Внешние факторы миграций

В каждой геосфере Земли создаются специфические внешние факторы миграции в зависимости от изменения соотношений температуры, давления и концентрации раствора. Эти параметры обусловливают специфику термодинамики системы, которая, в свою очередь, создает условия для формирования тех или иных геохимических процессов. Рассмотрим особенности формирования среды, в которой постоянно протекают миграция, концентрация и рассеивание элементов.

Ведущими факторами природной среды являются 1) температура, 2) давление, 3)концентрация раствора, в гипергенной зоне дополнительно влияет тип климата. В зависимости от соотношения факторов изменяются условия от активной миграции элементов в жарком гумидном климате до их концентрации в аридном климате. В гипогенных условиях активная миграция возможна при высоком давлении и температуре, а кристаллизация – при понижении этих параметров. Таким образом, воздействие внешних факторов следует рассматривать самостоятельно в двух сферах: гипергенной и гипогенной.

Гипергенная зона является главным местом действия солнечной радиации. Под ее влиянием прямо или косвенно протекают все гипергенные процессы и связанная с ними миграция элементов. Потребление энергии и ее расход изменяются в зависимости от природной зоны. На ежегодную продукцию растительной массы затраты энергии колеблются от 2, 5 кал/см² в год в тундре до 2000 кал/см² в год во влажнотропических лесах (для лесов умеренных широт 100–400 кал/см² в год). На разрушение минералов и освобождение элементов (минеральное преобразование) затрачивается 0, 2–0, 5 кал/см² в год в тундре и пустыне и 10–15 кал/см² в год во влажных тропиках.

Скорость геохимических процессов определяется динамикой тем­пературы. В теплый сезон контрасты температур колеблются от 5–6 ^°С до 40–50 ^°С. Повышение температуры активизирует процессы и миграцию. В тундре из-за низких температур геохимические процессы и миграция замедлены, во влажных тропических лесах высокая температура и влажность повышают скорость процессов и миграцию в 9, 5 раза. Использование энергии на процессы во влажных тропических лесах в 30–35 раз выше по сравнению с тундрой.

Давление как фактор миграции элементов в зоне гипергенеза имеет меньшее значение, чем температура. В пределах вертикального профиля атмосферное давление составляет 1 атм и изменяется не более чем ± 3 %. Такое колебание давления активизирует лишь растворение газов в воде и косвенно влияет на гидролиз минералов.

Различное соотношение температур и увлажнения приводит к формированию различных типов климата. Среди них наиболее контрастные аридный и гумидный типы. В аридном климате при выпотном водном режиме создаются условия для активизации галогенеза, повышенной концентрации растворов, прежде всего, галогенов, щелочных и щелочноземельных металлов (Na, K, Rb, Cs, Ca, Mg, Ba, Cl, Br, I и др.). Гумидный климат создает промывной тип водного режима, который способствует выносу всех легкорастворимых и концентрации труднорастворимых соединений Fe, Al, Ti, Zr и др. Концентрация растворов минимальная. Моря и океаны отличаются повышенной концентрацией растворов, из которых осаждаются тяжелые элементы.

Гипогенная зона характеризуется высокими и сверхвысокими температурами, давлением и концентрацией химических элементов, что приводит к метаморфизации и магматизации пород, насыщению водных гидротермальных растворов. Во внутренних сферах Земли миграция элементов ограничена. В магме они распределяются более или менее равномерно и дифференцируются под действием гравитации: более легкие оказываются в верхней зоне, а тяжелые – в нижней. Снижение ведущих параметров гипогенной зоны приводит к трансформации фазы в ходе кристаллизации и последовательности образования минеральных видов с включением изоморфных форм более редких элементов. В ходе кристаллизации и других гипогенных процессов вблизи поверхности Земли, при излиянии магмы или извержении вулканов, происходит равномерное или концентрированное распределение элементов на разных глубинах в виде месторождений.

Большинство освоенных месторождений железных руд по генезису обязано формированию под влиянием гипергенных процессов настоящего или геологического времени.

3. Степень электролитической диссоциации.

4. Концентрация водородных ионов (pH).Данный фактор в ряде случаев контролирует осаждение из растворов химических соединений и коагуляцию (пептизацию) коллоидов. Большинство металлов, растворяясь в кислых растворах, образуют катионы, которые с повышением pH обычно выпадают в осадок в виде гидрооксидов. В щелочной среде элементы, обладающие амфотерными свойствами, могут снова перейти в растворённое состояние и образовать комплексные ионы.

Указать точные значения pH, при которых в природных условиях происходит осаждение или растворение элемента, затруднительно, так как на данный процесс оказывают влияние многочисленные сильно варьирующие факторы ^[2]. Применительно к почвам, различают: активную (pH) ― концентрация водородных ионов в почвенном растворе или суспензии; обменную (pH_KCl) ― результат обмена поглощённых коллоидами ионов H⁺ и Al³⁺ на катион солевого раствора (KCl); и гидролитическую кислотность (H) ― результат реакции почвы с раствором соли сильного основания и слабой кислоты (CH₃COONa). pH почвы влияет на интенсивность микробиологической деятельности, растворение минералов, усвоение питательных веществ растениями и др.

Таблица 1. pH и Eh природных сред

5. Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) ― мера окислительной или восстановительной тенденции, присущей данной системе (табл.1). В сочетании с pH влияет на валентное состояние элементов переменной валентности (Mn²⁺«Mn⁴⁺, Fe²⁺«Fe³⁺ и т. д.). Окислительная (кислородная) обстановка способствует накоплению катионогенных элементов (например, Mn, Fe, Co) и увеличению растворимости анионогенных (S, V, Se, Mo, U) (табл. 2).

Таблица 2