Типи міграції

Міграція речовин.

Геохімія процесів міграції виділяється в особливий розділ науки.

Виділяють 4 основних типи міграції: механічна, фізико-хімічна, біогенна, техногенна.

Механічна міграція (механогенез) - перенос і сортування уламків мінералів і гірських порід відповідно до їхніх фізичних властивостей (розмірів, міцності, формі, щільності й ін.)

Механічна міграція обумовлена роботою рік, течій, вітру, льодовиків, вулканів, тектонічних сил і інших факторів.

Характерне явище механогенеза - роздроблення гірських порід і мінералів, що веде до збільшення ступеня їхньої дисперсності, розчинності, розвитку сорбції.

При диспергуванні різко збільшується сумарна поверхня часток, а отже, і їхня поверхнева енергія.

Збільшується й розчинність мінералів, багато мінералів при цьому розкладаються. (Так, при диспергуванні сульфідів відбувається їхнє часткове розкладання на метал і сірку. Гідратні мінерали виділяють воду.)

При механічній міграції важливим фактором є щільність мінералів, твердість, піддатливість до вивітрювання мінералів. Тверді мінерали (наприклад, циркон, алмаз, каситерит) добре зберігаються в опадах, тому що при механічному переносі стираються на превелику силу.

Здатність мінералів опиратися стиранню називається абразивною міцністю.

Абразивна міцність залежить не тільки від твердості мінералів, але й від їхньої хімічної стійкості.

Висхідний ряд деяких найпоширеніших мінералів по абразивній міцності представлений у такий спосіб: золото, кіновар, вольфраміт, піроксени, лимоніт, колумбіт, платина, епідот, рогова обманка, дистен, олівін, апатит, монацит, ставроліт, андалузит, залізний блиск, пірит, ільменіт, магнетит, каситерит, хромшпинеліди, циркон, турмалін, осьмістий іридій, топаз, рутил, шпінель, корунд, алмаз.

Показником механічної міграції (Р_м) є річна витрата зважених часток у створі річки в т/км² площі басейну.

Показник механічної міграції залежить від:

- клімату

- геологічної будови місцевості

- рельєфу.

Максимальна величина Р_м характерна для аридних гір (Р_м = 1000 т/кв. км), мінімальна - для гумідних лісових рівнин.

Уявлення про співвідношення механічної й хімічної міграції дає відношення середньорічної мінералізації води до середньорічної мутності.

У сучасну геологічну епоху механічна міграція переважає над хімічною.

В історії окремих хімічних елементів механічна міграція відіграє різну роль. Вона велика для Si, Ni, Zr, Hf і мала для Ni, Co, Mg, Cl, Na.

У механічній міграції більшу роль відіграють еолові процеси.

За А. П. Лисиціним, перенос речовини в атмосфері може бути трьох видів:

- стратосферний (на висоті 15-60 км);

- тропосферний (на висоті 8-12 км, частки можуть мігрувати на сотні й тисячі кілометрів);

- локальний (міграція на десятки й сотні кілометрів).

Існує гіпотеза про еолове утворення лесів, покривних суглинків, пісків пустель. Особливо велика була роль еолових процесів у льодовикові періоди з їх сухим холодним кліматом і сильними вітрами. Наявність курних бур установлена на Марсі.

Механічна міграція на схилах зобов'язана таким процесам, як

- дефлюкція (сповзання грузлого або пластичнго потоку)

- солифлюкция (сповзання перезволоженої маси на мерзлій основі)

- крип (переміщення при спільній дії сили ваги й ін. факторів).

2. Фізико-хімічна міграція – це процес пов'язаний з переміщенням хім. елементів у природних водах, силікатних розплавах (магмах), атмосфері, що підпорядковується закономірностям фіз.-хім. процесів (дифузії, сорбції, розчинення, осадження й ін).

Інтенсивність і напрямок міграції хімічних елементів залежать від внутрішніх і зовнішніх факторів.

До внутрішніх факторів міграції відносяться:

- особливості іонів;

- форма, у якій присутній елемент;

- хімічні властивості елемента.

До зовнішніх факторів міграції відносять фізико-хімічні й біологічні умови міграції:

- лужно-кислотні й окислювально-відновні умови;

- водний режим;

- температурний режим;

- тиск;

- життєдіяльність живих організмів.

Внутрішні фактори фізико-хімічної міграції включають:

1. Особливості іонів.

- Електростатичні властивості іонів - ця група факторів, що враховується тільки при міграції елементів у вигляді іонів.

Іонна міграція характерна для: - водних розчинів,

- магматичних розплавів,

- газових сумішей,

- живої речовини.

Електростатичні властивості іонів багато в чому обумовлені розмірами іонних радіусів елементів.

Зі збільшенням радіуса іона звичайно зростає дальність міграції.

Показниками електростатичних властивостей іонів є іонний потенціал Картледжа й енергетичні коефіцієнти іонів.

Іонний потенціал Картледжа розраховують по формулі:

ПK = W / 10R_i,

де ПК - потенціал Картледжа, W - валентність іона, R_i.- радіус іона, нм.

По цьому показнику хімічні елементи діляться на 3 групи:

- ПК нижче 3. Елементи з такими значеннями потенціалу звичайно легко переходять у природні води із твердої фази у вигляді іонів і не утворюють комплексних сполук: К, Na, Ca, Li, Rb, Cs, Ba.

- ПК від 3-12. Елементи з такими значеннями потенціалу Картледжа утворюють важкорозчинні гідролізовані сполуки. Fe, Al, Zr, V, Сr і ін.

- ПК вище 12. Елементи цієї групи, з'єднуючись із киснем, утворюють комплексні розчинні сполуки. Це В, С, N, Р, S.

Залежно від умов Si і Мо можуть поводитися і як елементи 2-й групи і як елементи 3-й групи.

- Енергетичні коефіцієнти відбивають послідовність кристалізації мінералів з розчинів і розплавів і обумовлені, в основному, енергією їхніх кристалічних решіток.

Енергетичні коефіцієнти іонів розраховують по наступних формулах (А. Е. Ферсман):

ЕК_{катіонів} = (W² ÷ 20R_i) x [0,75(10R_i +0,2)],

ЕК_{аніонів} = (W² ÷ 20R_i)

- Іони з більшими значеннями ЕК випадають із розчинів раніше. У процесах міграції вони менш рухливі й тому накопичуються в елювії.

- Іони з малими енергетичними коефіцієнтами (Na, К, Rb, Cs, Li) мають легку розчинність і високу міграційну здатність.

Ступінь електролітичної дисоціації характеризує кількість іонів, що утворилися при розчиненні речовини.

Показником ступеня дисоціації є коефіцієнт дисоціації, він залежить від природи як розчиненої речовини, так і розчинника, і тому цей показник можна віднести як до внутрішніх, так і до зовнішніх факторів міграції.

Ступенем електролітичної дисоціації визначається послідовність випадання речовини в осад.

Однак неможливо пояснити всю розмаїтість міграційних процесів властивостями іонів, тому що багато елементів мігрують у вигляді недисоційованих молекул, особливо це стосується гідрооксидів.

Неіонна форма переважає й в органічних сполуках (колоїдні міцели), багато з яких добре розчинні у воді (фульвокислоти, наприклад). У комплексі з органічною речовиною мігрують і багато металів.

2. Форма, у якій перебуває елемент, і відповідно його хімічні властивості.

В. И. Вернадський виділяв 4 форми перебування елемента в природі:

- гірські породи й мінерали,

- жива речовина,

- магми (силікатні розплави),

- розсіювання.

Природно, що інтенсивність міграції елементів, що знаходяться у різних формах і з'єднаннях, - різна.

Наприклад, Na-Альбіту (NaAlSi₃O₈) і Na-Галиту (NaCl): мінерали характеризуються різною розчинністю й абразивною міцністю, швидкість міграції натрію із цих двох мінералів відрізняється доволі значно.

Метали можуть накопичуватися в земній корі у вигляді карбонатів, оксидів, сульфатів, сульфідів і т.д. У цілому, існує така закономірність: кисневі сполуки металів на земній поверхні більше стійкі, чим, наприклад, сульфіди.

Зовнішні фактори міграції

1. Температурний режим. З підвищенням температури збільшується міграційна здатність елементів, що перебувають у розчинах і розплавах, підвищується швидкість хімічних реакцій (принцип Ле-Шательє).

2. Тиск. При вивченні гідротермальних, магматичних і метаморфічних процесів обов'язково враховують такий зовнішній фактор, як тиск.

У межах же біосфери й ґрунтів тиск істотного впливу не надає, тому що значної зміни його не спостерігається.

3. Кислотно-основні умови середовища. Концентрація іонів Н⁺ також значно впливає на водну міграцію елементів у зоні гіпергінезу (вивітрювання). Цей фактор контролює осадження з розчинів багатьох сполук, коагуляцію колоїдів, впливає на надходження елементів у рослини, на рухливість багатьох металів (табл. 1).

Таблиця 1 - Значення рн початку осадження гідрооксидів деяких елементів з розведених розчинів (В. А. Алексєєнко)

Елемент	рН	Елемент	рН	Елемент	рН	Елемент	рН
Zr^4+	2,0	Al^3+	4,1	Cd^2+	6,7	Hg^2+	7,3
Sn^2+	3,0	U^6+	4,2	Ni^2+	6,7	Ce^3+	7,4
Ce^4+	2,7	Cr^3+	5,3	Co^2+	6,8	La^3+	8,4
Fe^3+	2,48	Cu^2+	5,3	Y^3+	6,8	Ag^+	9,0
Hg^+	3,0	Fe^2+	5,5	Sm^3+	6,8	Mn^2+	9,0
In^3+	3,4	Be^2+	5,7	Zn^2+	7,0	Mg^2+	10,5
Th^4+	3,5	Pb^3+	6,0	Nd^3+	7,0

Утворення комплексних аніонів сильно ускладнює цю картину. Наприклад, рН осадження UO₂(OH)₂ 3,8-6,0 (залежно від концентрації урану в розчині). Т.т. при значеннях рН вище 6 міграція UO₂²⁺ не повинна відбуватися. Але відомо, що уран у таких водах мігрує. Це пов'язане з утворенням розчинних карбонатних комплексів. Для більшості металів утворення комплексних іонів підвищує рн осадження гідрооксидів і підвищує розчинність взагалі.

Na, Са, К, Rb, Cs у земній корі не утворюють гідрооксидів і для їхнього осадження рн вод має лише непряме значення, як фактор, що впливає на сорбцію, розчинність солей і т.д.

Необхідно мати на увазі, що підвищення температури змінює іонний добуток води [Н⁺] х [ОН^-] і при t=100°C у нейтральному середовищі рН=6,12, а при t=400° - 5,5, а отже, змінюються в термальних водах і розчинності гідроксидів металів.

4. Окислювально-відновні умови. Ці умови дуже сильно впливають на міграцію елементів. Найважливіші окислювачі - О₂, Fe³⁺, Mn⁴⁺, відновники - S²⁺, Fe²⁺, H_2.

У безкисневій обстановці (для ґрунтів - глеєве середовище) збільшується міграційна здатність катіоногених елементів і зменшується - аніоногенних, прискорюється розкладання алюмосилікатів.

У відновному сірководневому середовищі H₂S вступає в реакції з багатьма металами, викликаючи їхнє осадження з розчину.

Відновне середовище навіть періодичного характеру в теплу пору року супроводжується інтенсивною міграцією сполук Fe, Mn, Со, Ni, Сu. При посиленні анаеробних умов залізо присутнє в болотних водах у вигляді Fe²⁺. Чим менше доступ кисню й нижче значення рН, тим вище рухливість сполук заліза. У періоди аерації починається перехід Fe²⁺ в Fe³⁺ і інтенсивне випадання в осад, нагромадження його сполук.

Особливу роль у водній міграції відіграють колоїди.

Міграція в колоїдній формі характерна для гумусу, сполук Si, AI, Fe, Mn, Zr, Sn, V, Cr, Ni і багатьох інших елементів.

Одна з особливостей процесу сорбції на колоїдах - селективность.

Склад сорбованих речовин багато в чому визначається зарядом сорбенту. Переважно сорбуються іони, що мають спільне атомне груповання. Краще сорбуються полівалентні, чим моновалентні іони, а серед моновалентних - ті, чий радіус - більше.

Li⁺<Na⁺<К⁺<NН⁺<Сs⁺<<Мg²⁺<Са²⁺<<АІ³⁺<Fе³⁺.

Cl^- ~ NO₃^- < SO₄^2- << PO₄^3- < SiO₄^4- < OH^-.

Таким чином, фізико-хімічна міграція підкоряється законам фізики й хімії й обумовлюється такими процесами, як дифузія, розчинення, осадження, сорбція, десорбція й т.д. При цьому вона може протікати в іонній або колоїдній формі.

Дата добавления: 2014-01-04