3.3.2 Внешние факторы

Внешние факторы миграции обусловлены средой, окружающей мигрирующие элементы.

I. Радиационные изменения среды. В биосфере радиоактивное излучение приводит к взаимодей­ствию частиц или фотонов с атомами химических элементов, об­разующих разнообразные формы нахождения. Течение этого процесса зависит от 1) массы, заряда и энергии про­никающих частиц; 2) плот­ности, потенциала ионизации облучаемого ве­щества и атомного номера составляющих его элементов.

 Тяжелые заряженные частицы (α-частицы — ядра гелия, про­тоны и т.д.), тормозясь в результате взаимодействия с электронными оболочками атомов облучаемого вещества, ио­низируют и возбуждают эти атомы и образуемые ими молекулы.

 Электроны ионизирующих излучений (β-частицы) испытывают рассеяние на электронах и ядрах облучаемого вещества. При этом они теряют свою энергию, ионизируют атомы и вызывают тор­мозное рентгеновское (электромагнитное) излучение.

 Фотоны гамма- и рентгеновского излучения поглощаются облучаемым веществом, что также сопровождается ионизацией.

 Поток нейтронов взаимодействует с ядрами атомов, вызывая их деление и ядерные реакции.

 Ядра отдачи (остатки атомов, образующиеся в результате радиоактивного распада) вызывают ионизацию и возбуждение молекул. При постепенном охлаждении могут вступать в обыч­ные химические реакции.

В связи с развитием атомной промышленности последствия радиоактивного излучения приобретают все большее значение и требуют детального изучения.

Важнейшим примером действия радиоактивного излучения является радиолиз воды (разложение ее на Н и О). Образовавшийся атомарный водород даже при комнатной тем­пературе восстанавливает многие оксиды металлов, непосредст­венно соединяется с S,N,F. За счет кис­лорода, выделившегося при радиолизе, происходит существен­ное окисление нефти, идет гематитизация (образование Fe₂O₃) горных пород. Радиоактив­ное облучение воды приводит также к образованию перекиси водоро­да, гидроксильных групп (ОН^-) и гидроксония (Н₃О⁺). В результате в природных водах воз­никает резко неравновесная обстановка с сильными окислите­лями и восстановителями. При этом в подземных водах образу­ются атомарные Cl, Br, J. Растворенный в водах азот об­разует нитриты, нитраты, аммиак. В залежах калийных солей на­капливается свободный водород. Наибольший выход продуктов радиолиза происходит при высокой плотности ионизации, связанной с потоком α – частиц. Появление значительного ко­личества продуктов радиолиза в подземных водах может про­изойти в районах урановых месторождений за сотни и тысячи лет. Т.о., радиолиз воды и свя­занные с ним процессы (в первую очередь изменение окисли­тельно-восстановительных условий) относятся к важным внеш­ним факторам миграции химических элементов.

Радиолиз органических соединений приводит к разрыву связей между углеродом (С—С), углеродом и водородом (С—Н), а так­же углеродом и функциональными группами. Обязательными про­дуктами этого процесса являются водород и метан. В природных залежах газа при облу­чении образуются СО₂ и такие токсичные вещества, как СО, фор­мальдегид, синильная кислота. Из бензола образуется фенол. Радиолиз органических соединений — процесс, ши­роко развитый в биосфере (например, в палеозойских отложениях Днепровско-Донецкой впадины преобразовано 5% органических веществ).

Радиационные процессы в минеральных образованиях связаны с ионизацией и возбуждением молекул. В кристаллах происхо­дит нарушение структуры — образование дислокаций и вакант­ных мест внедрения. Под воздействием излучения увеличивается скорость растворения минералов, возрастает их способность к адсорбции и образованию коллоидов. Все это влияет на миграцию элементов.

Воздействие ионизирующего излучения на живые организмы свя­зано с ионизацией и возбуждением атомов. В зависимости от дозы и длительности облучения выделяются острые пораже­ния (при однократном облучении высокими дозами) и хронические (при длительном облучении более низкими дозами). При острых поражениях возникает лучевая болезнь, приводя­щая к смертельному исходу, при хронических — также возможна лучевая болезнь и поражение отдельных органов. Особо выделя­ются отдаленные эффекты, проявляющиеся через продолжитель­ное время после облучения (злокачественные опухоли и генетические нарушения, передаваемые по наследству. Поражение определяется суммарной накопленной дозой, независимо от того, за какой срок она по­лучена: за сутки или десятилетия.

В ландшафтах, подверженных ио­низирующему облучению, происходят измене­ния сообществ организмов. Основной причиной этих изме­нений является различная чувствительность к облучению раз­личных видов животных и растительных организмов. Так, папоротники, мхи, лишайники, почвенные гри­бы выдерживают дозы до 10 000 Гр (1 Грей = 1 Дж/кг), а древесная растительность (особенно хвойные) погибает при дозе 12 Гр. Среди животных организмов большой устойчивостью к об­лучению обладают насекомые. Мухи-дрозофилы выдерживают дозы до 850 Гр, а важнейшие сельскохозяйственные животные от 3 до 15 Гр; птицы — до 25—30 Гр. Различная устойчивость к облучению различных видов жи­вотных и растительных организмов приводит к тому, что при ядер­ных взрывах, крупных авариях на АЭС и т.д. определенные ви­ды угнетаются и исчезают. Оставшиеся же виды могут начать бур­но развиваться. Это объясняется, во-первых, уничтожением кон­курентов, а во-вторых, тем, что у отдельных видов растений об­лучение в пределах определенных доз стимулирует ряд биохими­ческих процессов. Радиоактивное облучение способно полностью изменить состав организмов в геохимических ландшафтах, а следовательно, изменить в них ход важнейшего вида миграции элементов — биологического круговорота.

II. Температура. С ростом температуры повышается миграционная способность элементов, находящихся в растворах, повышается скорость течения химических реакций и взаимная растворимость элементов при изоморфных замеще­ниях. Но в случае биогенной миграции усиление миграции элементов происхо­дит только в определенном температурном интервале.

III. Давление оказывает значительное влияние на ми­грацию элементов в расплавах, растворах и газовых смесях. С из­менением давления может происходить изменение фазового со­стояния вещества без изменения температуры; возможно изменение скорости и даже направления течения химических ре­акций. Повышение давления способствует изоморфному вхож­дению элементов в чужие кристаллические решетки. Но в верхней части земной коры (в биосфере) существенного изменения давления не происходит. Этот фактор миграции учитывают при рассмотрении гидротермальных, магматических и метаморфических процессов.

IV. Степень электролитической диссоциации влияет на миграцию элементов в расплавах и растворах; зависит от свойств растворителя и растворяемого вещества, температуры и концентрации рас­твора; определяет последовательность выпадения веществ в осадок (элементы, находящиеся в ионной форме, бы­стрее переходят в твердую фазу).

V. Концентрация водородных ионов характеризует кислотность (щелочность) среды и во многих случаях контроли­рует осаждение из растворов химических соединений и коагуля­цию коллоидов. Изменение рН среды влияет и на поступление эле­ментов в растения. С увеличением концентрации водородных ио­нов (кислая среда) уменьшается катионообменная емкость и по­вышается анионообменная. Изменение рН влияет на по­движность многих металлов. Большинство их, растворяясь в кис­лых растворах, образуют катионы, но с повышением рН они обыч­но выпадают в осадок в форме гидроксидов или основных солей. С подобным явлением сталкиваются при миграции растворов от сульфидных рудных тел. В щелочной среде элементы, обладающие амфотерными свойствами, могут снова перейти в растворимое состояние и образовать комплексные анионы. Щелочностью среды во многом определяется миграция гли­нозема и кремнезема: при рН = 5…9 первый практически нерас­творим, а второй становится подвижным. С изменением кислой среды на щелочную многие окислительно-восстановительные реакции меняют свое направление.

VI. Окислительно-восстановительная обстановка. Миграция мно­гих элементов зависит от окислительно-восстановительной об­становки, определяемой режимом серы и кислорода. Окисли­тельная (кислородная) обстановка способствует накоплению катионогенных элементов переменной валентности (Fe, Mn, Со) и увеличению растворимости анионогенных (V, Mo, Se, S, U). В бескислородной глеевой обстановке ускоряется разложение минеральной части почв: алюмо- и ферросиликатов; увеличива­ется миграционная способность катионогенных и уменьшается — анионогенных элементов. В восстановительной сероводородной обстановке H₂S вступает в реакцию с металлами, обычно вызывая их осаждение из растворов. Часто происходит смена обстановок по вертикальному профилю почв. В целом изменение ре­жима кислорода – серы приводит к образованию геохимических ба­рьеров (кислородного, глеевого, сероводородного).

VII. Поверхностные силы природных коллоидных систем имеют большое значение при миграции элементов в водной среде. Ими объясняется высокая сорбционная способность кол­лоидных систем. Важная особенность процес­сов сорбции – селективность: опреде-ленными коллоида­ми поглощаются преимущественно определенные ионы и моле­кулы.

VIII. Жизнедеятельность организмов. Миграция элементов в зоне гипергенеза тесно связана с жизнедеятельностью организмов, в ре­зультате которой освобождаются из соединений кислород, азот, диоксид углерода, влияющие на миграцию многих элементов, вклю­чая металлы. Органические кислоты, выделяемые корнями рас­тений, разрушают кристаллические решетки многих минералов (даже глин), способствуя переходу элементов из минеральной фор­мы в растворы. Различные растения выборочно ак­кумулируют химические элементы, которые затем накапливают­ся в гумусовом горизонте. В результате биогеохимических про­цессов может происходить разделение изотопов, накопление и рассеяние многих элементов.

Особое влияние на миграцию элементов оказывают микро­организмы. Например, бактерии рода Ferrobacillus способны переводить ионы Fe (II) в ио­ны Fe (III), а выпадающие из раствора гидроксиды Fe (III) уменьшают в нем (за счет процессов сорбции) содержание As, Sb, V и других элементов. Бактерии рода Thiobacillus окисляют сульфиды многих металлов.

IX. Комплекс типоморфных элементов или ионов в почвах и водах. К типоморфным относятся распро­страненные элементы, наиболее интенсивно мигрирующие и накапливающиеся в ландшафте. Ведущие (типоморфные) элементы определяют условия миграции и концентрации подав­ляющего большинства других элементов в различных геохими­ческих системах. Геохимическое раз­нообразие биосферы в целом определяется кислородом, углекис­лым газом и серой. В океане типоморфными являются О₂, рас­творенный в воде, Na⁺, СГ; в таежных болотах — Fe²⁺, H⁺, Мп²⁺; в зонах засоления, связанных с орошением земель, — Са²⁺, Na⁺, СГ, SO₄^2- и т.д. Геохимическая особенность системы определяется ведущими элементами, имеющими высокие кларки, активно мигрирующими и накапливающимися в этой системе.

X. Геоморфологические особенности ландшафтов часто определяют, в какой форме (минераль­ная, истинные или коллоидные растворы) на конкретном участке происходит преобладающая миграция рассматриваемых элементов.