ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.09.2020
Просмотров: 3911
Скачиваний: 7
46
6.
ВНЕШНИЕ ФАКТОРЫ МИГРАЦИИ И РОЛЬ ГЕОХИМИЧЕ-
СКИХ ПРОЦЕССОВ В МИГРАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ
В каждой геосфере Земли создаются специфические внешние факторы ми-
грации в зависимости от изменения соотношений температуры, давления и кон-
центрации раствора. Эти параметры обуславливают специфику термодинамики
системы, которая, в свою очередь, создает условия для формирования тех или
иных геохимических процессов. Рассмотрим особенности формирования среды, в
которой постоянно протекает миграция, концентрация и рассеивание элементов.
6.1.
Внешние факторы миграции
Ведущими факторами природной среды являются
температура
,
давление,
концентрация раствора
, в гипергенной зоне дополнительно влияет
тип климата
.
В зависимости от соотношения факторов изменяются условия от активной мигра-
ции элементов в жарком гумидном климате до их концентрации в аридном кли-
мате. В гипогенных условиях активная миграция возможна при высоком давлении
и температуре, а кристаллизация – при понижении этих параметров. Таким обра-
зом, воздействие внешних факторов следует рассматривать самостоятельно в двух
сферах: гипергенной и гипогенной.
Зона гипергенеза
является главным местом действия солнечной радиации.
Под ее влиянием прямо или косвенно протекают все гипергенные процессы и свя-
занная с ними миграция элементов. Потребление энергии и ее расход изменяется
в зависимости от природной зоны. На ежегодную продукцию растительной массы
затраты энергии колеблются от 2,5 кал/см
2
в год в тундре до 2000 кал/см
2
в год во
влажнотропических лесах (для лесов наших умеренных широт 100-400 кал/см
2
в
год). На разрушение минералов и освобождение элементов (минеральное преоб-
разование) затрачивается 0,2-0,5 кал/см
2
в год в тундре и пустыне и 10-15 кал/см
2
в год во влажных тропиках.
Скорость геохимических процессов определяется динамикой температуры. В
теплый сезон контрасты температур колеблются от 5-6
о
С до 40-50
о
С. Повышение
температуры активизирует процессы и миграцию. В тундре из-за низких темпера-
тур геохимические процессы и миграция замедлены, во влажных тропических ле-
сах высокая температура и влажность повышают скорость процессов и миграцию
в 9,5 раз. Использование энергии на процессы во влажных тропических лесах в
30-35 раз выше по сравнению с тундрой.
Давление как фактор миграции элементов в зоне гипергенеза имеет меньшее
значение, чем температура. В пределах вертикального профиля атмосферное дав-
ление составляет 1 атм и изменяется не более чем ±3%. Такое колебание давления
активизирует лишь растворение газов в воде и косвенно влияет на гидролиз мине-
ралов.
Различное соотношение температур и увлажнения приводит к формирова-
нию различных типов климата. Среди них наиболее контрастные аридный и гу-
мидный тип. В аридном климате при выпотном водном режиме создаются усло-
вия для активизации галогенеза, повышенной концентрации растворов прежде
Формат:
Список
Формат:
Список
47
всего галогенов, щелочных и щелочноземельных металлов (
Na, K, Rb, Cs, Ca, Mg,
Ba, Cl, Br, I
и др.). Гумидный климат создает промывной тип водного режима, ко-
торый способствует выносу всех легкорастворимых и концентрации труднорас-
творимых соединений
Fe, Al, Ti, Zr
и др. Концентрация растворов минимальная.
Моря и океаны отличаются повышенной концентрацией растворов, из которых
осаждаются тяжелые элементы.
Гипогенная зона
характеризуется высокими и сверхвысокими температура-
ми, давлением и концентрацией химических элементов, что приводит к метамор-
физации и магматизации пород, насыщению водных гидротермальных растворов.
Во внутренних сферах Земли миграция элементов ограничена. В магме они рас-
пределяются более или менее равномерно и дифференцируются под действием
гравитации: более легкие оказываются в верхней, а тяжелые – в нижней зоне.
Снижение ведущих параметров гипогенной зоны приводит к трансформации фазы
в ходе кристаллизации и последовательности образования минеральных видов с
включением изоморфных форм более редких элементов. В ходе кристаллизации и
других гипогенных процессов вблизи поверхности Земли, при излиянии магмы
или извержении вулканов происходит равномерное или концентрированное рас-
пределение элементов на разных глубинах в виде месторождений.
Большинство освоенных месторождений железных руд по генезису обязано
формированию под влиянием гипергенных процессов настоящего или геологиче-
ского времени.
6.2.
Термодинамика физико-химической миграции
По конечным результатам рудообразующих процессов, наблюдаемых в
настоящее время, геолог может судить о природных процессах, которые протека-
ли в далеком прошлом и привели к формированию месторождений полезных ис-
копаемых. Восстанавливая развитие природного процесса по его конечным ре-
зультатам, мы расшифровываем его генезис и на этой основе научно и обоснован-
но прогнозируется открытие месторождения, целенаправленно осуществляются
его поиски. Сложность разрешения генезиса месторождения иногда приводит к
возникновению противоположных теорий и гипотез. Например, формирование
гидротермальных рудных месторождений рассматривалось по аналогии с кри-
сталлизацией вещества из нагретого раствора при его охлаждении.
Созданы теории различных физических и химических процессов (диффузии,
фильтрации, кристаллизации и др.). Построена теория метасоматических процес-
сов на термодинамической основе и зональности горных пород, основанная на
концепциях «мозаичного» равновесия и «фильтрационного эффекта» Д.С. Кор-
жинского (1952) и его школой (В.А. Жариков, Л.Л.Перчук). Позже В.С. Голубе-
вым (1981) разработана теория динамики метасоматоза и математические модели
геохимических процессов (теплопроводности, плавления, кристаллизации, рас-
творения). На границе геохимии и физической химии появилась физическая гео-
химия, которая занимается изучением природных фазовых реакций на основе
равновесного термодинамического метода.
Формат:
Список
48
Термодинамика изучает химические реакции, фазовые переходы (растворе-
ние, испарение и кристаллизация веществ, растворов и обратные им процессы),
адсорбцию, переход энергии из одной формы в другую и от одной части системы
к другой в различных геохимических процессах.
Она дает геохимии хорошо отра-
ботанный аппарат, который позволяет проверить количественное изучение любых
химических превращений, сделать оценку условий протекания того или иного
процесса. Например, требуется определить устойчивые твердые фазы в системе
Al
2
O
3
–H
2
O
при температуре 25
о
С и атмосферном давлении. Известно, что древние
осадки содержат диаспор
AlO(OH
), а молодые – гиббсит
Al(OH)
3
. Существовала
гипотеза, что диаспор образуется в результате дегидратации гиббсита при нагре-
вании и это подтверждается экспериментом. Однако, термодинамический расчет
показывает, что при температуре 25
о
С реакция
Al(OH)
3
→AlO(OH) + H
2
O
идет в
сторону образования диаспора, т.е. данная реакция должна протекать самопроиз-
вольно. Скорость реакции мала, поэтому диаспор в осадочных породах встречает-
ся только в древних осадках.
Термодинамика может определить количественно равновесный состав и
анализировать любую по сложности природную систему, количественно учесть
многие факторы, влияющие на образование минералов, оценить их роль, выявить
основные причины, приводящие к образованию месторождений полезных ископа-
емых. Реализуется на базе ЭВМ с использованием методов математического мо-
делирования. Например, И.Л. Ходаковский и др. (1978) выполнил прогноз состава
пород поверхности Венеры до посадок автоматических станций «Венера» по со-
ставу атмосферы, температуры, давления и вероятного среднего состава преобла-
дающих пород. На ЭВМ рассчитан минеральный состав грунта, из которого сле-
дует, что породы Венеры содержат больше
Fe
2
O
3
, чем на Земле, поэтому возникла
гипотеза об израсходовании воды Венеры на окисление железа:
2FeO+H
2
O=Fe
2
O
3
+H
2
Термодинамика позволяет исследовать устойчивость и стабильность мине-
ральных ассоциаций при условиях, которые трудно воспроизвести эксперимен-
тально; по простым математическим соотношениям провести согласование тер-
модинамических данных для всех изученных веществ; выполнить интерполяцию
результатов для получения промежуточных значений, а также экстраполяцию
данных в область, неохваченную экспериментом. Многие величины констант
равновесия, предсказанные на основе теоретических обобщений, оказались доста-
точно надежными.
Ограничения использования термодинамики, по М.В. Борисову и Ю.В. Шва-
рову (1992) следующие:
1. Термодинамика равновесных процессов рассматривает только начальные
и конечные состояния системы.
2. Промежуточные факторы, механизм реакций, время течения процессов –
область химической кинетики.
3. Роль кинетического фактора важна в гипергенных условиях.
4. Невозможно получить в обозримом будущем всю информацию по термо-
динамическим свойствам минералов, частицам водных и газовых растворов.
Термодинамический анализ начинается с выделения рассматриваемой сово-
купности веществ, называемых
системой
. Границы системы определяются зада-
49
чами исследования. Законы термодинамики справедливы только для макросистем
(минералы, породы). Следует определить характер системы по взаимодействию ее
с внешней средой:
изолированная
– без обмена теплом и веществом с внешним
миром;
закрытая
– без обмена веществом;
открытая
– возможен обмен веще-
ством и энергией с внешним миром. Все природные системы открытые. Они мо-
гут быть
гетерогенными
и
гомогенными
. Части гомогенной системы, отделенные
друг от друга физической поверхностью раздела называются
фазами
(минерал,
газ, жидкий раствор). Для описания всех фаз системы используются
компоненты
системы
– индивидуальные вещества, взятые в наименьшем количестве. Для опи-
сания состояния систем используются
параметры.
Термодинамическим парамет-
ром может быть такое свойство системы, которое определяет ее состояние. Свой-
ства системы бывают
экстенсивные
и
интенсивные
. Первые зависят от массы или
числа частиц системы, т.е. обладают свойством аддитивности: объем (
V
), энтро-
пия (
S
), энтальпия (
Н
), внутренняя энергия (
U
), масса (
М
) и др. Вторые не зависят
от массы или числа частиц: температура (
Т
), давление (
Р
), концентрация (
С
),
плотность (
D
). Основные параметры состояния системы:
T, P, C, D,V
. Как функ-
ция основных рассматривается<
S, H, U
и др.
Если скорость изменения внешних условий (
Т, Р, С)
больше, чем скорость
изменения самой системы, то не будет соблюдаться независимость изменения
свойств самой системы на пути перехода. Например, в случае быстрого охлажде-
ния получаем стекло, при медленном – кристаллы.
Термодинамический процесс
–
всякое изменение системы, связанное с изме-
нением хотя бы одного параметра.
Равновесное состояние системы в ходе про-
цесса достигается в случае, если в ней протекали все макропроцессы и установи-
лось равенство всех интенсивных параметров.
Выход каждой природной системы из состояния относительного равновесия
диктуется законами термодинамики.
Первый закон термодинамики является частным случаем общего закона со-
хранения энергии (
Q
) в данной системе:
Q=ΔU + A
(работа).
Второй закон термодинамики, имеющий значение для понимания химиче-
ских процессов в земной коре, гласит: коэффициент полезного действия тепловой
системы (при переходе от более теплой части к более холодной) всегда бывает
меньше единицы и выражается формулой:
,
1
2
1
1
2
1
T
T
T
Q
Q
Q
K
где
Q
1
– теплота теплоотдачи,
Q
2
– теплота теплоприемника,
Т
1
– Т
2
– раз-
ность их температур.
Величина, полученная из отношения потока теплоты к совершаемой работе
и названная в 1854 г. Клаузисом
энтропией
, оказалась необходимой для опреде-
ления направления природных процессов. В системе ей характерно экстенсивное
свойство, изменение которого связано с поглощаемой теплотой и температурой
системы. Поэтому второй закон термодинамики может быть сформулирован так:
в изолированных системах могут совершаться только такие процессы, при кото-
рых энтропия системы возрастает, и процесс самопроизвольно может идти только
до такого состояния, при котором энтропия обладает максимальным для данных
50
условий значением. Стремление к равновесию в данной системе выражается тер-
модинамическим изобарно-изотермическим потенциалом (
Z
):
Z=U – TS – PV
В обратимых изотермических процессах изменение энтропии (
ΔS
) равно
тепловому эффекту процесса (
Q
), деленного на абсолютную температуру:
– в самопроизвольном процессе
ΔS > Q/T
– в равновесном процессе
ΔS =Q/T
– в несамопроизвольном процессе
ΔS < δQ/T
Энтропия вычисляется из теплоемкости и измеряется в Дж/град·моль.
Третий закон термодинамики (постулат Планка) гласит: энтропия правильно
сформированного кристалла чистого вещества при абсолютном нуле (-273,15
о
С)
равна нулю:
lim S/T→0
Изменение внешних факторов (
Р, Т, С
) нарушает равновесие и приводит к
новым превращениям в системе. Эти превращения совершаются согласно закону
Ле-Шателье:
если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказывать
какое-либо воздействие, то оно вызовет процесс, который будет стремиться
ослабить это воздействие
.
Частное приложение этого закона можно показать на следующих примерах.
При остывании магмы кристаллизуются минералы, образование которых со-
провождается выделением тепла, противостоящее понижению температуры.
В водах соленого озера осенью при понижении температуры тепло выделя-
ется и соли выпадают в осадок. Весной при повышении температуры осадок рас-
творяется, происходит поглощение тепла. Значит, принцип Ле-Шателье позволяет
определить направление процесса при изменении Т, Р, С и может быть применен
только для равновесных систем, но не действует при процессах выветривания.
Возрастание температуры приводит к снижению теплового эффекта экзо-
термических реакций. Согласно формулировке Вант-Гоффа, при повышении тем-
пературы равновесие смещается в сторону процесса, идущего с поглощением, а
при понижении – с выделением тепла. В условиях земной поверхности окисление
железа сопровождается выделением тепла, но при высоких температурах в недрах
эта реакция идет с поглощением тепла и процесс направлен в стону восстановле-
ния железа:
Fe
2
O
3
↔FeO
С повышением температуры возрастает растворимость солей, которая со-
провождается поглощением тепла.
Возрастание давления вызывает реакции, приводящие к образованию ве-
ществ с уменьшенными объемами и повышенной плотностью. Например, при
увеличении давления оливин и анортит превращаются в гранат:
Mg
2
SiO
4
+CaAl
2
Si
2
O
3
→Mg
2
CaAl
2
Si
3
O
12
3,12-3,33 2,75
4,3 (плотность)
При повышении концентрации в реакции какого-либо из компонентов про-
исходит переход вещества в другую фазу. Химические реакции протекают в
направлении понижения содержания избыточного компонента. Например, в кис-
лых магмах выделяются минералы, богатые кварцем, в основных, обогащенных
Mg,
в первую очередь
Mg
2
SiO
4
, в щелочных – минералы, богатые щелочами.