидных системах обычно представлена водой.

Коллоидные растворы представляют собой жидкие системы, состоящие из жидкости и свободно (в процессе броуновского движения) передвигающихся в ней частичек дисперсной фазы – мицелл. Мицеллы – это не ионизированные атомы, и даже не отдельные недиссоциированные молекулы, а агрегаты из большого числа недиссоциированных молекул. С окружающей их жидкостью (дисперсионной средой) они имеют физические поверхности раздела. В зависимости от соотношения твердой и жидкой фаз коллоидные растворы подразделяются на золи, гели и пасты. Золи представляют собой системы, похожие по своим физическим свойствам на жидкости: они обладают большой текучестью и сравнительно небольшой вязкостью. Для гелей характерна повышенная вязкость. Пасты представляют собой системы, в которых концентрация твердых частиц столь высока, что они заполняют собой почти весь объем системы. Коллоидные растворы могут быть получены двумя способами: при дроблении более грубых частиц до коллоидных размеров или, напротив, путем объединения более мелких частиц (атомов, молекул или ионов). Большинство природных коллоидов, по-видимому, образуется вторым способом.

Есть обширная группа химических элементов, способность которых к миграции в ионной форме ограничена. Это  так называемые элементы-гидролизанты – они в растворах легко вступают в реакции гидролиза и выпадают в осадок. Это Fe, Mn, Al, Ti, Sn, Zr, Cr, W, Mo и др. Большей частью они мигрируют в зоне гипергенеза в форме коллоидных растворов. Их растворимость в коллоидной форме в десятки, сотни, иногда и в тысячи раз превышает растворимость в форме истинных (ионных) растворов.

    Причины, вызывающие ускорение процесса коагуляции, сложны и многообразны и могут быть связаны с любыми изменениями физико-химических параметров среды. Одной из наиболее распространённых причин коагуляции коллоидов в зоне гипергенеза является смешение коллоидных растворов с истинными, которые действуют на них как электролиты. Поэтому средой активной миграции коллоидов обычно являются слабо минерализованные поверхностные и грунтовые воды (пресные и ультрапресные), а зоной массового осаждения коллоидных частиц – устья рек, т.к. значительная часть коллоидов быстро коагулирует в морской воде. Область широчайшего распространения коллоидов – это почвы, где значительная часть минеральных веществ содержится именно в этой форме.