Розсіювання металів у поверхневих водах
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.
Распространение рассеянных элементов не ограничивается магматическими горными породами. Эти элементы присутствуют повсюду — в водах, почвах, живых организмах, пронизывают всю биосферу в целом. Так, например, большая часть атомов золота находится в рассеянном состоянии. Они обнаружены в глубинных магматических породах и осадках на дне морей, в воде и растениях, даже в майских жуках! Кларк золота очень мал — 0,000 00043 %. В каждой тонне горных пород содержится около 5 мг, в каждом кубометре морской воды — 0,004 мг этого благородного металла. Золото присутствует в растениях, в частности, в кукурузе. Если проанализировать золу кукурузных зерен, то можно обнаружить до 60 мг золота. Конечно, миллиграммы и их доли — ничтожные цифры. Но представим себе, сколько кубометров воды в Мировом океане и каков суммарный вес всех растений земного шара, и мы поразимся тому, какое огромное количество рассеянного золота на поверхности нашей планеты.
Один из основных законов природы — стремление к равновесию между строением вещества и состоянием окружающей его среды. Минералы и горные породы, возникшие при больших давлениях и температурах в недрах Земли, оказываются неустойчивыми на поверхности суши.
Гранит служит символом прочности. «Несокрушимый, как гранит», — говорят, когда хотят подчеркнуть твердость и устойчивость. Но минералы, слагающие гранит, в обычных для нас условиях оказываются удивительно неустойчивыми. Если их очень сильно измельчить, то они растворяются в простой воде при комнатной температуре. Так как в земной коре после кислорода наиболее распространены кремний и алюминий, то основная масса минералов состоит из этих элементов. Минералы глубинных горных пород — это силикаты и алюмосиликаты, в состав которых входят железо, кальций, магний, калий и натрий. Кристаллические структуры этих минералов, оказавшись в неравновесных условиях на поверхности Земли, разрушаются или чаще перестраиваются. В результате перестройки образуются также силикаты, но совсем другие. Они обладают особой слоистой структурой; кальций, натрий, железо, значительная часть калия и магния из них удалена; их размеры небольшие — от 0,001 мм и меньше. Эти минералы образуют глины. Устойчивость разных минералов глубинных пород неодинакова и зависит от их кристаллической структуры. Наиболее устойчива структура кварца, благодаря чему этот глубинный минерал хорошо сохраняется на поверхности. Продукты выветривания горных пород состоят преимущественно из обломков кварца и глинистых минералов.
На поверхности суши происходит глубокое преобразование твердого вещества земной коры. При этом освобождается большое количество элементов, — около 20—25% веса исходных горных пород. Эти элементы переходят из неподвижного состояния в кристаллических структурах в активное и начинают энергично мигрировать. Часть их с речным стоком покидает сушу и поступает в моря и океаны. Одновременно движущейся водой захватывается еще большее количество твердых обломков. Это также сопровождается закономерной пересортировкой химических элементов и частичным их удалением за пределы континентов.
В процессе перестройки кристаллических структур глубинных минералов освобождаются не только главные, но и малораспространенные элементы, в том числе металлы. Частично они входят в структуры новых минералов, но очень большое их количество вовлекается в различные виды миграции на поверхности Земли.
Миграция химических элементов связана прежде всего с движением воды. На протяжении года на поверхность континентов выпадает 109 тыс. км3 атмосферных осадков, а испаряется 72 тыс. км3. Остальные 37 тыс. км3 стекают в моря и океаны. Металлы, рассеиваясь при выветривании горных пород, содержатся в поверхностных водах в незначительном количестве — 10-6 — 10-7%. Но в результате круговорота воды в миграции участвуют большие массы атомов. Достаточно сказать, что ежегодно в Мировой океан выносится 2,5 млрд. т растворенных веществ.
В табл. 2 приведены ориентировочные количества металлов, выносимые речными водами на протяжении года со всей суши. Конечно, наши расчеты имеют приближенный характер, но полученные цифры верно отражают порядок величин. Кроме того, в таблице учтены лишь те массы металлов, которые удаляются за пределы суши. Следует иметь в виду, что значительно большие количества перемещаются в пределах суши и, не достигая океана, задерживаются в бессточных котловинах, озерах, многочисленных «геохимических ловушках».
В какой форме находятся металлы в природных водах? Долгое время ученые предполагали, что металлы образуют ионные (или, как их еще называют, «истинные») растворы. Действительно, ионная форма нахождения рассеянных металлов в поверхностных водах распространена довольно широко. Однако на поверхности суши часто возникают условия, не способствующие нахождению иона в растворе.
Так, например, двухвалентный ион железа, находящийся в растворе, под действием свободного кислорода окисляется, переходит в трехвалентную форму и прекращает миграцию, выпадая в осадок.
В то же время многочисленные факты показывают, что железо в ряде районов активно мигрирует в речных водах, богатых кислородом. Ученые обнаружили, что многие металлы находятся в виде не простых, а комплексных ионов, то есть химических соединений, очень прочно связанных и несущих определенный электрический заряд. В некоторых типах поверхностных вод распространены внутрикомплексные металлоорганические соединения, так называемые хелаты. Примером может служить соединение двухвалентного металла, в частности никеля, с органическим соединением трилоном — б.
Соединения этого типа очень распространены. Например, в воде Днепра больше половины количества металлов (железа, марганца, никеля, меди) присутствует в виде металлоорганических соединений. Входя в состав таких соединений, металл может находиться в растворе и мигрировать в таких условиях, в которых миграция простых ионов этого металла невозможна, так как они выпадают в осадок. Комплексные соединения способствуют рассеянию металлов.
Одинакова ли интенсивность водной миграции разных металлов? Исходя из представлений академика Б. Б. Полынова, советский геохимик А. И. Перельман предложил для оценки интенсивности водной миграции химических элементов использовать специальный показатель — коэффициент водной миграции. Его можно определить следующим образом. Если речную воду налить в химическую чашку и осторожно испарить, то на дне чашки останется налет соединений, которые были растворены в воде. Подвергнув твердый осадок анализу, можно определить в нем содержание интересующего нас химического элемента. Этот же элемент так же определяют в горной породе, которая омывается водами реки. Когда же данные получены, то коэффициент водной миграции рассчитывают, как отношение содержания элемента в сухом остатке к содержанию этого же элемента в горной породе.
Проведенные исследования показали, что рассеянные металлы обладают неодинаковой интенсивностью водной миграции. На рис. 1 показаны величины коэффициента водной миграции некоторых тяжелых металлов, которые были изучены автором в Карелии. Для сравнения в левой части графика приведены величины коэффициентов главных химических элементов — кремния, натрия, калия, магния и кальция. Как видно, диапазон интенсивности миграции металлов велик: величина коэффициента меняется от десятых долей до почти 100. Некоторые тяжелые металлы в реках Карелии мигрируют интенсивнее, чем такие подвижные главные химические элементы, как кальций и натрий. Наиболее интенсивно мигрируют цинк и молибден, несколько меньше — медь. Наименьшая интенсивность миграции у главного тяжелого металла — железа. Конечно, в других ландшафтах, в иных условиях абсолютная величина коэффициента водной миграции этих металлов будет другой, но порядок, характеризующий интенсивность рассеяния металлов в воде, будет выдерживаться.
Интенсивность водной миграции рассеянных металлов (справа) и распространения химических элементов (слева) в Карелии
Важную роль в перераспределении рассеянных металлов играют высокодисперсные частицы. Процесс выветривания сопровождается измельчением массивных горных пород и минералов. Когда обломки минералов достигают размеров менее 0,001 мм, то скопления таких обломков приобретают свойство притягивать ионы металлов из раствора. Это связано с тем, что ионы, входящие в кристаллическую структуру, находясь на поверхности обломка минерала, обладают некоторой, правда очень небольшой, свободной энергией. В результате проявления этой энергии положительно заряженные ионы металлов притягиваются к поверхности обломка. Чем больше частиц мельче 0,001 мм, тем больше суммарная поверхность и тем интенсивнее происходит захват ионов металлов из раствора. Притяжение ионов из растворов к поверхности твердого тела называется сорбцией или поглощением.
Выше мы уже отмечали, что минералы глубинных горных пород на поверхности Земли не могут существовать в виде очень мелких обломков, их кристаллическая структура разрушается. Поэтому среди частиц меньше 0,001 мм присутствуют главным образом глинистые минералы и отчасти оксиды железа. Благодаря своим малым размерам глинистые частицы легко переносятся водой и переносят поглощенные ионы металлов. Вместе с осаждающимися глинистыми частицами прекращают миграцию и поглощенные металлы.
Согласно данным советского ученого А. П. Лисицина, с континентов в Мировой океан выносится в год более 20 млрд. т обломков. Среди них значительную часть составляют частицы меньше 0,001 мм, которые несут поглощенные металлы. А какие громадные массы этих частиц перемещаются на суше, способствуя нивелированию рельефа! К сожалению, пока невозможно учесть количество рассеянных металлов, мигрирующих в поглощенном состоянии. Можно лишь только предполагать, что это количество соизмеримо с величиной металлов, рассеивающихся в виде растворов или даже больше.