Миграция элементов и их
радионуклидов
Все природные и техногенные процессы всегда
связаны с перемещением химических элементов, их
миграцией (от лат. migratio – перемещение).
От возможности миграции, ее путях и
интенсивности во многом зависит протекание
тех или иных геохимических процессов.
В самом общем виде обычно выделяют четыре
основные вида миграции:
1. механическую,
2. геохимическую (физико-химическую),
3. биогенную (связанную с деятельностью живых
организмов),
4. техногенную (связанную с деятельностью
человека).
Геохимическая (физико-химическая)
миграция включает в себя процессы:
Мобилизации вещества/элементов,
Переноса элементов,
Осаждения элементов,
Фиксации (консервации) химических
элементов.
Миграционные и депонирующие
среды
Вода и воздух –
важнейшие
миграционные среды.
Движение воздушных масс
Миграция инертных
радиоактивных газов
Распространение радионуклидов
в апреле 2011 г. Фукусима.
Наибольшей
подвижностью
обладают
газообразные продукты деления, к которым относятся
изотопы инертных радиоактивных газов — криптона и
ксенона. К этой же группе примыкает йод,
возгоняющийся при низкой температуре.
В состав продуктов деления входит 18
изотопов криптона, 15 изотопов ксенона и 20
изотопов йода.
Атомная электрическая станция во Франции
Фото: Ян А. Бертранд 2008 г.
Миграционные среды
результате
массопереноса
радионуклидов
с
конвективными
или
диффузионными потоками воды и воздуха
происходит загрязнение почв и горных
пород, что в свою очередь приводит к
радиоактивному загрязнению растений и
животных,
также
обусловливающих
радиационное воздействие на человека.
В
Речной перенос
Рейн в районе г. Кельна Германия
Ежегодный сток в Северное море Рейна, одной из
наиболее грязных рек Мира несет (тысяч тонн): 2,5 Pb; 2,1 Cu;
0,8 As; 0,2 Cd. [Овчинников].
Океанический перенос
Морские течения
Оценка характера миграции
Коэффициент водной миграции
(КВМ) = содержание Σ солей/содержание в
земной коре
Депонирующие среды
К депонирующим средам
относятся тонкодисперсные
фазы грунтов, почв, кора
выветривания (глинистые
минералы, органические
вещества, гидроксиды и пр.)
Выпадение 137Cs из атмосферы
вследствие аварии на Чернобыльской АЭС
(1986г.)
Коэффициент биологического поглощения
Коэффициент
биологического
поглощения (КБП)=
содержание в золе
растений/ содержание в
земной коре.
Дионея
Миграция соединений урана в природных
условиях
U4+ и уранил различаются способностью к образованию
комплексных соединений.
В природных условиях широко распространены:
гидроксиды уранила,
уранил-карбонатные,
уранил-сульфатные,
уранил-фторидные,
возможны уранил-фосфатные,
уранил-силикатные и другие комплексные соединения.
Многие исследователи считают, что миграция урана в
природе происходит главным образом в виде комплексных
соединений уранила.
Разрушение этих комплексов по различным причинам
(связывание или удаление углекислоты, изменение Eh
растворов, изменение температуры и т. д.) ведет к выпадению в
осадок U4+ и образованию руд.
Биологические свойства урана
Уран и его соединения токсичны. Особенно опасны
аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей
растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе
0,015 мг/м³, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075
мг/м³.
При попадании в организм уран действует на все
органы, являясь общеклеточным ядом.
Молекулярный механизм действия урана связан с
его способностью подавлять активность ферментов.
В первую очередь поражаются почки.
При хронической интоксикации возможны
нарушения кроветворения и нервной системы.
Основные
пути
распространения
радионуклидов в окружающей человека среде —
это воздушный (в атмосфере) и с водными
потоками,
причем
одинаковую
опасность
представляют как подземный, так и поверхностный
сток.
Река Или в Китае
Факторы миграции элементов
Внутренние
факторы
миграции
определяются строением электронных
оболочек атомов.
Это определяет химическую активность,
кислотно-щелочные
и
окислительновосстановительные свойства самих элементов и
их изотопов.
Внутренние факторы миграции:
• способность давать летучие или растворимые
соединения,
• осаждаться из растворов,
• кристаллизоваться из расплавов,
• сорбироваться.
Внутренние факторы миграции
К ним относятся свойства химического
элемента, определяемые строением его атома:
способность давать летучие или растворимые
соединения,
осаждаться
из
растворов,
радиоактивность,
сорбционные
свойства,
технофильность и т. д.
Особенно большое значение А.Е. Ферсман
придавал порядковому номеру элемента, т. е. его
положению в периодической системе Менделеева,
радиусу иона элемента и его заряду (валентности).
Эти характеристики ученый именовал
«геохимическими параметрами элементов».
Внутренние факторы миграции
В
радиоактивности
же
проявляются
свойства атомного ядра, его способность к
распаду, превращению в другие ядра. Так, в
результате радиоактивного распада уран и торий
порождают радий, радон, свинец, гелий.
Именно поэтому в урановых минералах мы встречаем
парагенную ассоциацию урана, радия, свинца, а иногда и гелия.
Радиоактивный изотоп калия порождает
аргон, рубидия — стронций.
Все эти атомы-спутники резко отличаются
друг от друга по своим химическим свойствам,
т.е. по электронной структуре атомов.
Распад ядер урана
По
своей
сути,
механизмы обеспечивающие
миграцию
радиоактивных
веществ
в
окружающей
среде, ни чем не отличаются
от
механизмов
миграции
других элементов.
В большинстве отличия
обусловлены
физикохимическими
свойствами
каждого радионуклида.
ИРН в природных условиях находятся в
ультрамалых количествах.
Поведение ИРН в системах (≤ 10-7 %)во
многих случаях отличается от поведения
элементов, изотопами которых они являются.
Определяющими являются не только химические
свойства элемента, но и физико-химическое состояние
ИРН ( дисперсность, состав частиц, степень окисления), а
также особенностей состояния среды.
Состояние среды → совокупность форм
нахождения изотопов в природном растворе
ИРН присутствуют в растворах природной среды в трех
состояниях:
Коллоидные соединения (гидрозоли);
Истинные растворы;
Комплексные (в том числе нуклидно-органические соединения).
Коллоиды образуются при уменьшении pH растворов:
- для элементов III группы ( Y, Ac… ) значения pH= 6 – 6,5
-для элементов IV и VI групп (Zr, Hf,Pb, Pu) значения pH=3,5 – 5;
-для элементов V группы (Bi и др.) значения pH=1 – 2.
Изотопы щелочных (K, Rb, Cs) и щелочно-земельных (Sr, Mg, Ra)
образуют истинные растворы.
Зависимость катионогенности и анионогенности и
аморфных свойств от соотношения величин радиуса
ионов и их заряда (для ионов типа благородных газов)
• температура Т,
• давление Р,
• кислотность среды рН,
• окислительно-восстановительный
потенциал Eh,
• химический состав среды (другие
элементы),
• присутствие организмов
концентраторов.
Простые Комплексные Коллоидные Полимеры
(SrCl2) [(UO2)(CО3)]n SiO2 - гель Ca3Si3O9
Эти факторы охватывают физические и
физико-химические явления.
Физические факторы выражены во влиянии
главным образом гравитационного, в незначительной
мере электромагнитного и радиационного полей.
Физико-химические факторы включают: наличие
простых и комплексных ионных или коллоидных
форм растворов; режимы рН, Eh, температуры и
давления; диффузионные или фильтрационные
условия массообмена, реализацию принципа ЛеШателье **.
**Ле Шателье – При воздействии на сложную систему в ней
происходят процессы, сводящие это воздействие к минимуму.
Факторы миграции
Внутренние
факторы миграции.
К ним относятся
свойства химического
элемента, определяемые
строением его атома:
способность давать
летучие или растворимые
соединения,
-осаждаться из
растворов,
-радиоактивность,
-сорбционные свойства,
технофильность и т. д.
Внешние факторы
миграции включают:
наличие простых и
комплексных ионных или
коллоидных форм
растворов;
режимы рН, Eh,
температуры и давления;
диффузионные или
фильтрационные условия
массообмена.
Параметры миграции
Скорость миграции
Скорость миграции
Vx =
dbx
dt
определяется количеством вещества,
перемещенного в единицу времени.
Интенсивность миграции
Понятие
интенсивности
вошло
в
геологические науки только в первой
половине ХХ века, когда появились методы
радиологического определения возраста
Интенсивность миграции Px =
1 . dbx
1 .
Vx
=
bx dt
bx
Интенсивность миграции – отношение
перемещенных атомов к общему их количеству в
системе
Параметры миграции
Любая работа (А), в том числе и по переносу
вещества,
выражается
через
произведение
экстенсивных и интенсивных параметров.
А = S Xi . xi
Экстенсивные параметры Xi
(обладающие
аддитивными свойствам): расстояние - l, объем – V,
масса - m, энтропия - S и т.д.
Интенсивные параметры xi (не зависящие от
размера системы, или фазы): температура- T,
давление - P, химический потенциал - m,
поверхностное натяжение -σ и т.п.
Дифференциальная миграция
Любое движение всегда идет в направлении
от более высокого потенциала к более
низкому.
• гравитационного h
• теплового T
• электрического E
• химического m
DV
I=
R
Любой поток I вещества, тепла,
энергии прямо пропорционален
разности потенциалов DV и обратно
пропорционален сопротивлению
среды R.
Пример - (сортировка песчаных и гравийных
отложений в реках)
Динамика процесса миграции
Процесс миграции
сопровождается
дифференциацией
элементов в зависимости
от:
• свойств элемента
• его окружения
• разности потенциалов
• сопротивления среды
Процесс миграции – один из
факторов дифференциация
элементов
Метеоритный кратер,
Ашхабад
Интегральный эффект (масса перемещенного
материала Мi) зависит также от поперечного
сечения потока S и интегрального времени
процесса движения S t.
Еще Ж. Бюффон (1707-88), а затем И.
Кант (1724-1804) обратили внимание на
те грандиозные эффекты, которые
создаются длительным действием
малых сил, например изменение
рельефа текучими водами.
Важнейшие миграционные факторы:
окислительно-восстановительный потенциал
Определяющее
влияние
на
миграцию большинства элементов, в
том
числе
рудных,
оказывают
окислительно-восстановительные и
щелочно-кислотные условия воды.
Важнейшие миграционные факторы:
щелочно-кислотный показатель
Геохимические классы вод биосферы
Щелочнокислотные
условия
Окислительно-восстановительные условия
Кислородные
Сильнокислый
Глеевые
Сильнокислый
глеевый
Сероводородные
Сильнокислый
сероводородный
Кислые
слабокислые
рН 3—6,5
Кислый
Кислый глеевый
Кислый
сероводородный
Нейтральные и
щелочные
рН 6,5 – 8,5
Нейтральный
и щелочной
Нейтральный
и щелочной
глеевый
Нейтральный
и щелочной
сероводородный
Сильнощелочные
Содовый
Содовый глеевый
Содовый
сероводородный
Сильнокислые
рН<3
(содовые) рН ≥ 8,5
Геохимическая классификация элементов по особенностям их
миграции в ландшафтах (по А. И. Перельману)
ВОЗДУШНЫЕ МИГРАНТЫ
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Активные
Пассивные
образуют химические соединения
не образуют химические соединения
О, Н. С, N.
Ar. He, Ne, Kr, Xe, Rn
ВОДНЫЕ МИГРАНТЫ
Катионогенные
Анионогенные
Очень подвижные
Са, Na. Mg. Sr. Ra
CI, Вr, S, F, В
Слабо подвижные
К, Ва, Rb, U, Be, Cs.
Si, P. Ge, Sn, Sb, As.
•
•
•
•
•
Подвижные и слабо подвижные в окислительной обстановке и инертные в сероводородной
среде:
Zn, Сu, Ni, Pb, Cd .
Hg, Ag, Bi.
Подвижные и слабо подвижные в окислительной обстановке, инертные в восстановительной
среде:
V. Mo, Se, U, Re.
Подвижные и слабо подвижные в восстановительной глеевой среде, инертные в окислительной
и восстановительной сероводородной средах
•
Fe, Mn, Со.
Мало подвижные в большинстве обстановок
Слабая миграция с органическими комплексами.
Частично мигрируют в щелочной среде:
Частично мигрируют в сильно кислой среде:
Ti, Сг, Се. Nb, Y, La, Ga, Th, Sc, Sm, Gd.
Zr, Nb, Та. W, Hf, Tb, Ho, Eu, Yb, In, Lu
•
He образуют химических соединений (самородное состояние)
•
Os, Pd, Ru, Pt, Au, Rh,
конвекция (от лат. convection переселение, перемещение)
диффузия (от лат. diffusion растекание)
Конвективный перенос подразумевает перемещение
элементов каким-либо носителем – газовой фазой, раствором или
расплавом
Фильтрация раствора в водоносном горизонте между двумя
водоупорами.
Стрелками показаны возможные направления фильтрации.
Миграция элементов в почве
Основными «движущими силами», которые приводят к
миграции радионуклидов в почве являются:
-конвективный перенос (фильтрация атмосферных
осадков вглубь почвы, капиллярный поток влаги к
поверхности почвы, который вызван испарениями,
-теплоперенос влаги под действием градиента
температуры),
- диффузия свободных и адсорбированных ионов,
- перенос радионуклидов корневыми системами растений,
- перенос радионуклидов коллоидными частичками
(лессиваж),
-роющая деятельность животных (кроты и т.д.),
- хозяйственная деятельность человека.
В последнее время получено много данных по
концентрированию
живым
веществом
искусственных радиоактивных изотопов 90Se, 137Cs,
131I, 32P и др.
Все это говорит о том, что форма нахождения
элементов в живых организмах играет существенную
роль, а подчас и решающую роль в изменении
направлении миграции элементов и приобретает
особое значение при решении экологических
вопросов
Диаграмма распределения 137Cs в
почвенном профиле дерново-подзолистых
почв Чернобыльской зоны отчуждения
(наиболее распространенный тип почв)
Структура вертикального
профиля типичных почв
зоны отчуждения
Например, сравнивая величины поступления радионуклидов с почвы в растения было
установлено, что в зависимости от уровня увлажнения величины перехода 137-Cs в
растительность изменяется в 600 раз. Значительные отличия в накоплении были
отмечены для разных типов почв Чернобыльской зоны отчуждения
Биогенная миграция
«Биогенная миграция производится силами жизни и,
взятая в целом, является одним из самых грандиозных и
самых характерных процессов биосферы, основной чертой
ее организованности. Огромные количества атомов,
исчисляемые не квинтиллионами, а еще большими числами,
находятся в непрерывной биогенной миграции».
«Дыханием, питанием, внутренним
метаболизмом, размножением создается
непрерывно каждым организмом
отдельно или всеми ими вместе
биогенный ток атомов, строящий и
поддерживающий живое вещество».
В.И. Вернадский
Организм жив, пока ток атомов продолжается.
Первый биогеохимический принцип Вернадского,
гласит:
«биогенная
миграция
химических
элементов
в
биосфере
стремится
к
максимальному своему проявлению».
Биогенная миграция
Академик
В.И.
Вернадский
подсчитал, что одна крупная стая
саранчи весит больше, чем все
цветные
металлы,
добытые
человеком за все годы от бронзового
века до наших дней!
Биогенная миграция
Эта огромная прожорливая масса (одно насекомое
съедает в течение жизни до 300 граммов зеленого
корма) вдруг поднимается на крыло и летит, иногда
на сотни и даже тысячи километров.
Биогенная миграция
Эффект всей биогенной миграции не определяется прямо
массой живого вещества.
Он зависит не меньше, чем от количества атомов, и от
интенсивности их движения, неразрывно связанного с
жизнью. Чем больше раз будут оборачиваться атомы в единицу
времени, тем биогенная миграция будет значительнее; она
может быть резко различна при одном и том же количестве
атомов, захваченным живым веществом.
Крупнейшие следы биогенной миграции:
• Кислород атмосферы
(хлорофилловая функция)
• Отложения карбонатов
• Железистые кварциты
(кальциевая функция)
(изменение химии гидросферы)
• Скопления угля, нефти, газа.
Техногенная миграция
Добывая полезные ископаемые,
прокладывая дороги, строя
здания и складируя отходы
человек перемещает огромные
массы элементов, становится
геологическим фактором
миграции элементов.
Хвостохранилище ГМК «Норильский никель»
Техногенная миграция
Ежегодно в мире около 10 000
горно-обогатительных
предприятий (ГОК)
из недр земли извлекают
более 30 млрд. м3 горной массы
Для осушения разрабатываемых
месторождений ежегодно
откачивается n 1,0 млрд. м3
подземных вод.
Карьер компании «BHP»
Значение миграции элементов
Решение вопросов миграции элементов требует
синтетического,
структурно-вещественного
междисциплинарного подхода с использованием
методов геологического, геохимического, физикохимического и биохимического анализа конкретных
природных ситуаций.
От направления и интенсивности миграции
элементов
во
многом
зависит
нарушение
экологических обстановок в конкретных регионах и
выбор путей минимизации опасных нарушений
экосистем.