Файл: Конспект подготовлен студентами, не проходил проф. Редактуру и может содержать ошибки. Следите за обновлениями на vk. Comteachinmsu.pdf

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
103
Рис. 71 Зависимость Kp от обратной температуры
Буферы, определяющие окислительно-восстановительные состояния:
• Fe
2
SiO
4
= 2Fe + SiO
2
+O
2
Fa I Q
IQF- самый низкий буфер по фугитивности кислорода
• QFM – кварц фаялит магнетит
Используют понятие – отличие от буфера (QFM – 2, значит фугитивность кислорода меньше по сравнению с буфером на 2)
Окислительно –восстановительный потенциал для горных пород определяют с помощью фугометра. 2 главных минерала – ильменит (Fe
3+
) и ульвошпинель. По распределению Fe
3+
между этими минералами мы получаем возможность определить фугитивность кислорода. Необходимо знать температуру образования парагенезиса. По мере снижения температуры уменьшается фугитивность температуры (СОХ). Для островодужных формаций – выше фугитивность кислорода.
Кристаллизация известково-щелочной серии
Резкое падение содержаний железа результат интенсивной кристаллизации магнетита в условиях высоких P
O2.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
104
Рис. 72 зависимость Fe от MgO
В расплавах остаются щелочи и кремнезём.
Рис. 73 зависимость SiO
2
от MgO
Толеитовые базальты образуют океаническую кору, а затем дегидратация измененной провзаимодействующей с морской водой океанической коры приводит к тому, что возникают из мантии известково-щелочные породы, которые приводят к образованию кислой коры.
Петрологическая диаграмма AFM
A- щелочь, F – железо, M – MgO

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
105
Рис. 74 Петрологическая диаграмма AFM
Показывает, что 2 тренда ведут себя близким образом, но с разным соотношением F и
M и приводит к образованию более кислых пород. Именно этими породами прирастает континентальная кора, необратимо и непрерывно в ходе геологической истории.
При этом образуются закономерности в составе микроэлементов.
Рис. 75 Многоэлементная диаграмма для базальтов
В левой части – наиболее магмафильные элементы с высоким ионным радиусом.
Континентальная кора и современный известково – щелочной вулканизм близки по геохимическому паттерну, наследуя максимум Pb и минимум Ta, Nb

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
106
Полезные ископаемые
Полезные ископаемые получаются вследствие взаимодействия нагретой морской воды с магматическими (андезиты) и осадочными породами и отложения рудных минералов.
Появляются месторождения типа Куроко, сульфиды Cu, Zn, +Au, Ag(колчеданы).
Богатые летучими магмы дают медно – порфировые месторождения. Обилие хлора, серы, высокая окисленность способствуют рудоотложению.
Выводы
1.
Геохимические характеристики мантийного источника известково – щелочных магм зависят от потока флюидов из погружающейся изменённой океанической коры
2.
Причиной магмообразования является добавка к веществу мантийного клина воды, снижающей температуру плавления.
3.
Особенности кристаллизационной дифференциации изв-щел магм определяются интенсивной кристаллизацией магнетита в условиях высоких парциальных давлений кислорода.
Гранитоидный магматизм
При выветривании андезитов – возникают глины. Гранит может быть получен при нагреве глин и при плавлении вещества - гранитная эвтектика.
•
При частичном плавлении возникают высокоглиноземистые граниты
(граниты типа S) с мусковитом, кордиеритом, гранатом. (Ca+Na+K) / Al < 1.
Акцессорные минералы – ильменит, монацит, но не сфен (весь кальций связан в плагиоклазе). Характерно низкое парциальное давление кислорода
(так как исходный глинистый материал как правило содержит органику).
87
Sr/
86
Sr > 0.708
, так как континентальная кора обогащена рубидием в течение длительного времени.
•
Источник тепла – внедрение базальтовых магм
•
Из океанической коры также могут получиться граниты (граниты типа I - в конце процесса дифференциации магм), но это высококальциевые граниты с амфиболом, сфеном, магнетитом, окислительная обстановка.
•
Конвергенция – гранитный минимум плавкости – точка конечной кристаллизации для разных исходных расплавов. Но разный изотопный состав, разная степень окисления, разная металлогеническая специализация.
Точка псевдобинарных эвтектик
Это самая последняя точка кристаллизации расплавов, и не важно с какой стороны идём – получаем одно и то же (рис.76).

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
107
Рис. 76 Диаграмма. Точка псевдобинарных эвтектик
Возникает гранитизация, последняя фаза – эвтектический гранитный расплав. В
Верхней части континентальной земной коры накапливаются более кремнеземистые, а внизу остаются более меланократовые породы.
2 типа гранитов
Тип I
Тип S
CaO+Na
2
O+K
2
O>Al
2
O
3
CaO+Na
2
O+K
2
O2
O
3
Цветные минералы
Биотит, амфибол, пироксен
Биотит, мусковит, иногда кордиерит и гранат
Акцессорные минералы
Сфен, магнетит, апатит, ортит
Ильменит, монацит, турмалин
Парциальное давление кислорода
Высокое
Низкое
87
Sr/
86
Sr
0.703-0.705 0.708 и выше
Руды
Cu, Mo, Zn
Sn, W, Mo, Nb, Ta, Be
Геохимия метаморфизма
•
Метаморфизм – изменение минерального состава и структуры магматических и осадочных пород вследствие попадания их в условия, отличные от условий их формирования.
•
Границы – нижняя 150 (диагенез), верхняя – магматизм.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
108
•
Метаморфизм – контактовый (зональность вокруг интрузива), региональный
(зональность тоже имеет место, но крупномасштабная), прогрессивный, регрессивный.
Метаморфические фации
Геохимические закономерности метаморфизма
•
Изменение состава – потеря летучих, перенос растворимых компонентов флюидами, начало плавления и вынос легкоплавких компонентов. Зоны субдукции, нижняя кора. Отличия содержаний подвижный компонентов, различия изотопного состава (в нижней коре меньше рубидия, уран)
•
Геотермобарометрия – Ga - Bi, Cpx - Opx, Amph – Bi.
•
Геобарометры
3CaAl
2
Si
2
O
8
= Ca
3
Al
2
Si
3
O
12
+ 2Al
2
SiO
5
+ SiO
2 3CaAl
2
Si
2
O
8
+ 3CaMgSi
2
O
6
= 2Ca
3
Al
2
Si
3
O
12
+ Mg
3
Al
2
Si
3
O
12
+ 3SiO
2

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
109
Лекция 19
Геохимия магматизма (продолжение)
Геохимия гидротермального процесса
Объём пород, которые подверглись гидротермальному процессу небольшой. Основные скопления полезных ископаемых имеют гидротермальный генезис. Сегодня гидротермальные месторождения составляют основную часть экономически значимых скоплений элементов.
Особенности:
•
Процессы с участием нагретых вод – чрезвычайно эффективный механизм разделения элементов, нередко приводящий к формированию руд.
Причины – селективность растворимости разных компонентов и высокая механическая подвижность
•
Источники вод – магматические, метаморфические, нагретые захороненные, морские, метеорные.
Критерии – изотопия, теоретические модели тепломассопереноса с учётом параметров реальных систем.
•
Температурные границы – n10℃ до 700℃ (магматические температуры)
Фазовая диаграмма воды
Рис. 77 Фазовая диаграмма воды

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
110
Агрегатные состояния водных растворов: жидкость, газ, надкритический флюид.
Жидкость – сжимаемость мала, газ – велика, для чистой воды ж+г до 375℃ и 220 бар. Многие свойства мало меняются вдоль изохор, например, диэлектрическая проницаемость.
V
G
↓
V
L
↑
V
G
=V
L
– критическая точка. Выше этой точки для чистой воды не наблюдается разделение на жидкость и газ. Вода – надкритический флюид. Никогда не возникнет капля жидкости при сжимаемости. Неконденсированная фаза.
CO
2
– H
2
O увеличение поля Ж+Г – в сторону более высоких давлений при низких температурах.
В системах CO
2
-H
2
O, H
2
O-NaCl и тем более H
2
O – NaCl –CO
2
поле ж+г значительно шире, чем для чистой воды. Распределение компонентов между жидкостью и газом – дополнительный фактор дифференциации. При высоких давлениях эта возможность исчезает.
Состав гидротермальных растворов
•
Источники информации –
•
1. Газово-жидкие включения
•
2. Современные гидротермы: чёрные курильщики океана, нагретые рассолы
(Салтон – Си, Челекен), зоны повышенного теплового потока, районы современного вулканизма
•
3. Эксперименты и расчёты взаимодействия растворов с минералами и породами
•
Компоненты: H
2
O, (CO
2
, H
2
CO
3
, HCO
3
-
, CH
4
), (H
2
S, HS
-
, SO
2
, HSO
4
-
, H
2
SO
4
),
Cl > F, Na
+
, K
+
, Ca
2+
, Mg
2+
, растворимые формы SiO
2
и силикатов.
Флюидные включения (газово-жидкие включения)
•
В основном изучают в кварце, так как он лучше всех сохраняет флюидные включения
•
В газово-жидких включениях иногда возникают кристаллы, например, NaCl
•
Иногда бывают 2 жидкие фазы- вода и углекислота, при нагреве такие включения превращаются в гомогенную жидкость
•
Иногда – вторичные включения, они заполняют трещины в минералах, в более поздних процессах
Растворимость минералов в воде
Вода – уникальный растворитель
• H
2
O – диполь. Молекула воды изолирует катионы от анионов – электролитическая диссоциация. Слабые и сильные электролиты. H
2
O – слабый

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
111 электролит. Диссоциация – константа равновесия, закон действующих масс.
Ионное произведение воды:
• K
w
= m
H-
* m
OH-
= 10
-14
(25℃)
• pH (neutral) = -log10(m
H+
) = 7(25℃)
•
Для разбавленных растворов
ПР
BaSO4
= a
Ba2
+a
SO42-
≈m
Ba2
+m
SO42-.
Расчёт из ∆G реакции
• BaSO
4
solid
= Ba
2+
aq
+ SO
4 2- aq
Закон действия масс: чем больше SO
4 2-
, тем меньше Ba
2+
Рассчитанные растворимости для рудных минералов очень низки.
•
Концентрированные растворы – изменяется γ (m≠a), так как изменяется структура раствора, и образуются ассоциаты (комплексы).
Не ионы определяют перенос9 минералов в гидротермальном процессе, а комплексы.
Комплексные соединения:
Me x+
L
y- n
(x-ny)
(металл+лиганд)
Константа устойчивости:
Me x+
+ nL
y-
= MeL
n
β = a
MeLn
/a
Mex+
* aL
y- n
Современные методы исследования
1)
Гидротермальный реактор
2)
Искусственные флюидные включения
3)
Алмазная ячейка
4)
Синхронное излучение
5)
Оптические ячейки для спектроскопии
6)
Молекулярное моделирование
Перенос металлов в вулканических газах
Древние греки видели, что в газах, связанных с магматическими системами в высокотемпературных фумаролах происходит очень активный перенос компонентов и образуются отложения – сублиматы, например, золото.
Элементы, концентрирующиеся в газовой фазе
Kmetal = C in gas/ C in magma
ZnCl
2
, FeCl
2
, MoO
2
(OH)
2
, MoO
2
Cl
2
, SbCl
3
, As(OH)
3
, AsS, SnF
2
, SnCl
2
, AuCl, AuS,
AgCl, H
2
Se, SeO
2

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
112
Рис. 78 Степень изученности состояния флюидов
Рис. 79 Гетерогенные гидротермальные системы

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
113
Рис. 80 Распределение металлов между жидкостью и газом
Перенос металлов в газовой фазе:
Физико-химический аспект
•
Влияние лигандов на перенос (Cl, S, CO
2
…)
•
Определение стехиометрии и устойчивости газовых комплексов
•
Свойства растворителя (плотность, диэлектрическая проницаемость, pH, Eh)
•
Экспериментальные методы (растворимость, флюидные включения, спектроскопия)
•
Термодинамическое и молекулярно – динамическое моделирование
•
Формы переноса металлов в плотных растворах
Основные формы переноса
As
As (OH)
3
Sb
Sb(OH)
3
Si
Si(OH)
4
B
B(OH)
3
Mo
H
2
MoO
4
, HMoO
4
-
, MoO
4 2-
W
H
2
WO
4
, HWO
4
-
, WO
4 2-
Fe
FeCl
2
, FeCl
3
-
, FeCl
4 2-
Zn
ZnCl
2
, ZnCl
3
-
, ZnCl
4 2-
Ag
AgCl
2
-
, AgCl
3 2-
Cu
CuCl
2-
Au
AuHS, Au(HS)
2
-

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
114
Pt
Pt(HS)
2
Al
Al(OH)
3
, Al(OH)
4
-
Zr, Ti
Zr(OH)
4
, Ti(OH)
4
Комплексообразование в водных растворах
Например, ион Zn в растворе окружён некоторой конфигурацией, чаще всего октаэдрической, диполей воды, которая находится в координационной сфере, а вокруг находятся еще некоторое количество разупорядоченных молекул воды, которые образуют некоординационную сферу. Это структура иона воды. И если есть ион Cl, который также окружен молекулами воды, он может замещать одну из молекул воды в ближней координационной сфере. Ступенчатое комплексообразование – постепенное замещение лигандом молекул воды в ближней координационной сфере.
В газовой фазе возникают подобные взаимодействия.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
115
Лекция 20
Геохимия магматизма (продолжение)
Причины рудообразования
Метод растворимости для изучения ступенчатого комплексообразования
AgCl –
плохорастворимое соединение
AgCl = Ag
+
+Cl
-
(1)
К
р
= a
Ag+
* a
Cl- lgm
Ag
= lgK
p
– lgm
Cl-
Рис. 81 Ступенчатое комплексообразование. Диаграмма доминирующих форм серебра
Cl препятствует растворению AgCl
AgCl тв
= AgCl
0
aq
(2)
Kр
2
= m
AgCl
0
lgm
Ag
= lgK
р
Появляется растворимость, которая не зависит от активности Cl в растворе.