Геохимические классификации химических элементов

По геологическим условиям образования месторождения полезных ископаемых подразделяются на серии, которые, в свою очередь, разделяются на группы, а эти, последние, распадаются на классы, подклассы и формации. Выделяются три серии месторождений полезных ископаемых: седиментогенные (поверхностные, экзогенные), магматогенные (глубинные, эндогенные), метаморфогенные.

Месторождения полезных ископаемых возникали на всём протяжении истории  образования земной коры от древнейших её этапов до современности. В соответствии с принятым подразделением геологической истории выделяются месторождения полезных ископаемых архейского, протерозойского, рифейского, палеозойского, мезозойского и кайнозойского периодов (см. Металлогенические эпохи).

По источникам вещества, слагающего месторождения полезных ископаемых, среди них выделяются месторождения с веществом подкоровых, мантийных или базальтовых магм, коровых или гранитных магм, а также осадочной оболочки Земли.

По месту формирования месторождения полезных ископаемых разделяются на геосинклинальные (или  складчатых областей) и платформенные. Различают четыре уровня образования  месторождений полезных ископаемых от поверхности Земли: ультраабиссальный (свыше 10-15 км), абиссальный (от 3-5 до 10-15 км), гипабиссальный (от 1-1,5 до 3-5 км), приповерхностный (от земной поверхности до глубины 1-1,5 км).

ГЛАВА 3. Геохимические барьеры. Биогеохимический барьер.

3.1. Геохимические барьеры – участки ландшафтной сферы, на которых происходит резкое уменьшение интенсивности миграции и концентрация химических элементов и соединений. С латеральными (боковыми) миграционными потоками и сменой на их пути геохимической обстановки связано появление ландшафтно-геохимических барьеров, а с радиальными (вертикальными) потоками и контрастностью условий миграции в различных генетических горизонтах почв — почвенно-геохимических барьеров. По форме геохимические барьеры разделяются на линейные, приуроченные к границам между элементарными ландшафтными ареалами, и площадные, имеющие субгоризонтальное простирание. Размеры геохимических барьеров могут варьироваться от нескольких сантиметров до сотен и тысяч метров. Выделяют следующие основные виды геохимических барьеров: механические — участки резкого изменения скорости движения миграционных водных потоков или ветра, на которых происходит накопление химических элементов и соединений, передвигающихся в виде обломочных частиц различного размера; физико-химические — возникающие на участках резкого изменения окислительно-восстановительных и/или щелочно-кислотных характеристик природных вод (среди них выделяют кислородный, сульфатный, карбонатный, испарительный и др.); биологические — приурочены к местам накопления химических элементов и соединений за счет жизнедеятельности различных организмов.

В природе встречаются  как отдельные виды геохимических  барьеров, так и их разнообразные  сочетания. Каждая разновидность геохимического барьера обладает способностью концентрировать  лишь определенную ассоциацию мигрирующих  веществ (например, на карбонатном геохимическом  барьере теряют подвижность ионы Ca, Sr, Ba; на испарительном — ионы Li, Na, Mg, Ca, U и т.п.). Детальное изучение геохимических барьеров является одной  из основных задач геохимии ландшафта  в связи с огромной практической значимостью, так как концентрации отдельных элементов на геохимические  барьеры могут достигать значимых в промышленном отношении величин, а также иметь экологические последствия. Геохимические барьеры выполняют функцию природных "фильтров", сильно снижающих миграционную способность большинства загрязнителей и способствующих их фиксации и различению. Более того, теория геохимических барьеров служит основой для научного обоснования создания искусственных геохимических барьеров (техногенные геохимические барьеры), ограничивающих или полностью исключающих распространение химических загрязнителей.

3.2. Типы геохимических барьеров

Геохимические барьеры биосферы разделяются на два основных типа - природные и техногенные. И те, и другие располагаются на участках изменения факторов миграции. В первом случае смена факторов, а соответственно и геохимической обстановки, обусловливается  природными особенностями конкретного  участка биосферы. Во втором такая  смена геохимических обстановок происходит в результате антропогенной  деятельности.

Оба типа геохимических барьеров подразделяются А.И. Перельманом на три класса: физико-химические, биогеохимические и механические. Позже В.А. Алексеенко был выделен класс только техногенных (социальных) барьеров. На физико-химических барьерах концентрация веществ связана  с их отложением из растворов при  изменении физико-химической обстановки. В качестве примера уже был  рассмотрен один из таких барьеров (испарительный), существенно воздействующий на безопасность жизнедеятельности.

Механические  барьеры представляют собой участки с резким уменьшением интенсивности механического перемещения веществ и соответственно их отложения. В биосфере механические барьеры связаны в основном с миграцией элементов в минеральной или коллоидной форме. Миграция чаще всего происходит в воздушной и в водной средах, а также на границе сред (скатывание обломков по склонам).

При переносе в воздушных  потоках паров воды своеобразными  механическими барьерами являются горные системы. Задержка на них облаков  и выпадение осадков могут  приводить к нарушению безопасности жизнедеятельности и даже к экологическим  катастрофам. Это необходимо учитывать  при освоении новых районов, строительстве  населенных пунктов и предприятий. Классическим примером такого барьера  может служить район города Рио-де-Жанейро (Бразилия), зажатый между горами и Атлантическим океаном. Катастрофические наводнения, связанные с продолжительными ливнями, происходят в этом районе довольно часто. Во время одного из последних  ливней (1988) здесь погибло около 300 человек, а общий экологический  ущерб оценен в 935 млн долл. США. Подобных барьеров на земном шаре довольно много, однако сведения о существенных нарушениях безопасности жизнедеятельности в  этих районах становятся широко известными лишь при высокой плотности населения. (В районе, приведенном в качестве примера, проживает около 10 млн человек).

Биогеохимические  барьеры по своей сути представляют накопление химических элементов растительными и животными организмами. Наибольшее внимание следует уделять накоплению веществ в высоких (токсичных) концентрациях сельскохозяйственными культурами, используемыми для питания. Такое накопление обычно происходит при внесении в почвы чрезмерных доз удобрений и средств химической защиты растений. Известны случаи массового отравления населения арбузами с высоким содержанием нитратов. Известны случаи токсичных концентраций нитратов в кормовых культурах, картофеле, овощах.

Иногда в качестве удобрения  используются илы из городских очистных сооружений, как, например, в Новороссийске. Многие овощи при этом увеличивают  урожайность, но содержат в опасных  для здоровья концентрациях многие тяжелые металлы. Их токсичное воздействие  в одних случаях проявляется  сразу. В других случаях они, накапливаясь в организме, нарушают безопасность жизнедеятельности через годы.

Биогеохимические барьеры  могут приводить и к возрастанию  безопасности жизнедеятельности, задерживая поступление токсичных веществ  из атмосферы. Такими барьерами обычно служат зеленые насаждения (декоративные деревья и кустарники) около промышленных и в селитебных ландшафтах. При  этом подбор специальных растений, в больших концентрациях поглощающих  определенные химические элементы, может  резко повысить безопасность жизнедеятельности  около определенных предприятий.

Социальные геохимические  барьеры относятся только к техногенным и представляют собой участки, в пределах которых вещества концентрируются в результате прекращения их социальной миграции. Этим термином целесообразно объединять зоны складирования и захоронения отходов, как промышленных, так и бытовых. Кратко рассмотрим их некоторые особенности, влияющие на безопасность жизнедеятельности.

Химические элементы (их соединения), накапливающиеся на социальных барьерах в повышенных концентрациях, не соответствуют ни одной природной  ассоциации. Это значит, что совместно  могут встретиться элементы, которые  в повышенных содержаниях в биосфере до вмешательства человека в их распределение  не встречались. Последствия их необычного для природы совместного влияния  на безопасность жизнедеятельности  не изучены.

Окислительные геохимические  барьеры. Развиваются на участках резкой смены восстановительных условий окислительными или же в общей форме в местах перехода от менее окислительных условий к более восстановительным (или от более восстановительных к менее окислительным). Наиболее изучены такие барьеры в местах смены восстановительной обстановки окислительной, причем главным агентом окисления служит свободный кислород. В связи с этим данную разновидность окислительного барьера можно назвать кислородным барьером.

Восстановительные геохимические барьеры. Эти барьеры возникают в тех участках зоны гипергенеза, где окислительные условия сменяются восстановительными или, в более общей форме, где менее восстановительные резко переходят в более восстановительные. В соответствии с двумя основными классами восстановительной среды - сульфидным (сероводородным) и глеевым - устанавливаются и два класса восстановительных геохимических барьера: сульфидный (сероводородный) и глеевый. Оба класса барьеров распространены как в почвах, так и в водоносных горизонтах.

Сульфидный барьер. Современные термальные сероводородные барьеры формируются на дне впадин Красного моря, в других морских и океанических районах, в районах вулканизма, в зонах разлома и т. д.[1]. Сульфидный (сероводородный) барьер так же возникает в почвах и водоносных горизонтах, когда дренирующие воды встречают на пути своего движения сероводород (сероводородные воды; выделение газов, содержащих H2S; гниющее органическое вещество). При этом происходит выпадение металлов в форме нерастворимых сульфидов.

Сероводород осаждает медь из природных вод в форме различных  сульфидов. Поэтому на участках встречи  меденосных вод с сероводородными  возникает восстановительный барьер, на котором осаждается медь и ее спутники свинец и цинк.

       3.3. Техногенные геохимические барьеры и защита окружающей среды

Разработка методов улучшения  экологической ситуации до последнего времени проводилась в основном путем совершенствования технологий производства (создание безотходных  технологий, переработка отходов, совершенствование  систем очистки сбросов и выбросов и т.д.), что, несомненно, является важным и перспективным направлением. Наряду с этим в последние десятилетия  для защиты окружающей среды от загрязнения  наметилась тенденция использования  геохимических методов. Большую  роль в этом сыграло исследование процессов техногенной миграции элементов и введение А.И. Перельманом  понятий "геохимический барьер" и "техногенный геохимический  барьер". Это участок, где происходит резкое уменьшение интенсивности миграции и, как следствие, концентрация элементов.

Сущность методов защиты окружающей среды от загрязнения  с помощью геохимических барьеров заключается в переводе загрязняющих компонентов в малоподвижные  формы. При этом возможно использование  как существующих природных геохимических  барьеров, так и целенаправленное создание техногенных барьеров. В  качестве материалов для создания барьеров в зависимости от состава загрязнителей  могут применяться природные  образования (грунты, горные породы и  т.д.) или иные вещества, например, производственные отходы. В ряде случаев локализация  загрязнителей может осуществляться за счет учета природных геохимических  особенностей грунтовой толщи при  выборе участков складирования или  сброса отходов. Опыт работы показал  возможность использования барьеров в различных ситуациях.

Очистка сточных  вод от взвешенных частиц. Для очистки дражных стоков от взвешенных частиц на месторождении алмазов в Пермской области предложено использовать грунтовые фильтры, укладываемые в русле реки. В качестве материала для фильтров использовались дражные отвалы. Опытные натурные работы показали, что в зависимости от длины пути фильтрации концентрация взвешенных частиц в стоках может снижаться в десятки и сотни раз.

Нейтрализация кислых стоков. Шахты Кизеловского угольного бассейна сбрасывают практически без очистки в гидрографическую сеть кислые (рН=2-4) высокоминерализованные сульфатные воды, имеющие в составе повышенные содержания железа, алюминия, тяжелых металлов. Нейтрализацию кислых шахтных вод возможно проводить с использованием отходов щелочного состава. Лабораторные работы показали, что при использовании щелочных отходов содового производства рН шахтных вод можно повышать до нейтральных значений. При этом содержание загрязнителей снижается до допустимых концентраций.

Снижение интенсивности  загрязнения подземных вод в  районах складирования шахтных  отвалов. Отходы в угледобычи в Кизеловском бассейне интенсивно загрязняют подземные воды. В районах породных отвалов они имеют низкие значения рН, повышенную минерализацию, а также высокие содержания сульфатов, железа, алюминия, тяжелых металлов. Для нормализации состава подземных вод в качестве реагента предложено использовать соединения бария, а также дробленые карбонатные породы, укладываемые в траншеи в зоне стока с отвалов. Натурные исследования показали, что в результате применения метода на опытном участке водородный показатель подземных вод повысился с 1,8 до 6,4 и сохранял близкие значения в течение года. Существенно снизились минерализация воды с 24 до 3 г/л, а также содержание основных загрязняющих компонентов.

Снижение содержания сульфатов в технических водах. На Холбольджинском угольном разрезе (Бурятия) использование для полива технической воды, большие запасы которой сосредоточены в выработанном карьере, затруднено повышенным содержанием в ней сульфатов – до 1200 мг/л. Для снижения содержания сульфатов использовались соединения бария. В результате опытных натурных работ содержание сульфатов снизилось до 440 мг/л (при максимально допустимой концентрации 500 мг/л). Содержание остальных компонентов не превышало нормативных значений.

Снижение сульфатной агрессивности подземных вод. При планировочных работах на промплощадке Губахинского химического завода использовались породы отвалов угольных шахт Кизеловского бассейна, характеризующиеся высоким содержанием различных форм серы. В результате подтопления в насыпных грунтах, на отметках выше заложения фундаментов, сформировались подземные воды, обладающие сульфатной агрессивностью к бетону. Снижение содержания сульфатов в подземных водах проводилось путем применения реагентов, содержащих барий. Проведенные на площадке опытные натурные работы показали, что в результате применения метода подземные воды, обладавшие средней и сильной сульфатной агрессивностью, становились неагрессивными по отношению к бетону. Положительный эффект сохранялся в течение двух лет наблюдений.