Относительная подвижность химических элементов

в гипергенных условиях [28]

В бескислородной (глеевой) обстановке ускоряется разложение минеральной составляющей почв ― алюмо- и ферросиликатов; увеличивается миграционная способность катионогенных элементов и уменьшается ― анионогенных. В восстановительной (сероводородной) обстановке H₂S обычно вызывает осаждение металлов. Смена обстановок вполне возможна в пределах вертикального профиля почв (почвы болот, пойм). Изменение режима О ― Sприводит к формированию кислородного, глеевого и сероводородного геохимических барьеров ― определённых участков (иногда большой площади), на которых наблюдается резкое уменьшение интенсивности миграции элементов. В пределах таких участков, как правило, происходит смена геохимической обстановки, замещение одного геохимического процесса другим и осаждение ряда мигрирующих элементов. Для значительной концентрации какого-либо элемента на барьере отнюдь не обязательно его соответствующее высокое содержание в проходящих через барьер потоках.

6. Поверхностные взаимодействия коллоидных систем. Данные процессы имеют исключительно большое значение при миграции-концентрации элементов в водной среде. Одной из важнейших особенностей процесса сорбции является селективность ― преимущественное поглощение различными коллоидами определённых ионов и молекул. Состав сорбируемых веществ в значительной степени зависит от заряда коллоидных частиц. К положительно заряжённым относятся коллоиды гидрооксидов Al, Ti⁴⁺, Cr³⁺, Fe³⁺, Zr⁴⁺, Th³⁺, оксида Mn²⁺ и др., к отрицательно ― силикаты, кремнезём, большинство сульфидов, гидрооксиды V⁵⁺, Mn⁴⁺, Fe²⁺, а также гуминовые кислоты и т. д.

Бесспорно, не все перечисленные сорбенты играют в природе равноценную роль. К важнейшим естественным сорбентам необходимо отнести коллоиды MnO₂, поглощающие Co, Ni, Cu, Zn, Ba, W, Au, Hg, гидрооксида Fe(OH)₃ ― P, V, As, Se, Sb, кремнезёма ― радиоактивные элементы. Несколько подробнее следует остановиться на сорбционных характеристиках глинистых минералов. В настоящее время выделен ряд групп подобных образований (каолинита, слюд, монтмориллонита, хлорита и др.), существенно различающихся способностью к катионному обмену. В частности, для галлуазита и диккита данный показатель составляет 3― 15 мг-экв/100 г, иллита и глауконита ― 10― 40 мг-экв/100 г, монтмориллонита и бейделлита ― 80― 150 мг-экв/100 г, вермикулита 10― 150 мг-экв/100 г (для сравнения укажем, что ёмкость поглощения гуминовой кислоты оценивается приблизительно в 350 мг-экв/100 г). В большинстве случаев катионообменная способность возрастает с pH. На уровень адсорбции влияют размер частиц, площадь адсорбента, степень кристаллизации, количество влаги и т. д. Обобщённый ряд адсорбции отдельных катионов глинистыми минералами выглядит следующим образом: Ba²⁺ > Sr²⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > Cs⁺ > Rb⁺ > K⁺ > Na⁺ > Li⁺. Для каолинита установлена последовательность Hg > Cu > Pb, монтмориллонита ― Pb > Cu ³ Ca > Ba > Mg > Hg.В целом можно утверждать, что при прочих равных условиях лучше сорбируются поливалентные ионы, а среди ионов одинаковых валентностей ― те, чей радиус больше (например, I^― > Br^― > Cl^― ).

7. Жизнедеятельность организмов. Миграция элементов в зоне гипергенеза тесно связана с деятельностью микро- и макроорганизмов, в результате которой освобождаются из соединений O, N, CO₂, в свою очередь влияющие на миграцию многих элементов, включая металлы. Органические кислоты, выделяемые корнями растений, разрушают кристаллические решётки минералов, что способствует переходу элементов из минеральной формы нахождения в растворённую. В составе органического вещества, выделяемого растениями, присутствуют фенол-карбон-овые, а в случае хвойных деревьев ― смоляные кислоты. Эти соединения в сочетании с другими органическими кислотами и углекислотой существенно понижают pH дождевых вод, выпадающих в пределах лесных массивов (pH = 3, 5― 4, 5; при стекании по стволам ― до 2, 6). Данные воды являются активными геохимическими агентами, участвующими в формировании зональной коры выветривания. Растения достаточно выборочно накапливают химические элементы, которые далее ― при опаде ― в большинстве своём аккумулируются в гумусовом горизонте почв. В результате биогеохимических процессов происходит разделение ряда стабильных изотопов (например, ³⁴S/³²S, ¹³C/¹²C, ¹⁸O/¹⁶O) и т. д.

8. Комплекс типоморфных элементов (ионов). К типоморфным относятся «распространённые элементы, наиболее интенсивно мигрирующие и накапливающиеся в ландшафте». Набор типоморфных элементов обусловливает многие стороны миграции и оказывает непосредственное влияние на концентрацию ряда металлов. Основными типами обстановок водной миграции по составу ведущих мигрантов являются следующие: 1) Сильнокислая (pH < 4); типоморфные ионы ― H⁺, иногда SO₄^2― , Fe³⁺, Al³⁺, Zn²⁺, Cu²⁺ и др.; 2) Кислая (4 < pH < 6, 5); типоморфные ионы ― H⁺, анионы органических кислот; 3) Нейтральная и слабощёлочная, гидрокарбонатно-кальциевая (pH = 6, 5― 8, 5); типоморфные ионы ― Ca²⁺, HCO₃^― ; 4) Нейтральная и слабощелочная, хлоридно-сульфатная (pH = 7― 8); типоморфные ионы ― Na⁺, Cl^― , SO₄^2― ; 5) Гипсовая, нейтральная и слабощелочная; типоморфные ионы ― Ca²⁺, SO₄^2― . 6) Содовая, щёлочная (pH > 8, 5); типоморфные ионы и соединения ― HCO₃^― , OH^― , SiO₂, Na⁺.

9. Геоморфологические особенности ― один из важнейших внешних факторов миграции элементов в зоне гипергенеза, зачастую определяющий, в какой форме (минеральная, истинные или коллоидные растворы) на конкретном участке происходит преобладающая миграция исследуемых элементов.

[1] Схематическая последовательность отложения элементов, мигрирующих в виде простых ионов (нм): Ni³⁺ (0, 035), Cr⁶⁺ (0, 052), Cr³⁺, Co³⁺ (0, 064), W⁶⁺ (0, 065), Sn⁴⁺, Fe³⁺ (0, 067), Mo⁴⁺ (0, 068), As³⁺ (0, 069), Ni²⁺, Mg²⁺ (0, 074), Co²⁺ (0, 078), Fe²⁺, Cu²⁺ (0, 080), Zn²⁺ (0, 083), Sb³⁺ (0, 090), Cu¹⁺ (0, 096), Cd²⁺ (0, 099), Sn²⁺ (0, 102), Hg²⁺ (0, 112), Ag¹⁺ (0, 113), Bi³⁺ (0, 120), Pb²⁺ (0, 126), I^― (0, 22).

[2] Приближённые значения pH осаждения гидрооксидов ряда элементов из относительно разбавленных растворов (0, 025― 0, 0025 M): Fe³⁺, Zr⁴⁺, Sn²⁺ ― 2, 0, Ce⁴⁺ ― 2, 7, Hg¹⁺ ― 3, 0, In³⁺ ― 3, 4, Th⁴⁺― 3, 5, Al³⁺ ― 4, 1, U⁶⁺ ― 4, 2, Cr³⁺, Cu²⁺ ― 5, 3, Fe²⁺ ― 5, 5, Be²⁺ ― 5, 7, Pb²⁺ ― 6, 0, Cd²⁺, Ni²⁺ ― 6, 7, Co²⁺, Y³⁺, Sm³⁺ ― 6, 8, Zn²⁺, Nd³⁺ ― 7, 0, Pr³⁺ ― 7, 1, Hg²⁺ ― 7, 3, Ce³⁺ ― 7, 4, La³⁺ ― 8, 4, Ag¹⁺ ― 7, 5― 8, 0, Mn²⁺ ― 8, 5― 8, 8, Mg²⁺ ― 10, 5. Необходимо принять во внимание, что при более низких уровнях концентрации элементов в растворах, соответствующие pH повышаются.