Koncepcja bariery geochemicznej jest związana z zanieczyszczeniem środowiska spowodowanym przez człowieka w wyniku migracji chemikaliów wraz z opadami atmosferycznymi, przepływami wód podziemnych lub powierzchniowych. Stężenie związków szkodliwych może osiągnąć klasę zagrożenia 1, a ich maksymalne dopuszczalne wartości mogą być kilkukrotnie przekroczone, co prowadzi do występowania anomalii geochemicznych w wodach gruntowych i zbiornikach nawet przy dużych odległościach od źródła zanieczyszczenia. Badania barier geochemicznych dostarczyły nowych informacji o możliwości ograniczenia mobilności związków toksycznych.
Definicja
Termin „bariera geochemiczna” został po raz pierwszy wprowadzony przez rosyjskiego naukowca AI Perelmana. Jego istota polega na wyznaczeniu obszaru skorupy ziemskiej, gdzie następuje gwałtowny spadek intensywności migracji i stężenia chemikaliów. W efekcie przechodzą ze stanu dyspersji technogenicznej do stabilnych asocjacji mineralnych. Te bariery są używane dochronić środowisko przed zanieczyszczeniami przemysłowymi.
Ta teoria jest najczęściej stosowana w ekologii, geologii, geochemii krajobrazów, oceanów i mórz. Prostym przykładem bariery jest migracja wód gruntowych nasyconych jonami żelaza. Pod ziemią pierwiastek ten jest prawie całkowicie rozpuszczony w cieczy. Po dotarciu na powierzchnię żelazo utlenia się pod wpływem tlenu, a metal wytrąca się w postaci soli, czyli przechodzi w fazę mineralną. To samo zjawisko obserwuje się, gdy roztwór żelaza jest transportowany rurami wodociągowymi. W tym przypadku mówią o barierze stworzonej przez człowieka.
Bariery geochemiczne i ich klasyfikacja
Bariery wyróżnia kilka cech:
- Według pochodzenia (klasyfikacja genetyczna): naturalne; technogeniczny (powstały w procesie działalności człowieka); natural-technologiczny.
- Według rozmiaru: bariery makrogeochemiczne, w których następuje zmniejszenie procesów migracji na odległościach rzędu tysięcy metrów; mezobariery (od kilku metrów do 1 km); mikrobariery (od kilku milimetrów do kilku metrów).
- Ze względu na charakter ruchu substancji: dwustronny - migracja przepływów z różnych stron, w barierze mogą być osadzane różne typy asocjacji (pokazane na rysunku poniżej); boczny (podpoziomy); mobilny; promieniowe (podpionowe).
- Zgodnie ze sposobem wchodzenia substancji: dyfuzja; infiltracja.
Typy naturalne i stworzone przez człowieka
Wśród powyższych typów barier geochemicznych wyróżnia się następujące klasy:
- Mechaniczne. Podczas migracji substancji nie zmienia się ich faza, ale przemieszczają się (najczęściej w biosferze). Przykładem jest toczenie się gruzu po zboczach gór.
- Fizyko-chemiczne. Bariery powstają w wyniku zmian w środowisku fizykochemicznym. Obecnie ta klasa zjawisk jest najlepiej zbadana i usystematyzowana (jej opis znajduje się poniżej).
- Biogeochemiczne (fitobariery i zoobariery). Charakteryzują się zmianą formy państwa i małą ścieżką migracji. Najczęściej taka bariera wiąże się z akumulacją pierwiastków chemicznych w wyniku żywotnej aktywności zwierząt i roślin. Ta klasa obejmuje zarówno naturalne, jak i stworzone przez człowieka bariery geochemiczne (migracja odpadów na grunty rolne i pastwiska).
Złożone bariery
Kiedy kilka klas tych zjawisk nakłada się na siebie w przestrzeni, powstaje złożona bariera geochemiczna, która zostaje wyodrębniona jako osobna, niezależna kategoria. Naukowcy uważają, że w warunkach naturalnych takie bariery zajmują jedno z czołowych miejsc. Przykładem jest połączenie bariery tlenowej i sorpcyjnej na obszarach górskich:
- źródła unoszące się do powierzchni ziemi w warstwach glejowych są nasycone rozpuszczonymi wodorotlenkami żelaza, które ulegają utlenieniu pod wpływem powietrza atmosferycznego (bariera tlenowa);
- wytrącające się koloidy są dobrymi sorbentami dla innychzwiązki chemiczne;
- w rezultacie powstaje druga bariera sorpcyjna.
O dużej roli złożonych barier świadczy również fakt, że dzięki nim powstało wiele złóż mineralnych.
Różne bariery fizyczne i chemiczne
Wyróżnia się następujące rodzaje barier fizycznych i chemicznych:
- Tlen. Utlenianie następuje w obecności dużej ilości wolnego tlenu w wodach zbliżających się do bariery.
- Siarczek (siarkowodór). Wytrącanie substancji w reakcji z H2S.
- Gley. Bariera ta charakteryzuje się reakcją redukującą (bez wolnego tlenu i siarkowodoru).
- Alkaliczne. W wyniku obniżenia kwasowości tworzą się wodorotlenki i węglany, które wytrącają się w nierozpuszczalny osad.
- Kwas. Wraz ze spadkiem pH obserwuje się powstawanie trudno rozpuszczalnych soli.
- Wyparowanie. Stężenie substancji migrujących wzrasta z powodu parowania wody i krystalizacji soli.
- Sorpcja. Istnieje ekstrakcja niektórych substancji dzięki naturalnym sorbentom (glina, humus i inne).
- Termodynamiczny. Zwiększenie stężenia i wytrącania substancji z ostrymi wahaniami ciśnienia i temperatury. Proces ten jest najbardziej widoczny w wodach zawierających kwas węglowy.
Podklasy
W grupie barier fizycznych i chemicznych istnieje również gradacja według podklas. Całkowityjest ich 69. Różnią się one charakterystyką kwasowo-zasadową dla każdego rodzaju barier.
Wśród barier mechanicznych istnieją podklasy zależne od stanu skupienia i innych cech substancji w przepływie migracyjnym:
- minerały i zanieczyszczenia izomorficzne;
- rozpuszczone gazy (para);
- systemy koloidalne;
- związki pochodzenia syntetycznego;
- zwierzęta i organizmy roślinne.
Przykłady
Proste przykłady barier geochemicznych klasy fizykochemicznej są następujące:
- W wilgotnym klimacie w lasach powstaje potężna ściółka opadłych liści. Charakterystyczną cechą wód gruntowych w takich warunkach jest to, że są one ubogie w tlen. W efekcie z gleby wypłukiwane są pierwiastki chemiczne, w tym mangan i żelazo. Po dotarciu na powierzchnię ich utlenianie rozpoczyna się od powstania nierozpuszczalnych wodorotlenków (bariera tlenowa). Mechanizm ten prowadzi do powstawania rodzimych złóż siarki.
- Jeżeli na wyniesionej działce znajdują się złoża minerałów zawierające siarczki żelaza i innych metali, to ich wymywanie przez naturalne opady sprzyja tworzeniu się wód gruntowych o kwaśnym odczynie środowiska. Na nizinach, w warunkach wysokiej wilgotności i beztlenowych (beztlenowych), siarczany są redukowane do siarczków (bariera siarczkowa). Złoża miedzi, selenu i uranu są często ograniczone do takiego mechanizmu.
- Jeśli gleba składa się z wapieniaskałach, następnie w wilgotnym klimacie, pod wpływem rozkładających się pozostałości organicznych, ługowane są żelazo, nikiel, miedź, kob alt i inne pierwiastki. Wapienie tworzą alkaliczną barierę geochemiczną, która pomaga neutralizować kwaśne wody gruntowe i tworzyć nierozpuszczalne wodorotlenki.
Bariery społeczne
We współczesnej geochemii wyróżnia się również nową podklasę - społeczne bariery geochemiczne. Ich cechą wyróżniającą jest to, że nie powstały wcześniej w warunkach naturalnych dla tych związków, które są na nich skoncentrowane. Bariery tej podklasy są rozpatrywane tylko w kontekście barier geochemicznych stworzonych przez człowieka lub złożonych.
Wśród nich są 4 podklasy:
- gospodarstwo domowe (składowiska stałych lub płynnych odpadów domowych);
- budownictwo;
- przemysłowe;
- bariery mieszane (składowiska odpadów budowlanych, przemysłowych i domowych).
