73 Стадии образования осадочной породы (седиментогенез, диагенез).
Процесс формирования осадочной горной породы называется литогенезом.
Формирование осадочных пород проходит следующие надстадии и стадии (Тимофеев и др., 1974 и др.):
I. Седиментогенез.
II. Литогенез.
4. Диагенез.
5. Катагенез, или эпигенез.
6. Метагенез.
I стадия – седиментогенез – сов-ть процессов, приводящих к образованию и накоплению осадков.
Этапы:
1. Мобилизация материала на водосборной площади: выветривание и вулканизм.
2. Перенос, или миграция, вещества.
3. Накопление, или седиментация, осаждение в конечных бассейнах стока.
1. Механическое выветривание – при изменении температуры, например, снижение температуры ведет к расширению г.п., их разрушению, вторичное минералообразование.
Химическое выветривание – изменение (разрушение) г.п., связ. с изменением их химического состава. Вода, кислород, угл. газ – основные агенты, участв. в химич. выветривании. Это связано с окислением г.п. (сульфидные руды).
2)процессы гидратации, гидролиз (полевых шпатов->обр-е глинистых минералов); 3)карбонитизация пород – вторичн. обр-й->разрушение г.п.
Биохимическое выветривание – связ-е с деят-тью микроорг-мов, высших орг-мов, в осн. растений. Биолог. окисление, восстановление – за счет микроорг-мов.
2. Транспортировка
Перенос ветром – эоловые отложения. Транспортировка водами, прежде всего речными. Либо в истинном растворе, взвешенные растворы, влекомые наносы.
Напр, в равнинных реках соотношение растворен., влекомых и взвешенных наносов: 100:4:53 мг/л, в горных реках: 100:86:622.
1)легкорастворимые – хлориды и часть сульфатов;
2) карбонаты, соли угольной кислоты, SiO2;
3) взвешенное или коллоидное сост-е – нек-е соли тяж.металлов;
4) нерастворимые, грубообломочные – AlSO4.
3 стадия – стадия седиментогенеза:
Седиментогенез происходит за счет 4 стадий дифференциации (дифференциация – закономерное последовательное осаждение материала в зав-ти от их св-в):
1) 1)механическая дифференциация – закономерное распределение ТВ частиц в пространстве, в соответствии с их собств-ми механич. св-ми, опр-ми характер вз-я с движущим агентом и средой.
Где Vs — установившаяся скорость осаждения частицы (м/с) (частица движется вниз если ρ p > ρ f, и вверх в случае ρ p < ρ f),
r — радиус Стокса частицы (м),
g — ускорение свободного падения (м/с²),
ρp — плотность частиц (кг/м³),
ρf — плотность жидкости (кг/м³),
μ — динамическая вязкость жидкости (Па с).
Формула работает в диапазоне от 0,5-0,05 мм.
Гидравлическая крупность (м/с) – скорость осаждения частицы в водной среде.
2) химическая диф-я в-ва – сов-ть хим пр, происх. в гидросфере и привод-х к последоват. переходу растворен. в-в в ТВ. фазу и осаждению в бассейне;
3) физико-хим. диф-я – в осн. присуща коллоидному материалу и осущ. в водной среде через процессы коагуляции и сорбции, привод. к укрупнению частиц и их последовательному осаждению;
4) биогенная диф-я – избират. превращение растворенных компонентов в минеральные скелетные обр-я или органич. ткани различных видов орг-мов в пр. их жизнед-ти.
Страхов счит, что главн. – механич. диф-я, новейшие иссл-я – Лисицин – счит, что осн. – биогенная.
Внутриконтинентальная, морская и океаническая седиментация:
Мех.>физико-хим., биоген.> химич. (внутриконтинент. и окраины морей)
Биоген.>механич, физико-хим>химическая (океанич).
Страхов выдел. 4 типа литогенеза (3 зональн, 2 азональн):
1) зональные:
- полярный литогенез – преобл. механич. тип выветривания; сами осадки грубообломочн, песчаные;
- гумидный литогенез – теплые и влажные; осн. – химич. и биолог. выветривание; тонкодисперсный мат-л и т.д.;
- аридный литогенез – выс. температура и нехватка осадков; гл. роль при осадконакоплении – хим. фак, при выветривании – механические факторы.
2) азональные:
- океанич. – распол-е по отн-ю к материкам, суши (циркумконтинентальная зональность);
- вулканогенно-осадочн. – близость к вулканам.
II След. стадия – Диагенез – стадия преобразования осадка в осадочную породу (десятки и сотни тысяч лет).
Глубина – сотни метров, максимальная температура=500С.
В стадии диагенеза происх след. осн. процессы:
1) 1) уплотнение осадка под действием веса вышележащих осадочных обр-й;
2) 2) дегидратация осадков;
3) 3) биолог. переработка осадка;
4) 4) обр-е устойчив. минеральных модификаций, разложение и растворение неустойчивых компонентов осадка
Осадок, накопившийся на дне водоема или на поверхности суши, обычно представляет собой неравновесную систему, состоящую из твердой, жидкой и газовой фаз. Между составными частями осадка начинается физико-химическое взаимодействие. Активное участие в преобразовании осадков принимают обитающие в иле организмы.
Во время диагенеза происходит уплотнение осадка под тяжестью образующихся выше него слоев, обезвоживание, перекристаллизация. Взаимодействие составных частей осадка между собой и окружающей средой приводит к растворению и удалению неустойчивых компонентов осадка и формированию устойчивых минеральных новообразований. Разложение отмерших животных организмов и растений вызывает изменение окислительно-восстановительных и щелочно-кислотных свойств осадка. К концу диагенеза жизнедеятельность бактерий и других организмов почти полностью прекращается, а система осадок — среда приходит в равновесие.
Диагенез: окислит. диагенез, восстан. диагенез.
тв.фаза, иловые воды, газ.
2) 2) катионный обмен прох. м/у иловыми водами и ТВ.фазой;
3) 3) кристаллизация – связ. с перенасыщением и перех. из жидк. в тв. фазу.
Т.о., обр. аутигенные минералы и это меняет состав донных осадков.
Большую роль играет кристаллизация коллоидн. частиц и снижению их хим. активности.
В конце стадии диагенеза – осадочные породы.
III стадия – катагенез (стадия раннего метаморфизма)
От 50 до 2000С, 1-2000 атм. по глубине достигает 5000 метров. Основные факторы – температура и давление. Продолжается дальнейшая дегидратация и уплотнение. Продолжаются различные процессы, обусловленные изменением температуры. Данная стадия явл. основной при обр-и нефти.
Аргиллиты, кварцевые песчаники, известняки и др. – результат катагенеза.
Направленность и интенсивность преобразований в значительной степени определяются составом и физическими свойствами пород. В процессе катагенеза происходит уплотнение пород, их обезвоживание, растворение неустойчивых соединений, а также перекристаллизация и образование новых минералов.
IV стадия – метагенез (стадия регионального метаморфизма)
3-5 тыс. атм.
На этой стадии происходит максимальное уплотнение осадочных пород, меняется их минеральный состав, структура. Преобразование пород происходит под влиянием тех же факторов, что и при катагенезе, но температура более высокая (200—300 °C), выше минерализация и газонасыщенность вод, иные значения Еh и рН.
Изменение структуры пород проявляется в укрупнении размера зерен, в упорядочении их ориентировки, перекристаллизации с исчезновением фаунистических остатков. Завершается стадия метагенеза переходом осадочных пород в метаморфические горные породы.
Обр-ся кварциты, мраморовидные известняки.
Ультраметагенез – расплавление метаморфич. пород и обр-е магматич. пород.
74 Геохимические и литодинамические индикаторы техноседиментогенеза.
Техноседиментогенез – это процесс формирования осадочных пород, состоящий из мобилизации, переноса и отложения осадочного мат-ла при определяющем антропогенном факторе.
Техногенный ил – это сложение прир и техногенного материала, однако закономерности его формирования и эмерджентность (т.е. появление новых качеств, не повторяющих отдельные св-ва прир и техногенных компонентов) дают основание говорить о новом генетическом типе отложений. Это позволяет провести границу м/у техногенными отл-ми – продуктами техноседиментогенеза – и загрязненными донными осадками, явл-ся в основе своей рез-том естест. процессов осадкообразования, на кот. накладыв. внешний фактор, привод. к хим загр-ю.
Основные геохимические и литодинамические признаки и черты техноседиментогенеза.
В техноседиментогенезе отсутствуют первые две стадии, обязательные для седиментогенеза, — мобилизация (выветривание) вещества и транспортировка в конечные бассейны стока. Сохраняется, хотя и в измененном виде, стадия интеграции и дифференциации материала, что является одним из отличий техноседиментогенеза и процесса складирования отходов. Ведущую роль в перераспределении вещества играют состав антропогенного материала и техногенные факторы дифференциации, выраженные через физико-химические, химические и электрохимические процессы.
Другая существенная черта техноседиментогенеза — высокая потенциальная энергия участвующего в дифференциации вещества как проявление антропогенной инверсии форм химических элементов, определяющей активность геохимических процессов.
Развитие техноседиментогенеза обусловлено действием комплексных техногенных механических и физико-химических барьеров, среди которых доминируют барьеры окислительно-восстановительного класса. Из границ наиболее геохимически активен раздел вода—осадок. Следствием этого становится несоответствие пространственно-временных закономерностей развития процессов техноседиментогенеза общепринятым седиментологическим моделям, что проявляется в нарушении природной морфолитодинамической обусловленности геохимической структуры донных осадков.
Аномально высокие скорости осадконакопления и значительный поток осадочного материала на дно выступают факторами, компенсирующими при-внос и внутреннее производство энтропии. По показателям скоростей седиментации, которые достигают 5—10 см/год, и мощности потока абсолютных масс — более 5000—10 000 г/м2 в год — техногенный тип относится к самостоятельному вещественно-генетическому типу лавинной седиментации.
Высокая концентрация в воде и осадочном материале аллохтонного ОВ, его легкоокисляемых компонентов, гуминификация вещества создают особый ор-гано-геохимический фон техноседиментогенеза. Это выражается в трансформации природного соотношения компонентов ОВ, участии наиболее геохимически активных составляющих органического вещества в образовании органо-минеральных комплексов, в изменении характера миграции и аккумуляции за- грязняющих веществ. Легкоокисляемая органика является причиной формирования восстановительных условий среды. По расходу энергии Гиббса сульфидный сценарий предпочтительнее глеевого. Восстановительные условия на разделе вода—осадок возникают на додиагенетической стадии формирования отложений вследствие активных органо-геохимических и микробиологических процессов в толще воды и в поверхностном слое осадков. В области техноседи-ментогенеза характерна аномально высокая ароматичность илов.
Таким образом, при антропогенном воздействии происходит трансформация геохимических и литодинамических процессов, степень которой зависит от интенсивности и длительности этого воздействия. Определяющими в геохимии техноседиментогенеза являются состав и объем органического вещества, высокая насыщенность активными формами химических элементов, участие техногенного материала и ксенобиотиков, ведущая роль техногенных факторов дифференциации вещества, а также высокие скорости осадконакопления. Особое значение в развитии этих процессов имеют техногенные механические, физико-химические и биогеохимические барьеры.
Техноседиментогенез мало регламентируется климатическими, геологическими и тектоническими условиями. Правда, в реальной обстановке он чаще проявляется локально, когда его развитие обусловлено совместным влиянием зональных и азональных природных факторов и техногенеза. На независимость процессов формирования техногенных отложений от климата и геологического строения указывают и другие исследователи (Востоков, 1998).
Таким образом, техноседиментогенез — это азональный тип седиментоге-неза, обусловленный хозяйственной деятельностью человека, регулируемый набором механизмов дифференциации и приводящий к локальному или повсеместному формированию на дне водного объекта новейших осадочных образований — техногенных илов. Техноседиментогенез — это процесс самоорганизации аквальной геосистемы, направленный на снижение энтропии и увеличение ее устойчивости в условиях чрезмерного антропогенного пресса.
Геохимические индикаторы техноседиментогенеза:
1) состав органич. соединений;
2) абсолютные содержания и сотсав в-ва;
3) формы металлов;
4) соотношение петрогенных эл-тов;
5) парагенетическая ассоциативность.
1.огано-геохим и физико-хим усл-я
Обнаружение в осадках УВ даже в больших кол-вах не является прямым свидетельством техногенеза.
Аномальное техногенное геохимическое поле при комплексном хим. возд-и формируется, как правило, при поступлении большого кол-ва органич. в-ва. Если в терригенных глинистых осадках северного гумидного типа содержание Сорг. не превышает 1-3% от массы вещ-ва, редко достигая 5%, то в продуктах техногенеза оно значит. превосходит эти величины. Так, в техногенных илах р.Преголи резко увелич-ся кол-во гуминовых кислот (до 3-8% от массы осадка) и битумоидов (1-3%), а в групповом составе ОВ преоблад. гуминовые к-ты (33,3-54,1%), представляющие преимущественно терригенную часть ОВ.
В условиях техногенеза, поток абсолютных масс органического вещ-ва при развитии техноседиментогенеза составляет более 250 г/(м2*год) при фоновом показателе на континентальном шельфе 12 г/(м2*год), т.е. в 20 раз превосходит естественные показатели.
Одна из особенностей техноседиментогенеза – многообразие и активность процессов комплексообразования при гуминификации орг. вещества.
В зоне техногенеза активными комплексообразователями выступают растворимые органические кислоты: карболовая, бензойная, уксусная, глутаминовая, фталевая, салициловая и др.
В условиях аквального техногенеза ОВ химически более активно, т.к. процесс седиментации при отсутствии стадии переноса не растянут во времени и, сл-но степень преобразования ОВ с потерей хемосорбционных св-в минимальна. Высокие сод-я ГК в составе ОВ и активность ионов металлов позволяют говорить о значимости процессов осаждения загр-х в-в и формирования техногенных отложений за счет образования органоминеральных комплексов.
Большой интерес при анализе состава и особенностей накопления ОВ в условиях техногенеза представляют данные по полиаромат. углеводородам (ПАУ). Антропогенное обр-е и поступление ПАУ в природную среду обусловлены высокотемпературными технологическими процессами (техногенный пирогенный фактор) и добычей нефтеуглеводородов (техногенный нафтидогенный фактор). Индикаторами техногенеза выступает группа кинетич. изомеров и в первую очередь: бензапирен, бензаантрацен, антрацен и флуорантен. В аквальном техноседиментогенезе растут не тольоко конц-ции ПАУ, но и значительно увеличивается число определяемых изомеров.
Особое место в процессах техногенной дифференциации в-ва занимают ксенобиотики, большая часть кот-х представлена сложными органич. соед-ми. Они явл. составной частью потока органич. в-ва, участв-го в техноседиментогенезе. К приоритетным загр-м группам вещ-в-ксенобиотиков относятся хлорорганич и фосфорорганич соед-я.
В зонах аквального техногенеза во всех компонентах геосистем отмечаются высокие концентрации пестицидов, полихлорбифенилов, терфенилов и даже наиб токсичных из известных сегодня в-в – диоксинов. Характерны многообразие изомеров и развитие процессов матаболизма, т.е. перехода в-ва в другие, часто не менее токсичных формы.
2.Химич. состав и формы миграции элементов
К геохим. признаку техноседиментогенеза относ. ихменение по сравнению с естеств. условиями среды осадконакопления соотношения основных петрохим пок-лей, что отражает происходящую инверсию форм породообразующих окислов. Для взвешенных частиц сточных водтипичны относительно низкие конц-ции SiO2 и высокие конц-и ОВ, Al2O3, Fe2O3, FeO, увеличение известковистости. Это объясняется преимущественно тонкодисперсным составом техногенного вещ-ва, а также вовлечением в техноседиментогенез антропогенного мат-ла с пониженным сод-ем SiO2: рудных обломков, углистых, графитовых, сажистых частиц, шлаков, извести, используемой при очистке вод и т.д.
Прямым признаком техноседиментогенеза явл. большой объем химически активных ионов и соед-й, выраженность хим реакций и физико-хим. преобразований вещ-ва.
Наиболее многообразны в техноседиментогенезе формы тяжелых металлов, кот. представлены простыми и сложными гидратированными катионами и анионами, гидроксокомплексами, низко- и высокомолекулярными комплексными соединениями с неорганич. и органич. лигандами различной структуры и плотности.
Наиболее типично для техноседиментогенеза комплексообразование. Комплексообразование в зоне техногенеза происходит с органическими в-ми, представленными сложными эфирами, фенолами, органич. кислотами, гумус. в-ми,азотсод-ми соед-ми и др.
В условиях техноседиментогенеза соотношение хим в-в в системе вода-взвесь и вода-осадок сохраняется (как и в фоновых усл-ях) в пользу взвешенного в-ва и донных отл-й.
По степени участия ТМ в техноседиментогенезе можно построить след. ряд металлов: свинец >цинк> ртуть> медь> хром> кобальт> никель.
В фоновых условиях к доминирующих в составе речных донных отложений в порядке убывания относятся: оксидные=органические>карбонатные>обменные формы.
В зонах техногенеза в восстановит. глеевой среде установлена ведущая роль сорбционно-карбонатных форм металлов. В них представлено до 50% никель и свинец и до 80-90% кадмия. Распространена гидроокисная (никель и свинец до 30%) и органоминеральная (медь до 40%) формы.
В последней в качестве хелатов чаще выступают гуминовые в-ва.
В сероводородной среде формы металлов выражены след-м рядом: сульфидные>>сорбционно-карбонатные=обменные формы=органические>оксидные.
В техногенезе значительно усложняются формы миграции эл-тов при вз-и с углеводородами и разнообразными группами ОВ. Создаются условия, благоприятные для развития технофобности, т.е. способности элементов образовывать устойчивые формы миграции, кот. не встречаются в обычных условиях. Одна из распростр-х в зоне техногенеза форм – металлы с искусств. хелатной оболочкой: [RNH3]2MeX4, где R – алкил-радикал; Me – кадмий, медь, железо, марганец и др; X – хлор или бром. Алкилирование этих элементов приводит к обр-ю в-в с очень высокой растворимостью. Многие из них в природе не встречаются. Другая группа – комплексоны – образуются при присоединении эл-тов синтетическими хелатами. Эти ксенобиотики, напротив, плохо растворимы или вовсе нерастворимы в воде и представлены коллоидно-дисперсной миграционной фазой.
3.Парагенетическая ассоциативность
Зона аквального техногенеза явл. средой формирования техногенной ассоциативности хим. эл-тов. Присутствие в зонах техногенеза разнообразных органоминеральных и минеральных комплексов элементов приводит к формир-ю техногенных ассоциаций в сочетаниях, не имеющих ничего общего с природными парагенезисами, - арсенаты никеля и марганца, фторхлориды свинца, гидрохлорид меди и др. Эти вещества обр-ся непосредственно в зоне прямого хим. возд-я, отражая специфику, уровень и качество загр-я водной среды. В целом процесс формирования техногенных ассоциаций назван техногенным регрессивным литогенезом.
Парагенетическая ассоциативность – хар-на для эл-тов, которые в природной среде ассоциаций не образуют (в естеств. усл-ях такие пары не встреч).
Ярким примером техногенной ассоциативности явл. парагенезис Ba-Sb-Pb.
Литодинамические показатели техноседиментогенеза:
Средняя скорость накопления техногенных илов – более 0,5-1 см/год, поступление абсолютных масс органич. в-ва на дно – более 250 г/(м2*год), интенсивность потока абсолютных масс техногенного материала – более 5000-7000 г/(м2*год), а на устьевых участках рек – более 10000 г/(м2*год).
75 Основные факторы и процессы вторичного загр-я воды.
В условиях техногенеза при трансформации процессов массообмена, когда основной вещественно-энергетич. поток направлен из донных осадков в воду, возникает явление, называемое вторичным загр-ем.
Вторичное загр-е – процесс преимущественного выхода загр-х в-в из донных осадков в воду вследствие любого изменения гидро- и литодинамических, физико-хим и биогеохим условий, а также в рез-те подтока в-ва из нижних слоев осадочной толщи, приводящего к нарушению квазиравновесного состояния на разделе вода-осадок. Эта граница играет решающую роль в развитии вторичного загр-я, что наносит ощутимый экологический ущерб аквальным экосистемам.
Развитие вторичного загр-я обусловлено механич, физико-хим, химич, биогеохим и эпигенетическими факторами. Чаще всего эти факторы при развитии вторичного загр-я вз-т между собой, представляя ряд параллельных и последоват. событий, что увеличивает интенсивность процессов.
В зоне гипергенеза в осадках происходят процессы окисления, восстановления, выщелачивания, гидратации, гидролиза, растворения, катионного обмена, десорбции и др., которые могут явиться причиной перехода неподвижных ассоциированных форм хим эл-тов и соед-й в подвижные гидрогенные или привести к генерации новых легкорастворимых соед-й. Ведущими механизмами перехода подвижных в-в из осадка в воду явл. молекулярная диффузия из толщи отложений, десорбция с поверхности осадка или взвешенного мат-ла, растворение, вымывание и вынос в-ва, поступление с газовыми эманациями.
Гипергенез - процессы хим. и физ. преобразования минералов и г. п. в верх. частях земной коры и на её поверхности под воздействием атмосферы, гидросферы и живых организмов при темп-pax, характерных для поверхности Земли.
I Механический фактор.
Механич. ф-р вторичного загр-я обусловлен физическим возд-ем на дно, приводящим к вымыванию или выносу загр-х в-в из донных осадков в толщу воды. Механич. фактор активирует процессы десорбции, окисления и растворения в-в. К основным видам физического возд-я при вторичном загр-и можно отнести перемешивание, перемещение и взмучивание донных осадков в процессе дноочистных или дноуглубительных работ (дноработ), захоронения грунтов в подводных отвалах, турбацию поверхностного слоя при рыбном промысле, судоходство в прибрежной зоне, динамическое возд-е течений и волнения, турбулентную диффузию, а также естеств. или вызванное техногенезом уплотнение техногенных илов.
Наиболее опасными для водной фауны считаются частицы размером около 0,2 мкм. На 1 м2 площади дна в зав-ти от пористости может приходиться до 100 м2 активной пов-ти частиц. При переходе во взвешенное состояние происходит многократное усиление интенсивности обменных и сорбционных процессов. Происходит процесс «объемного» вз-я, существенно более активного, чем «контактное». Так при взмучивании потребление кислорода возрастает в 7 раз увеличивая скорость окисления хим орг-х соед-й. При механическом возд-и на поверхностный слой (дноуглубление, возд-е волн и течений и др), вызывающим его ресуспензию, из осадка вымываются гидрофобные ОВ. При сод-и нефтяных углеводородов в донных отл-ях более 150-200 мг/кг нарушение их верхнего слоя приводит к обр-ю пятен нефтепродуктов на пов-ти воды, а при более высоких конц-ях (более 1000 мг/кг осадка) – к появлению сплошной пленки.
Насыщение сбрасываемой массы кислородом во время осаждения в открытом море приводит к изменению физико-хим св-в, увеличению растворимости солей металлов, гидроксидов и органомин. комплексов, усиливая тем самым эф-т загр-я воды ТМ и биогенными в-ми.
При больших массах сбрасываемого грунта после осаждения на дно в нижней части вновь сформировавшегося разреза возникают восстановительные условия, при кот-х часть хим. эл-тов (N3-, P3-, Si3-, Fe2+, Mn2+) высвобождается в иловую воду. Появл. диффузионный поток растворимых в-в по направлению к пов-ти дна, где они окисляются и аккумулируются в верхнем слое осадка, создавая концентрации, превышающие исходные.
К наиболее существенной причине, оказывающей влияние на инт-ть вторичного загр-я при механич. возд-и, относится изменение рН, Еh и солености (Еh – мера хим. активности эл-тов или их соед-й в обратимых хим. процессах, связ-х с изменением заряда ионов в растворах). Трансформация окислит-восстан. усл-й поверхн-го слоя донных осадков вследствие механич. возд-я на него может интенсифицировать растворение хим в-в и их переходу в воду. Металлы активнее адсорбируются при повышении кислотно-щелочного показателя и десорбируются при его понижении. При удалении грунта из эстуариев и прибрежных участков в открытое море, как правило отмечается увеличение рН водной фазы вынутого грунта, способствуя преобладанию процессов адсорбции над ресорбцией. Обычно повышение ионной активности (солености) водной среды приводит к десорбции.
Одним из механизмов гидродинамического взмучивания частиц в застойных зонах устьевых областей рек явл. сгонно-нагонные течения, сопровождающиеся конвективными процессами и адвективной интрузией солоноватых вод. Другой механизм обусловлен подпором воды во время нагонов, что приводит к накоплению загрязненных илов в устьевой зоне реки, а в начальный момент сгона воды – к их размыву.
Турбулентная диффузия поллютантов из донных осадков как механизм вторичного загр-я имеет место в период возд-я неустановившегося течения на верхний слой донных осадков при отсутствии перемещения частиц грунта. Этот механизм занимает промежуточное положение м/у размывающим возд-ем течений и волнения и молекулярной диффузией (хим. фактор) в гидродинамич. спокойной обстановке.
Турбация пов-го слоя донных осадков рыбопромысловым вооружением (бобинцы, траловые доски, ваер и др) явл. причиной вторичного загр-я на морских акваториях и относительно больших водоемах, имеющих рыбохозяйственное зн-е. К основным последствиям возд-я на абиотические компоненты донного ландшафта данного оборудования относятся нивелировка форм микрорельефа и обр-е придонных суспензий алевро-пелитового состава. Известны и другие пути загр-я водной среды в р-нах промысла: в прибрежных зонах – береговые источники, в глубоководных – принос поллютантов течениями. Таким образом, вторичное загр-е сопровождается не только взмучиванием тонкодисперсного мат-ла, но и поступлением в воду хим загр-х в-в.
При рассм-и механизмов вторичного загр-я самостоятельное место занимают выдавливание и отжим поллютантов из донных осадков при уплотнении минеральных частиц. В первом случаем процесс осуществляется за счет постепенного уплотнения техногенных илов в начальной стадии диагенеза. В основном этот механизм активирует вторичное загр-е биогенными компонентами. Отжим загр-х в-в из иловых вод в виде выброса происходит по мере увеличения уровня воды и повышения гидростатич. давления, что типично для приливынх морей, водохранилищ при спуске воды, а также при сезонной смене температуры, приводящей к изменению влажности грунтов. Сжимаемость илов зависит от пористости, химико-минералогического и гранулометрич. составов, прочности структурных связей и др. Чем выше пористость, тем сильнее сжимаются илистые грунты.
Все дноработы сопровождаются сложным комплексом возд-й на водную среду на всех стадиях их выполнения, включая погрузку и неизбежно возникающие при этом переливы пульпы. Последние чаще всего дают основной объем загр-х в-в, поступающих в водную среду, и явл. причиной вторичного загр-я.
При проведении дноработ оценка вторичного загр-я может прводиться по двум пок-лям: потоку загр-х в-в (г/м2/год) и мощности источника загр-я (г/с). Эти показатели в основном зависят от способа разработки и объема поднятого грунта, его инженерно-геолог. и химич хар-к, и в дополнение к этому – величина потока загр-х в-в связана с площадью затрагиваемого работами дна.
II Физико-химический фактор.
Ф-х фактор вторичного загр-я обусловлен неравновесным физико-хим состоянием среды на границах раздела фаз: вода-осадок и вода-взвесь. Он реализуется главным образом через процессы десорбции загр-го в-ва в воду из верхнего слоя осадка или с пов-ти взвешенного материала. Физико-хим. процессы на заключительной стадии седиментогенеза в конечных водоемах сноса во многом опр-т геохимич. структуру донных осадков. В этом основную роль играют процессы адсорбции хим. элементов на гидроксидах железа и марганца, обр-е комплексных соед-й на основе органич. лигандов, адсорбция и ионный обмен с поглощающим комплексом глинистых минералов. Интенсивность сорбции зависит от литологического и химического состава донных осадков и взвешенных частиц, ионно-катионного состава воды, а сами процессы могут принимать форму физической сорбции, катионного обмена, хемосорбции, сверхэквивалентной сорбции и т.д. При изменении физико-хим усл-й среды в донных осадках активизируются процессы десорбции, вследствие чего в зоне техногенеза возникает вторичное загр-е. Чаще десорбции подвержены продукты физической адсорбции. В-ва, участвующие в хемосорбции, более устойчивы к изменениям усл-й среды. Так, деструкция органоминеральных комплексов, как правило, вызвана биохимическими процессами и преобразованием орг. в-ва по пути возникновения термодинамически более уст-х соед-й.
Вторичное загр-е возникает при появлении в воде комплексов – неорган. и смешан. соед-й, способных к избират. извлечению ТМ (медь, кадмий, хром, свинец, марганец и др) и их стабилизации в водных р-рах путем обр-я устойчивых комплексов. С уменьшением рН среды, вызванным окислением больших масс ОВ в зоне техногенеза, происходит десорбция катионогенных металлов с пов-ти частиц взвешенного мат-ла и донных осадков. Ряд активности десорбции для разных типов осадков будет начинаться с глинистых минералов и заканчиаться орг в-вом.
Роль процессов десорбции и ионного обмена возрастает при повышении солености воды. Это сопряжено с обр-ем прочных комплексных соед-й с минеральной составляющей вод, удержанием металлов в водной толще и активизацией процессов десорбции. Развитие процессов вторичного загр-я по данному сценарию следует ожидать на устьевых участках рек, кот. часто предстают как наиболее загр-е акватории в системе река-море. Здесь при сгонно-нагонных явл-ях соленость вод многократно возрастает, активируя процессы десорбции.
Десорбция загр-х в-в из донных осадков развивается при снижении их сод-я в воде, но сами процессы обладают длительным периодом действия. Интенсивность десорбции многократно усиливается при перемешивании поверхностного слоя загрязненных донных осадков.
В целом результаты иссл-й указывают на то, что в процессе интенсивного загр-я происходит нарушение процессов массопереноса в системе вода-осадок, приводящее к резкой интенсификации процессов десорбции. Последние регулируют уровень насыщения донных отложений химическими веществами, являясь причиной вторичного загр-я аквальных геосистем.
Ионный обмен – это обратимая химическая реакция, при которой происходит обмен ионами между твердым веществом (ионитом) и раствором электролита.
III Химический фактор
Хим. фактор вторичного загр-я выражен ч/з процессы хим. извлечения ассоциированных форм поллютантов при окислении орг в-ва, восстановлении, катионном обмене, растворении. Большую роль в этом процессе играет сульфат-сульфидное равновесие в донных осадках, зависящее от ок-восст. усл-й среды. Поступление растворенных форм в придонный слой воды осущ-ся посредством молекулярной диффузии из иловых вод или непосредственно с пов-ти осадка и взвешенного мат-ла. Молек. диффузия – процесс переноса в-ва, обусловл. выравниванием его конц-ции в первоначально неоднородной среде.
Процессы деструкции ОВ с мобилизацией в раствор ТМ (медь, кадмий, цинк и др) проявлены в окислит. и восстан. глеевой средах. В бескислородной среде происх. восстановление перекристаллизованного гидроксида марганца и переход сорбированных на нем микроэлементов в раствор. Выход металлов-халькофилов из осадка в раствор может быть также связан с постепенным окислением сульфидов и происходящим при этом снижении величины рН. При поступлении промышл. вод с рН=4,0-4,5 и ниже происходит растворение карбонатов. Это особенно существенно, если учесть, что одной из ведущих форм ТМ (кадмий, никель, свинец, марганец, цинк) в усл-ях техногенного загр-я явл. карбонатная. Подкисление воды приводит к эрозии и вымыванию оксидных форм катионогенных металлов с пов-ти частиц донных осадков и взвеси, провоцируя вторичное загр-е, что особенно контрастно выражено в горнорудных районах с высоким естественным геохимическим фоном.
Сероводород, явл-сь сильным восст-лем, осаждает многие металлы. Уже при невысокой конц-и сероводорода микроэл-ты переходят из окисленных форм, хар-х для кислородной зоны, в форму сульфидов. Активность перехода ТМ из сульфидной формы в гидросульфидный комплекс пропорциональна степени растворимости сульфидов.
При сезонной смене ок-восст. усл-й возникает подвижное сульфат-сульфидное равновесие в осадках, следствием кот-го явл. изменение сод-я ТМ в поверхностном слое донных отложений. В летнее-осенний период идет их осаждение в виде сульфидов и частичное высвобождение в поровую воду при окислении в зимнее-весеннее время года, что позволяет отнести этот процесс к одному из механизмов массопереноса на разделе вода-осадок.
Чем выше доля растворенных форм, тем интенсивнее процессы диффузии. От значения коэф-та диффузии и величины диффузионных градиентов хим в-в зависит мощность потока поллютантов в воду. Величина к-та диффузии зависит от биогеохим. св-в осадков, молек. массы и р-ра самих в-в, газового режима на границе раздела, скорости течения, Т и давл и др.
Участие во вторичном загр-и неорг. соед-й, включая ионы и соли тяж. металлов, обусловлено не только выравниванием концетраций в-ва в иловых и придонных водах (молекул. диффузией), но и высокой поверхностной энергией на межфазовых разделах.
IV Биогеохимический фактор
Механизмом биогеохим. фактора вторичного загр-я аквальных геосистем выступают биодеструкция, поглощение поллютантов и вовлечение их в биогеохимический круговорот организмами бентофагами и макрофитами, биотурбация, процессы биоаккумуляции и биогенерации.
Биотурбация – совокупность нарушений в почвах, породах и донных отложениях в водных объектах, вызванных деятельностью живых организмов: норы, ходы, следы копания и ползания, а также переработка минерального материала в результате прохода его через желудок организмов.
Биоаккумуляция — накопление организмом химических веществ поступающих из окружающей среды в концентрации большей, чем находится в окружающей среде.
К наиболее значимым механизмам в условиях техногенеза относятся биоаккумуляция и биогенерация. Основными биохим. процессами перевода эл-тов и соед-й в подвижное сост-е явл микробиолог. ок-е, восстановление и метилирование, а также сложные биохимич. преобразования орг. комплексов. Перечисленные процессы в фоновых усл-ях – это биогеохим часть массообмена на разделе вода-осадок, однако в аквальном техногенезе их возрастающая интенсивность приводит к вторичному загр-ю.
В качестве примера биодеструкции, т.е. биохим. разложения вещ-ва с обр-ем простых форм элементов (бактериального выщелачивания металлов), можно привести процессы микробиолог. окисления. Так, тионовые бактерии, окисляя сульфиды неорганических соединений, способствуют выносу в воду халькофилов – меди, свинца и цинка. Микроорг-мы в 10-1000 раз ускоряют окисление сульфидных минералов.
Активна роль микроорг-мов в деструкции органоминеральных комплексов и высвобождении подвижных форм металлов и биогенных компонентов.
Деятельность макробентоса усиливает процессы поступления загрязняющих в-в в воду за счет биотурбации донных осадков. В процессе рыхления организмами донных отложений на 2-3 порядка увеличивается скорость проникновения в осадки кислорода, участвующего в
Где Vs — установившаяся скорость осаждения частицы (м/с) (частица движется вниз если ρ p > ρ f, и вверх в случае ρ p < ρ f),
r — радиус Стокса частицы (м),
g — ускорение свободного падения (м/с²),
ρp — плотность частиц (кг/м³),
ρf — плотность жидкости (кг/м³),
μ — динамическая вязкость жидкости (Па с).
Формула работает в диапазоне от 0,5-0,05 мм.
Гидравлическая крупность (м/с) – скорость осаждения частицы в водной среде.
2) химическая диф-я в-ва – сов-ть хим пр, происх. в гидросфере и привод-х к последоват. переходу растворен. в-в в ТВ. фазу и осаждению в бассейне;
3) физико-хим. диф-я – в осн. присуща коллоидному материалу и осущ. в водной среде через процессы коагуляции и сорбции, привод. к укрупнению частиц и их последовательному осаждению;
4) биогенная диф-я – избират. превращение растворенных компонентов в минеральные скелетные обр-я или органич. ткани различных видов орг-мов в пр. их жизнед-ти.
Страхов счит, что главн. – механич. диф-я, новейшие иссл-я – Лисицин – счит, что осн. – биогенная.
Внутриконтинентальная, морская и океаническая седиментация:
Мех.>физико-хим., биоген.> химич. (внутриконтинент. и окраины морей)
Биоген.>механич, физико-хим>химическая (океанич).
Страхов выдел. 4 типа литогенеза (3 зональн, 2 азональн):
1) зональные:
- полярный литогенез – преобл. механич. тип выветривания; сами осадки грубообломочн, песчаные;
- гумидный литогенез – теплые и влажные; осн. – химич. и биолог. выветривание; тонкодисперсный мат-л и т.д.;
- аридный литогенез – выс. температура и нехватка осадков; гл. роль при осадконакоплении – хим. фак, при выветривании – механические факторы.
2) азональные:
- океанич. – распол-е по отн-ю к материкам, суши (циркумконтинентальная зональность);
- вулканогенно-осадочн. – близость к вулканам.
II След. стадия – Диагенез – стадия преобразования осадка в осадочную породу (десятки и сотни тысяч лет).
Глубина – сотни метров, максимальная температура=500С.
В стадии диагенеза происх след. осн. процессы:
1) 1) уплотнение осадка под действием веса вышележащих осадочных обр-й;
2) 2) дегидратация осадков;
3) 3) биолог. переработка осадка;
4) 4) обр-е устойчив. минеральных модификаций, разложение и растворение неустойчивых компонентов осадка
Осадок, накопившийся на дне водоема или на поверхности суши, обычно представляет собой неравновесную систему, состоящую из твердой, жидкой и газовой фаз. Между составными частями осадка начинается физико-химическое взаимодействие. Активное участие в преобразовании осадков принимают обитающие в иле организмы.
Во время диагенеза происходит уплотнение осадка под тяжестью образующихся выше него слоев, обезвоживание, перекристаллизация. Взаимодействие составных частей осадка между собой и окружающей средой приводит к растворению и удалению неустойчивых компонентов осадка и формированию устойчивых минеральных новообразований. Разложение отмерших животных организмов и растений вызывает изменение окислительно-восстановительных и щелочно-кислотных свойств осадка. К концу диагенеза жизнедеятельность бактерий и других организмов почти полностью прекращается, а система осадок — среда приходит в равновесие.
Диагенез: окислит. диагенез, восстан. диагенез.
тв.фаза, иловые воды, газ.
2) 2) катионный обмен прох. м/у иловыми водами и ТВ.фазой;
3) 3) кристаллизация – связ. с перенасыщением и перех. из жидк. в тв. фазу.
Т.о., обр. аутигенные минералы и это меняет состав донных осадков.
Большую роль играет кристаллизация коллоидн. частиц и снижению их хим. активности.
В конце стадии диагенеза – осадочные породы.
III стадия – катагенез (стадия раннего метаморфизма)
От 50 до 2000С, 1-2000 атм. по глубине достигает 5000 метров. Основные факторы – температура и давление. Продолжается дальнейшая дегидратация и уплотнение. Продолжаются различные процессы, обусловленные изменением температуры. Данная стадия явл. основной при обр-и нефти.
Аргиллиты, кварцевые песчаники, известняки и др. – результат катагенеза.
Направленность и интенсивность преобразований в значительной степени определяются составом и физическими свойствами пород. В процессе катагенеза происходит уплотнение пород, их обезвоживание, растворение неустойчивых соединений, а также перекристаллизация и образование новых минералов.
IV стадия – метагенез (стадия регионального метаморфизма)
3-5 тыс. атм.
На этой стадии происходит максимальное уплотнение осадочных пород, меняется их минеральный состав, структура. Преобразование пород происходит под влиянием тех же факторов, что и при катагенезе, но температура более высокая (200—300 °C), выше минерализация и газонасыщенность вод, иные значения Еh и рН.
Изменение структуры пород проявляется в укрупнении размера зерен, в упорядочении их ориентировки, перекристаллизации с исчезновением фаунистических остатков. Завершается стадия метагенеза переходом осадочных пород в метаморфические горные породы.
Обр-ся кварциты, мраморовидные известняки.
Ультраметагенез – расплавление метаморфич. пород и обр-е магматич. пород.
