 |
|
|
ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА |
Коллоидная миграция и сорбционные барьеры
|
Смотрите также:
История атомов и география - Перельман
Биографии геологов, почвоведов
|
Ландшафт — это подлинное царство коллоидов. Такого их накопления и разнообразия не наблюдается в других частях земной коры. С глубиной количество коллоидов и их геохимическая роль резко уменьшается, магматические породы практически не содержат коллоидов.
Чем интенсивнее и длительнее протекает бик, тем больше в ландшафте коллоидных веществ. Первые стадии формирования ландшафта на изверженных породах отличаются низким содержанием органических и минеральных коллоидов. Таковы, например, ландшафты скал, покрытых лишайниками, где вещество находится в неколлоидном состоянии.
В зрелые стадии развития большая часть твердого вещества ландшафта переходит в коллоидное состояние. Например, во влажных тропиках почва и кора выветривания почти на 100% состоят из коллоидных или метаколлоидных* минералов — гидроксидов Fe, Al, Si, глинистых минералов, гумуса. Размеры их частиц крупнее, чем у коллоидов, обычно они также менее гидратированы и обладают кристаллической структурой, обнаруживаемой невооруженным глазом или под оптическим микроскопом. Вместе с тем метаколлоиды сохраняют некоторые черты коллоидов, особенно в своем виде ("колломорфность").
Коллоидная миграция весьма характерна для гумуса и соединений Si, Al, Fe, Mn, Zr, Sn, Ti, V, Cr, Ni и других элементов.
Коллоидные растворы (золи) менее устойчивы, чем истинные растворы; они обычно не достигают высоких концентраций и в своем поведении подчиняются особым законам.
Из золей элементы осаждаются, образуя богатые водой студенистые осадки — гели. Так, из золей кремнезема выпадает гель, который сравнительно быстро теряет часть воды и превращается в твердый опал. Последний в ходе дальнейшей кристаллизации и потери воды может превратиться в халцедон и, наконец, в кварц. Известны и другие аморфные вещества неопределенного состава, со временем превращающиеся в коллоидные минералы микрокристаллической структуры. Особенно много подобных образований в лесных и болотных ландшафтах.
Соединения переменного состава были названы А.Е. Ферсманом мутабильными. Это преимущественно гели и неустойчивые коллоидные минералы, образующие ряд промежуточных стадий от исходного геля до относительно более устойчивой формы, обладающей кристаллической структурой. Однако даже в последних может меняться содержание воды и катионов. В ряде случаев коллоидные минералы возникают "на месте", за счет разрушения полевых шпатов и других минералов горных пород, а также за счет разложения органических остатков. Многие коллоидные минералы имеют кристаллическое строение, различимое лишь в электронном микроскопе. У частиц глинистых минералов обычно размеры несколько большие, чем у типичных коллоидов, но при своем образовании они прошли через коллоидную стадию. В глинах и суглинках этих минералов особенно много. Некоторые глины, например каолин, почти на 100% состоят из глинистых минералов.
Итак, наиболее важные составные части ландшафта, определяющие его своеобразие, или находятся в коллоидном состоянии, или прошли через коллоидное состояние. Это в первую очередь деятельная часть илов, почв и кор выветривания.
В почвах и корах выветривания гумидных ландшафтов коллоидные минералы мигрируют в виде тонких взвесей. При их осаждении оси ориентируются одинаково, образуя по трещинам и порам метакинематические микроструктуры — кутаны в виде тонких глинистых пленок. Геохимическая роль этих микроструктур изучена недостаточно.
В почвах и континентальных отложениях аридных ландшафтов много кальцита, воды имеют слабощелочную реакцию, не содержат или почти не содержат органических кислот. Все это не благоприятствует коллоидной миграции. Однако и в этих районах известны коллоидные растворы, содержащие кремнезем, соединения А1 и других элементов (особенно в содовых водах). В болотах здесь мигрируют гумус и другие коллоиды.
На раздробление вещества и образование коллоидов, так же как и на фотосинтез и испарение воды, затрачивается энергия. Поверхность отдельной коллоидной частицы ничтожна, ничтожна и ее поверхностная энергия — способность поглощать различные вещества из окружающей среды. Однако суммарная поверхность 1 г коллоидной фракции в сотни тысяч и миллионы раз больше поверхности 1 г частиц, видимых простым глазом (поверхность 1 г глин составляет десятки м2). Поэтому значительна и их поверхностная энергия, проявляющаяся в сорбции и теплоте смачивания. Многие металлы сорбируются тонкодисперсными частицами и мигрируют вместе с этими взвесями.
Неполярная сорбция состоит в поглощении из раствора целых молекул, например газов и паров, молекул органических веществ. Многие глинистые минералы сорбируют из вод органические молекулы. Велика геохимическая роль и полярной сорбции — ионного обмена. Еще в прошлом столетии было доказано, что цеолиты, почвы, илы, глины способны поглощать из растворов ионы. Так, если промывать дистиллированной водой на воронке незасоленную глину, то очень небольшое количество ионов Са2+ и Mg2+ перейдет в фильтрат (не более 0,0п% от массы глины). Если вместо воды использовать раствор соли, например NaCl, то количество С1- в фильтрате почти не изменится, содержание Na+ уменьшится и появятся Са2+ и Mg2+ в количестве, эквивалентном исчезнувшему Na+. Следовательно, глина поглотила Na+ и взамен выделила в раствор эквивалентные количества Са^+ и Mg2+, т.е. глины способны обменивать ионы. Правильное истолкование этого явления и, что особенно важно, его приложение к природным процессам было дано К.К. Гедройцем (1872—1932). В серии блестящих экспериментов он доказал, что каждая почва, глина, всякая мелкоземистая порода содержит катионы, которые, не растворяясь в дистиллированной воде, переходят в раствор нейтральной соли. При этом часть катионов соли в эквивалентных количествах поглощается твердой фазой.
Количество аниона соли в большинстве случаев не меняется. Катионы твердой фазы, способные обмениваться на катионы раствора, Гедройц назвал обменными катионами. Они связаны преимущественно с коллоидной частью почв и пород. Наиболее энергично поглощаются многовалентные катионы R3+ > r2+ > R+. Среди катионов с одинаковой валентностью энергия поглощения растет с ростом атомной массы и радиуса иона (Li+ < Na+ < К+ < Rb+ < Cs+ и т.д.). Поэтому К+ поглощается энергичнее Na+. Крупный катион уранил U022"1" легко сорбируется гидроксидами Fe, бурым углем, фосфоритами, каолинитом и монтмориллонитом. Неминеральную форму нахождения U во многих глинах, углях объясняют сорбцией его из вод. Согласно венгерскому ученому А. Салаи, гумус адсорбирует U из очень разбавленных растворов. Так, при концентрации U 1.10"5 г/л его содержание в торфе может составить 0,01%, причем торф сорбирует до 10% U. Обменная сорбция подчиняется закону действия масс, она тем интенсивнее, чем выше концентрация катионов в водах.
Обменные катионы появляются в породах и почвах либо при выветривании минералов, т.е. в результате их перехода из необменного состояния в обменное, либо за счет поглощения из вод (при этом часть обменных катионов породы переходит в воды). Фракцию, способную к ионному обмену, Гедройц назвал поглощающим комплексом. Почвы и породы всегда содержат некоторое количество обменных катионов. Общее их количество — емкость поглощения, обычно не превышает 1% (30—70 мг. экв.).
В ландшафте преобладают отрицательно заряженные коллоиды — глинистые минералы, органические вещества гумусового ряда, гель кремнекислоты, гидроксиды Мп и др. Они могут поглощать из раствора катионы, способные обмениваться на катионы поглощающего комплекса. Помимо Са2+, Mg2+, К+, Na+, Rb+, Cs+, Li+, Sr2+, Ba2+, Ra2+ сорбируются и тяжелые металлы — Си2"1", Pb2"1", Ag+, Hg2+ п др.
Менее распространены в ландшафтах положительно заряженные коллоиды, способные обменивать С1-, S042", Р043", V04^_ и другие анионы. Это характерно для влажных тропиков и субтропиков, где развита кора выветривания, содержащая положительно заряженные гидроксиды Fe и А1. Среди обменных анионов в ней обнаружены С1- и SO42". В озерных железных рудах нередко повышено содержание Р, V, As, сорбированных положительно заряженными гелями гидроксидов Fe.
Рассмотрим некоторые реакции ионного обмена. Если сульфатно-кальциевые (или магниевые) грунтовые воды взаимодействуют с глинами морского происхождения, содержащими обменный Na+, то наблюдается следующая реакция: глина = 2 Na+ + CaS04 Na2S04 + глина = Са2+; глина = 2 Na+ + MgS04 Na2S04 + глина = Mg2+. Символом глина = Са2+ об означена глина, содержащая обменный Са2+, глина = Mg2+ — Mg2+.
Постепенно весь обменный Na+ глин переходит в раствор, воды из сульфатно- кальциевых (магниевых) превращаются в сульфатно-натриевые, а поглощающий комплекс из типично морского натриевого становится типично континентальным — кальциево-магниевым.
Возможны и обратные реакции, когда сульфатно-натриевые воды, мигрируя среди пород, поглощающии комплекс которых насыщен Са2+, обменивают Na+ на обменный Са2+ породы. Кальций, соединяясь с SO42" вод, образует труднорастворимый гипс. Таково происхождение некоторых гипсовых аккумуляций в глинах и почвах: глина = Са2+ + 2Na+ + SO42- + 2Н2О глина = 2Na+ +
В гумидных и семиаридных ландшафтах широко распространены коллоидные гидроксиды Мп в виде черных примазок, конкреций, порошков и т.п. (псиломела- ны — Мп0.Мп02-п Н2О и другие минералы). Они нередко содержат примесь Ni, Со, Си, Zn, Hg, Аи, Ва и других катионогенных элементов, сорбированных гелем гидроксидов Мп, заряженным отрицательно.
В илах озер среди обменных катионов обычно преобладают Са^+ и Mg2+. В воде соленых озер, отшнуровавшихся от моря, в процессе испарения резко повышается содержание Na+ и С1- и уменьшается содержание SO42" за счет выпадения гипса. Наступает такой момент, когда Na+ озерной воды начинает вытеснять Са2+ и Mg2+ из озерных илов: ил = Са2+ + 2Na+ ил = 2Na+ + Са2+; ил = Mg2+ + 2Na+ ил = 2Na+ + Mg2+.
В результате в иле накапливается обменный Na+, а Са2+ и Mg2+ поступают в озерную воду, состав которой становится хлоркальциевым или хлормагниевым.
Следовательно, поглощающий комплекс является потенциальным источником катионов (реже анионов), которые в ходе различных процессов сравнительно легко мобилизуются и переводятся в раствор. Поэтому хотя обменные катионы входят в состав твердой фазы, они обладают значительно большей миграционной способностью, чем необменные. Иначе говоря, в каждой глине, в каждой почве необходимо различать две категории катионов: одни легко переходят в раствор и способны участвовать в реакциях (обменные катионы), а другие прочно закреплены в узлах кристаллических решеток и могут переходить в раствор лишь в результате разрушения минералов в ходе длительного выветривания (переход в раствор К, Na, Са полевых шпатов, К и Mg слюд и т.д.).
Между катионами вод и обменными катионами пород и почв наблюдается определенное соответствие: по составу обменных катионов можно судить о составе вод и наоборот. Так, если поглощающий комплекс насыщен Са2+ и Mg2+, то воды будут иметь нейтральную или слабощелочную реакцию и кальциевый состав (гидрокарбонатно-кальциевые или сульфатно-кальциевые). Если поглощающий комплекс содержит Н+ или то грунтовые воды имеют слабокислую реакцию и содержание Са2+ в них значительно меньше. Если почвы содержат обменный Na+ и не содержат легкорастворимые соли, то воды содержат некоторое количество соды. Кальциевые воды способствуют насыщению поглощающего комплекса Са^+, натриевые — Na+ и т.д.
Ионный обмен может быть и необратимым, если ионы поглощаются поверхностью коллоида и образуют прочное химическое соединение (хемосорбция). В результате последующей кристаллизации возникают минералы. Так, в бурых железняках, сорбировавших образуется минерал ферванит.
Сорбционные барьеры (G) возникают на контакте вод с глинами и другими сорбентами. На G барьерах концентрируются Са, К, Mg, Р, S, Rb, V, Cs, Zn, Ni, Co, Cu, Pb, U, As, Mo, Hg, Ra и другие элементы. Эти барьеры характерны для краевых зон болот (торф), иллювиальных глинистых горизонтов почв и кор выветривания, гумусовых горизонтов почв, контакта глин и песков в аллювии и т.д. Особенно велика роль G барьеров в гумидных ландшафтах с интенсивным биком, где накапливается много коллоидов, а воды мало минерализованы. В таких водах концентрация большинства элементов далека от насыщения и минералы не осаждаются. В этом случае сорбция, наряду с поглощением живым веществом, является часто важнейшим механизмом, задерживающим миграцию, переводящим элементы из жидкой фазы в твердую. В аридных ландшафтах, где воды сильно минерализованы, относительная роль сорбционного барьера уменьшается, так как многие элементы здесь концентрируются в результате осаждения простых солей. Однако для части редких элементов данный барьер имеет решающее значение и в аридных ландшафтах (например, для Li, Rb, Т1 и других металлов, соли которых легкорастворимы).
За счет сорбции происходит обогащение глин, гидроксидов Мп, гумусовых веществ Си, Ni, Со, Ва, Zn, Pb, U, Т1 и другими металлами. Поэтому коллоидные минералы богаты примесями. Сорбция в биосфере выполняет функцию, аналогичную изоморфизму, который играет здесь меньшую роль, чем в магматических и гидротермальных процессах. Искусственные сорбционные барьеры можно использовать в борьбе с загрязнением среды.
Американский ученый Г. Спозито обобщил данные о парагенных ассоциациях металлов в минералах (табл. 4.8). Таблица 4.8 Металлы, содержащиеся в оксидах железа, марганца и глинистых минералах почв в виде изоморфных примесей и включений Минералы Сопутствующие металлы Оксиды Fe Al, V, Мп, Ni, Си, Zn, Mo Оксиды Мп Fe, Со, Ni, Zn, Pb Карбонаты Са V, Мп, Fe, Co, Zn, Cd, Pb Иллиты Mg, Al, V, Ni, Co, Cr, Zn, Си, Pb Вермикулиты Mg, Al, Ti, Mn, Fe Смектиты Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Си, Zn, Pb
Сорбция многих химических элементов зависит от щелочно-кислотных условий. Так, сорбция катионогенных цинка и свинца наиболее активно протекает в кислой среде, богатой отрицательно заряженными органическими коллоидами.
В ландшафтах рудных полей при фильтрации растворов через почвы и отложения, содержащие коллоиды, образуются вторичные сорбционные ореолы рассеяния. При этом концентрация элементов часто не сопровождается образованием рудных минералов. Состав таких ореолов во многом зависит от глинистых минералов. В каолинитовой группе сорбция металлов ограничена, в то время как минералы группы монтмориллонита легко поглощают рудные элементы и в ореоле рассеяния возникают значительные их концентрации, обнаруживаемые при геохимических поисках. Важную роль в качестве сорбентов играют гидроксиды Fe и Мп. На многих полиметаллических месторождениях наблюдаются безминеральные формы Pb, Zn, Си, концентрирующиеся в гидроксидах (до 1% Pb, Си и т.д.). Глинистые отложения, перекрывающие рудные тела, иногда содержат у поверхности (в почвах) повышенные количества сорбированных металлов. На Урале, Алтае и в других рудных провинциях известны поверхностные ореолы Mo, Си, Ва, Ag, Pb, Zn, Со и других элементов в почвах, кайнозойских глинах, перекрывающих медноколчеданные палеозойские руды, залегающие на глубине десятков метров (4.13). Медно-никелевое оруденение в докембрии Русской платформы обнаруживается даже при мощности перекрывающих отложений 100—140 м. При валовом анализе почв такие "наложенные ореолы" часто не выявляются, но при обработке почв слабыми кислотами, содой или другими реактивами их удается установить. На этой основе С.П. Албулом, J1.B. Антроповой, Н.П. Долухановой, Г.Ф. Ларионовым, Ю.Е. Саетом и др. разработаны особые варианты литохимиче- ских поисков по наложенным ореолам рассеяния (сорбционно-солевой метод, почвенно-гидрохимическая съемка, МПФ, выделение из проб металлоорганиче- ских соединений и др.). Механизм образования этих вторичных ореолов еще недостаточно ясен.
|
|
|
|
К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов
|
Последние добавления:
Шаубергер Виктор – Энергия воды
Агрохимик и биохимик Д.Н. Прянишников
Тюрюканов. Биогеоценология. Биосфера. Почвы