Глава 3. Миграция элементов в природных системах

Перемещение химических элементов в пределах земной коры, гидросферы и атмосферы может происходить в виде расплавов, водных растворов и газов. Законы движения вещества в составе поверхностных, подземных вод представляют при решении геохимических задач наибольший интерес. Миграция химических элементов – это перемещение элементов в земной коре, которое сопровождается рассеянием их на одних участках и концентрацией на других. Распространенность элементов в земной коре и их миграция связана со строением атомного ядра и со строением наружных электронных оболочек. Для кларков наибольшее значение имеет строение ядра, а для миграции элементов – электронная оболочка атома.

Способность элемен­та к миграции во многом определяется формой его нахождения. В земной коре В. И. Вернадский различал четыре основных формы нахождения: 1) горные породы и минералы (в том числе природные воды и газы); 2) живое вещество, 3) магмы (силикатные расплавы), 4) рассеяние. Каждая группа может быть расчленена на типы, классы.

Факторы миграции подразделяются на внутренние и внешние. Внутренниефакторы – это факторы, связанные только со свойствами атомов и ихсоединений. Внешние факторы определяются состоянием окружающей среды, не зависят от индивидуальных свойств миграции веществ.Типы миграции: Механическая миграция обусловлена работой рек, течений,ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и других факторов. Характерное влияние – раздробление горных пород и минералов, ведущее к увеличению их дисперсности, растворимости, развитию сорбции и других поверхностных явлений. При механической миграции тяжелые минералы ведут себя как частицы более крупного размера. Механическое перемещение минералов зависит от их твердости и податливости к выветриванию, а дальность – еще и от податливости к химическому выветриванию.Механическая денудация – перемещение взвешенных частиц вещества водными потоками на поверхности суши. Интенсивность процесса зависит от климата, геологического строения и рельефа: она минимальна на гумидных лесных равнинах, где преобладает химическая денудации, а в аридных областях возрастает в сотни раз. Физико-химическая миграция. Простейшая форма физико-химической миграции – диффузия – это процесссамопроизвольного и необратимого переноса вещества из одной части системы в другую, что возникает вследствие теплового движения частиц. Диффузия в горных породах обычно сопровождается взаимодействием вещества со средой. Из-за хаотического движения частиц диффузия переносит их из одного местоположения в другое.Смежный диффузии процесс – конвекция – миграция массовых потоков газаили жидкости, перемещение частиц происходит вместе с растворителем.Конвекция характерна как для верхней мантии, так и для земной коры.Другая форма миграции – сорбция. При этом процессе происходитпоглощение газов или жидкостей твердыми или жидкими веществами из окружающего пространства поверхностью (адсорбция) или всем объемом (абсорбция) тела. Поглощающие вещества называются адсорбентами (абсорбентами), а поглощаемые адсорбатами (абсорбатами).Адсорбция в свою очередь подразделяется на физическую, когда происходитзанятие адсорбатом поверхности адсорбента, и химическую, когда адсорбент и адсорбат вступают между собой в химическую реакцию. Изоморфизм – способность химических элементов, атомов, ионов, блоковкристаллической решетки замещать друг друга в минералах, при этом решающую роль играют размеры ионов и атомов. Изоморфные замещения возможны, когда радиусы ионов и атомов различаются не более чем на 15 % от размера меньшего радиуса. При температурах, близких к точке плавления минералов, эта величина достигает 30 %, т.е. изоморфная совместимость возрастает. Для изоморфизма, кроме близости ионных и атомных радиусов, необходимы химическая индифферентность и схожесть природы межатомной связи. Биогенная миграция. Образование живого вещества и разложение органических веществ образуютединый биологический круговорот атомов, который в биосфере протекает повсеместно, хотя в разных формах и с разной интенсивностью. В ландшафте и верхних горизонтах моря в процессе фотосинтеза образуется живое вещество, здесь же происходит его минерализация. Часть органических веществ минерализуется не полностью и откладывается в илах. Закон биологического круговорота – один из основных законов геохимии, согласно которому в биосфере в ходе биологического круговорота атомы поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, которую отдают в окружающую среду, покидая живое вещество. [18,22] 3.1 Миграция марганца в природных системах

Главная форма миграции соединений марганца в поверхностных водах - взвеси, состав которых определяется в свою очередь составом пород, дренируемых водами, а также коллоидные гидроксиды тяжелых металлов и сорбированные соединения марганца. Существенное значение в миграции марганца в растворенной и коллоидной формах имеют органические вещества и процессы комплексообразования марганца с неорганическими и органическими лигандами. Mn(II) образует растворимые комплексы с бикарбонатами и сульфатами. Комплексы марганца с ионом хлора встречаются редко. Комплексные соединения Mn(II) с органическими веществами обычно менее прочны, чем с другими переходными металлами. К ним относятся соединения с аминами, органическими кислотами, аминокислотами и гумусовыми веществами. Mn(III) в повышенных концентрациях может находиться в растворенном состоянии только в присутствиии сильных комплексообразователей, Mn(YII) в природных водах не встречается. В речных водах содержание марганца колеблется обычно от 1 до 160 мкг/дм3, среднее содержание в морских водах составляет 2 мкг/дм3, в подземных - n.102 - n.103 мкг/дм3.

По некоторым данным марганец в растительных жидкостях и экстрактах присутствует главным образом в виде свободных катионных форм. Это показывает, что, вероятнее всего, он транспортируется в растениях в виде Мn²⁺. Однако в флоэмных экссудатах были обнаружены и его комплексные соединения с органическими молекулами массой 1000—5000 М. Ван Гур сообщил о значительно более низких концентрациях марганца в флоэмном экссудате по сравнению с листовой тканью и сделал вывод, что слабое перемещение Мn в флоэмных сосудах обусловливает его низкое содержание в фруктах, семенах и корнеплодах. Mn в форме Mn2+ является более интенсивным мигрантом, чем Fe2+ или Fe3+ как в биосфере, так и в гидросфере. Роль марганца в биосфере весьма существенна. В кислых и нейтральных водах ландшафтов с влажным климатом марганец энергично мигрирует. Марганца мало в подземных водах зоны гипергенеза, еще меньше в речных и морских водах.

В биосфере Марганец энергично мигрирует в восстановительных условиях и малоподвижен в окислительной среде. Наиболее подвижен Марганец в кислых водах тундры и лесных ландшафтов, где он находится в форме Мn2+. Содержание Марганца здесь часто повышено и культурные растения местами страдают от избытка Марганца; в почвах, озерах, болотах образуются железо-марганцевые конкреции, озерные и болотные руды. В сухих степях и пустынях в условиях щелочной окислительной среды Марганец малоподвижен, организмы бедны Марганцем, культурные растения часто нуждаются в марганцевых микроудобрениях. Речные воды бедны Марганцем (10-6-10-5г/л), однако суммарный вынос этого элемента реками огромен, причем основная его масса осаждается в прибрежной зоне. Еще меньше Марганца в воде озер, морей и океанов; во многих местах океанического дна распространены железо-марганцевые конкреции, образовавшиеся в прошлые геологические периоды.

Концентрация марганца в поверхностных водах подвержена сезонным колебаниям.

Факторами, определяющими изменения концентраций марганца, являются соотношение между поверхностным и подземным стоком, интенсивность потребления его при фотосинтезе, разложение фитопланктона, микроорганизмов и высшей водной растительности, а также процессы осаждения его на дно водных объектов.[10,11]