Геохимические классы вод

Смотрите также:

История атомов и география - Перельман

Геохимия - химия земли

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

Комплексообразование

Сильно изменяет условия осаждения многих металлов образование гидроксокомплексов, полимерных ионов и комплексных анионов. Так, например, шестивалентный U в кислородных водах обычно находится в форме катиона уранила U022+, рН выпадения гидроксида которого 4,2. Таким образом, в нейтральных и слабощелочных средах U должен был бы осаждаться в форме гидроксида U02(0H)2, карбонатов и других солей.

Однако этот металл легко мигрирует в таких водах, т.к. образует растворимые комплексные анионы типа [1ГО2(СОз)з]4-. Си, Ag, Be, Sc, Y и редкие земли иттровой группы образуют аналогичные комплексные анионы и мигрируют в ландшафтах с содовыми водами (например, в степях с солонцами). Напротив, Fe, Со, Ni, Cd, редкие земли группы Се, не дающие растворимых комплексных соединений с карбонатами и бикарбонатами щелочей, малоподвижны в этих водах. Огромную роль в миграции металлов играют и комплексные органические соединения, которые характерны для тайги, тундры и других ландшафтов влажного климата. Здесь значительная, а часто и подавляющая часть Fe, Ni, Си, Zn мигрирует в комплексной форме. В общем, образование растворимых комплексных соединений увеличивает миграционную способность элементов. Таким образом, для правильной оценки рН как фактора миграции необходимо учитывать ряд условий. В противном случае возможно резкое расхождение теоретических выводов с действительностью.

Организмы чувствительны к рН; для них наиболее благоприятна реакция, близкая к нейтральной. Сильнокислые и сильнощелочные воды вредны для большинства культурных растений, домашних животных и человека.

Органические соединения живых организмов и гумус обладают буферной способностью усреднять сильнокислую и сильнощелочную среду. В сильнощелочных условиях слабые органические кислоты нейтрализуют щелочи и переводят реакцию из сильнощелочной в слабощелочную, а в сильнокислой среде слабые органические оенования нейтрализуют сильные кислоты и реакция становится слабокислой. Таким образом, в ландшафте имеется механизм, с помощью которого создается реакция вод, наиболее благоприятная для жизни. Однако этот механизм действует только в определенных условиях. Ландшафты, содержащие мало живого вещества, буферной способностью не обладают. Для них характерны резкие отклонения от нейтральной реакции. Примером служат Серные Бугры в Каракумах, где А.Е. Ферсманом в 1925 г. обнаружена свободная серная кислота, образующаяся при окислении S. Отсутствие нейтрализаторов в виде карбонатов или органических соединений обусловило сильнокислую реакцию, не свойственную пустыням.

По щелочно-кислотным условиям выделяется 4 класса вод ландшафта.

Сильнокислые воды имеют рН < 3—4, они распространены широко, но, как правило, на небольших площадях. Кислотность таких вод обычно обязана окислению пирита и других дисульфидов, приводящему к образования H2SO4. В сернокислых водах легко мигрирует большинство металлов, в том числе Fe, Си, Al, Zn и др. В вулканических районах известны и солянокислые воды. Большее распространение сильнокислые воды получили в техногенных ландшафтах.

Слабокислые — это воды, рН которых колеблется от 3—4 до 6,5; чаще всего их кислотность обусловлена разложением органических веществ, приводящим к поступлению в воду СО2, фульвокислот и других органических кислот. Если в горных породах мало подвижных сильных катионов, то кислотность нейтрализуется неполностью, и в почвах и коре выветривания господствует слабокислая среда. В таких водах легко мигрируют металлы в форме бикарбонатов и комплексных соединений с органическими кислотами. Подобные воды распространены исключительно широко в гумидных ландшафтах.

Нейтральные и слабощелочные воды имеют рН от 6,5 до 8,5. Их реакция часто определяется отношением бикарбоната Са к его карбонату или же бикарбоната к С02- Эти воды менее благоприятны для миграции большинства металлов, которые осаждаются в форме нерастворимых гидроксидов, карбонатов и других солей. Анионогенные элементы, напротив, мигрируют сравнительно легко (Si, Ge, Ag, V, U, Mo, Se и др.). Такие воды особенно характерны для аридных ландшафтов, вод известняков и изверженных пород, морей и океанов. При разложении органических веществ в них тоже образуются СО2 и органические кислоты, которые, однако, полностью нейтрализуются СаСОз и другими минералами Са, а также Mg, Na, К, которыми богаты почвы и породы.

Сильнощелочные воды с рН > 8,5 обычно обязаны своей реакцией присутствию соды (NaHCC>3, реже Na2CC>3, вернее ионов Na+, НСО3, С032", ОН-). В щелочных содовых водах легко мигрируют кремнезем, гуматы, А1 (АЮ2"), Мо (М0О42-). Большая группа элементов, соединения которых трудно растворимы в нейтральной и слабощелочной среде, в содовых водах обладает высокой миграционной способностью, так как в этих условиях возникают карбонатные растворимые комплексы (Си, Zn, Be,Y и редкие земли иттровой группы, Sc, Zr и ДР-)

Основные геохимические классы вод

В каждом из трех классов вод, выделенных по окислительно-восстановительным условиям, щелочно-кислотные условия могут быть различными. Так, выделяется 12 основных классов вод (таблица 4.7).

Для каждого класса характерны подвижные и "запрещенные" элементы. Например, в сильнощелочных кислородных водах легко мигрируют Na, Li, F, Мо, U, Y, Be, В, но эти воды "запрещены" для Са, Mg, Ва, Sr, Fe.

Поля устойчивости минералов и ионов. Eh и рН являются важнейшими геохимическими параметрами природных вод ландшафта и биосферы. На 4.5 показаны значения этих параметров для отдельных природных систем по данным нескольких тысяч определений, суммированных американскими геохимиками. Методы термодинамики позволяют рассчитать соотношение между компонентами после достижения термодинамического равновесия. Их результаты выражают в форме "Eh-рН-диаграмм", на которых по оси абцисс откладывают рН, а по оси ординат Eh. В таких координатах четко ограничиваются поля существования различных минералов и ионов. поля устойчивости соединений V.

При отрицательном Eh в водах и породах устойчивы соединения V3 + (V2O3 и др.). Они, например, встречаются в болотах и солончаках. Металлический V (VO) и двухвалентный V2+ [V(OH)2] существовать не могут, так как столь низкие Eh в ландшафтах отсутствуют. В лесных ландшафтах с кислой средой в окислительной обстановке почв и коры выветривания устойчивы соединения V4+ и V3+. Могут возникать и соединения V5+, но они более характерны для почв степей и пустынь с их высокими рН и Eh. Поэтому ванадаты встречаются преимущественно в аридных ландшафтах. На 4.7 показаны поля устойчивости ионов и гидроксидов металлов VIII и 16 группы Периодической системы. Становится понятной причина существования самородной Си в некоторых кислых болотах Урала (Eh до 0,2 В) и отсутствие самородных Ni и Со (столь низкие Eh в ландшафтах   отсутствуют).          

Полевые шпаты термодинамически неустойчивы на земной поверхности, но скорость их выветривания в сухом климате очень мала, и аркозовые пески существуют неопределенно долгое время. Таким образом, минерал может быть термодинамически неустойчив, но устойчив фактически и присутствовать в ландшафте. Следовательно, данные "Eh — рН-диаграмм" надо корректировать наблюдениями в природе, учитывая скорости реакций и возможность ложного "заторможенного" равновесия. Иначе говоря, наряду с термодинамикой надо учитывать и кинетику процессов, которая часто имеет ведущее значение.

Зоны выщелачивания. Процесс удаления из почв и горных пород подвижных элементов называется выщелачиванием. При этом почвы и породы обогащаются менее подвижными элементами и минералами (кварцем, каолинитом и др.). Выщелачивание играет

важную роль в формировании химического состава вод. Ранее выщелачивание изучалось представителями разных наук в зависимости от объектов исследования — почвоведами, литологами, гидрогеологами, минералогами и т.д. Однако, независимо от объекта во всех случаях имеет место взаимодействие вод с литосферой, что позволяет рассматривать выщелачивание с общих геохимических позиций (C.J1. Шварцев). Практическое значение подобных исследований очень велико, в частности, при охране окружающей среды, подземном выщелачивании руд, строительстве.

В соответствии с классами вод выделяется 12 классов выщелачивания. Хорошо изучено сернокислое выщелачивание на выходах сульфидных руд, кислое выщелачивание в тропических корах выветривания и почвах. С ним связано удаление из почв и пород преимущественно Са, Mg, Fe, Ni, Си, Со, Zn, Sr и др. Для щелочного выщелачивания характерен вынос Si, Ge, Mo и др. анионогенных элементов. Важное значение имеют также кислое-глеевое, содовое и прочее выщелачивание

По И.С. Гольдбергу и др., в процессах выщелачивания играют роль и электрохимическое перераспределение металлов: вынос их из вмещающих пород и осаждение на геохимических барьерах. В лабораторных экспериментах электрохимическое выщелачивание было установлено на порошках песчаников, кварцитов и др. При этом в анолите накапливались анионогенные элементы и часть катионо- генных (Si, Al, Mg, Fe, Pb, Си), а в католит поступали Са, Al, Mg, Fe и другие катионогенные элементы. Для микроэлементов степень извлечения достигала десятков процентов.

К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов