ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.09.2020
Просмотров: 4248
Скачиваний: 7
56
Таблица 8
Основные классы водной миграции химических элементов
(А.И.Перельман, 1989)
Щелочно-
кислотные
условия
Геохимическая обстановка
окислительная
восстановительно-
глеевая
восстановительно-
глеевая сероводо-
родная
Сильнокислые:
рН<4
Сернокислый
(
Н
+
, SO
4
2
–
)
Сернокислый гле-
евый
(
Н
+
, SO
4
2–
, Fe
2
+
)
Сернокислый
сульфидный
(
Н
+
, SO
4
2
, H
2
S
)
Солянокислый
(
Н
+
, Cl
–
)
Кислые:
рН 4–5;
Кислый (
Н
+
)
Кислый глеевый
(
Н
+
, Fe
2
+
)
Кислый сульфид-
ный (
Н
+
, H
2
S
)
Слабокислые:
рН 5,1–6,5
Кислый кальцие-
вый (
Н
+
, Cа
2
+
)
(
Н
+
, Cа
2+
,Fe
2
+
)
–
Нейтральные:
рН 6,6–7,4
Кальциевый (
Са
2
+
)
Карбонатный гле-
евый
(
Са
2+
, Fe
2
+
)
Карбонатный
сульфидный
(
Са
2+
, H
2
S
)
Слабощелоч-
ные, щелочные:
рН 7,5–9
Кальциево-
натриевый
(
Са
2+
, Na
+
)
–
–
Гипсовый
(
Са
2+
, SO
4
2
–
)
Гипсовый
глеевый
(
Са
2+
, SO
4
2–
, Fe
2+
)
–
Соленосный
(
Na
+
, Cl
–
, SO
4
2
–
)
Соленосный глее-
вый (
Na
+
, Cl
–
,
SO
4
2–
, Fe
2+
)
Соленосный суль-
фидный (Na
+
, Cl
–
,
SO
4
2–
, H
2
S)
Сильнощелоч-
ные:
рН 9–11
Содовый
(
Na
+
, OH
–
)
Содовый глеевый
(
Na
+
, OH
–
, Fe
2
+
)
Содовый серово-
дородный
(
Na
+
, OH
–
, H
2
S
)
Сернокислый
класс водной миграции (
Н
+
, SO
4
2
–
–класс) формируется при
сильнокислой реакции среды и окислительной геохимической обстановке
(Eh>0,2В). Встречается среди участков с сульфидными породами, которые посте-
пенно окисляются с образованием серной кислоты. Некоторые вулканические из-
вержения богаты
Н
+
, Cl
–
,
поэтому выделяется
солянокислый
класс
. С уменьшени-
ем кислотности до рН 4–5, типоморфным элементом является ион водорода и
господствует
кислый
(Н
+
), при слабокислой реакции –
кислый кальциевый
(
Н
+
,
Cа
2+
)
класс
. В условиях нейтральной реакции среды (рН = 7) и окислительной об-
становки (Eh более 0,2В) выделяют
кальциевый
(
Са
2+
)
класс
. Слабощелочные и
щелочные условия и окислительная обстановка в зависимости от наличия соеди-
нений типоморфных ионов могут формировать
кальциево-натриевый
(
Са
2+
, Na
+
),
гипсовый
(
Са
2+
, SO
4
2–
)
или
соленосный
(
Na
+
, Cl
–
, SO
4
2
–
)
класс
. Редко встречается
содовый
(
Na
+
, OH
–
)
класс
при сильнощелочной реакции с окислительной обста-
новкой.
57
В восстановительно-глеевой обстановке (Eh 0–0,2В) при смене щелочно-
кислотных условий выделяются те же классы, что и в окислительной, но с добав-
лением типоморфного элемента Fe
2+
– индикатора глеевой обстановки. В назва-
ние классов включается термин «
глеевый»
. Напри
мер, кислый глеевый
(
Н
+
, Fe
2
+
)
или
гипсово-глеевый
(
Са
2+
, SO
4
2–
, Fe
2
+
) класс.
Восстановительно-глеевая сероводородная обстановка (Eh менее 0) форми-
рует те же классы, что и окислительная, но с добавлением
H
2
S
, как типоморфного
соединения. Например,
сернокислый сульфидный
(
Н
+
, SO
4
2
, H
2
S
)
класс
или
карбо-
натный сульфидный
(
Са
2+
, H
2
S
)
класс
.
По классу водной миграции можно устанавливать миграцию, концентрацию
или рассеяние других элементов в зависимости от их внутренних свойств и дей-
ствующих внешних факторов в различных геосферах и природных зонах.
Щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия примеча-
тельны в геохимии и геологии тем, что их сочетания устанавливают
поля устой-
чивости минералов
, т.е. влияют на образование тех или иных минералов.
Р.М. Гаррелс и Ч.Л. Крайст (1968) для заданной температуры, концентрации
раствора и давления составили Eh-рН-диаграммы полей устойчивости минералов
для ряда элементов. Из диаграммы, составленной для соединений железа (рис. 8),
можно заключить, что в зависимости от сочетания геохимических параметров Eh
и рН в морской воде при температуре 25
о
С и достаточной концентрации железа
происходит образование
различных устойчивых минералов
: гематита (
Fe
2
O
3
), си-
дерита (
FeCO
3
) или пирита (
FeS
2
).
Рис. 8. Поля устойчивости минералов железа: 1 – гематит, 2 – сидерит, 3 – пирит
Eh-рН-диаграммы могут служить (с использованием поправочных коэффи-
циентов) информационным материалом для прогнозирования минералообразова-
ния, а также реконструкции палеогеохимической обстановки по зафиксирован-
ным минералам. Например, пирит устойчив при Еh более 0,15В и рН 6–8 и не-
устойчив при Eh -0,12В и рН 6–7, так как происходит его окисление и переход в
растворимый сульфат
Fe
2
SO
4
. В тундре и северной тайге устойчивость пирита
определяет низкая температура.
6.3.2.
Роль геохимических процессов в концентрировании химических
элементов
В научной литературе установлено существование процессов в определен-
ных средах, зонах и сферах, которые различаются
по направлению физико-
Формат:
Список
58
химических реакций и по месту воздействия
. Одни процессы характерны для ги-
погенных условий (магматические, метаморфические, гидротермальные), другие
– для зоны гипергенеза (химическая денудация, сорбция, фотосинтез, биохимиче-
ские, фотолиз и т.д.), третьи протекают во всех геосферах (изоморфизм, метасо-
матоз, диффузия, гидролиз, радиолиз и др.) Некоторые процессы направлены на
концентрирование ряда химических элементов (сорбция, фотосинтез, кристалли-
зация, метасоматоз) или на их рассеивание (гидролиз, химическая денудация,
изоморфизм, диффузия). Рассмотрим наиболее часто используемые процессы.
Зону поверхностных изменений в земной коре – биосферу – А.Е. Ферсман
(1922) назвал зоной гипергенеза. По условиям, месту образования и движущим
силам в зоне гипергенеза деятельность геохимических процессов сводится к сле-
дующему.
Собственно гипергенез
– изменение первичной горной породы путем ее
выветривания при выходе на поверхность. Происходит физическое и химическое
изменение, перераспределение под влиянием силы тяжести или водных потоков и
формирование осадочных пород с частичным концентрированием элементов (
Si,
Al, Fe, Сa, Mg и др.)
Сингенез
– накопление осадков на дне водоема. Здесь встречаются редкие
элементы и концентрированные типа
Fe, Mn
в виде железо-марганцевых конкре-
ций, отложения карбонатов, фосфоритов, накапливаются илы.
Диагенез
– начальная стадия изменения рыхлых осадков и переход в осадоч-
ные горные породы. На этой стадии процесса происходит уплотнение породы,
выщелачивание легкомигрирующих солей, обезвоживание, частичная перекри-
сталлизация и цементация осадков.
Катагенез
– химическое, минералогическое преобразование пород под вли-
янием взаимодействия петрографически и геохимически разных свит осадочных
пород вне зоны диагенеза и метаморфизма.
Эпигенез
– совокупность вторичных процессов изменений происходящих в
сложившихся осадочных породах. Возможно концентрирование отдельных эле-
ментов в результате происходящих изменений.
Галогенез
– осаждение солей из природных водоемов. Протекает в зоне
аридного климата (оз. Эльтон, Баскунчак). Концентрируются хлориды, сульфаты,
карбонаты
Na, K, Ca, Mg
.
Гидрогенез
– процесс, ведущий к прникновению воды в литосферу и изме-
нению горных пород. Приводит к рассеиванию химических элементов, а также
образует в карбонатах карстовые пустоты, суффозионные западины, нивелирова-
ние рельефа. и т.д.
Механогенез
– отложения породы в результате механического ее перемеще-
ния под влиянием центробежных сил и существенных углов уклона в рельефе.
Откладываются относительно дифференцированные по размерам частицы делю-
вия и пролювия, в которых возможно концентрирование отдельных элементов.
Педогенез
– формирование почв и почвенных горизонтов с участием физико-
химических и биохимических процессов. Происходит концентрирование в гуму-
совом горизонте почв
C, N, H, O, Mn, Fe
, а также редких и рассеянных элементов.
Органическое вещество может быть источником образования метана, сероводо-
рода в анаэробных условиях.
59
Биогенез
– образование живого вещества, концентрирование в нем большин-
ства химических элементов. При отмирании в зависимости от условий образуется
гумус, торф, сапропель, каустобиолиты, фитолитарии и т.д.
Магматический процесс
– формирование и дифференциация расплава при
температуре 500–1500
о
С и давлении 10
5
–10
9
Па с участием основных типов массо-
переноса – диффузии, конвекции, флюидов. Это приводит к перемещению и пе-
ремешиванию геохимически различающихся магм, которая является основой
формирования изверженных кислых, основных и ультраосновных пород – источ-
ников добычи разнообразных полезных ископаемых.
Метаморфический процесс –
частичная или полная перекристаллизация по-
роды с образованием новых структурных пород и минералов в результате резких
изменений температуры, давления и химических условий. Например, карбонаты
превращаются в мрамор, глины в сланцы и т.д. Некоторые метаморфические по-
роды могут обогащаться химическими элементами при циркуляции воды по со-
хранившимся порам.
Гидротермальный процесс
– формирование термальных вод, насыщенных
ионами и газами, их участие в замещении химических элементов в породах в ходе
циркуляции растворов. Образуются гидротермальные системы – гидротермы,
гидротемалиты, гидротермально измененные породы. Они являются основным
источником цветных, редких и благородных металлов, а также нерудного сырья.
Гидротермы концентрируют газообразные соединения, галогены и другие эле-
менты.
В геосферах Земли присутствуют твердая, жидкая, газообразная фаза веще-
ства. Физико-химические реакции могут протекать внутри фазы и между фазами.
По специфике реакций на уровне фаз выделены следующие геохимические про-
цессы.
Гидролиз
тесно связан с геохимической деятельностью вод, что приводит к
траснформации первичных и вторичных (глинистых) минералов. В ходе процесса
протекает обменная реакция между водой и минеральным видом в присутствии
катализатора
СО
2
. С гидролизом связан распад минералов, органических соеди-
нений до конечного устойчивого продукта в гипергенных условиях – оксидов и
гидроксидов. При гидролизе ион водорода вытесняет из первичных минералов
(полевых шпатов, слюд и др.) катионы (
K
+
, Na
+
, Ca
2+
и др.), которые мигрируют в
океан или более глубокие зоны литосферы. Пример гидролиза полевых шпатов с
образованием каолинита:
2KAlSi
3
O
8
+ 3H
2
O
2
CO
2KOH + H
2
Al
2
Si
2
O
8
·H
2
O + 4SiO
2
На месте действия процесса остается слабая алюмокремниевая кислота (гли-
нистый минерал) при определенных значениях рН. Например, каолинит устойчив
в сильнокислой и кислой среде, монтмориллонит – в нейтральной и щелочной,
гидрослюды – в слабокислой среде в умеренном климате. При нарушении усло-
вий глины распадаются на простые и устойчивые оксиды и гидроксиды. На гид-
ролиз 1 т минералов расходуется 200-400 кг воды при ее интенсивной циркуля-
ции. Наиболее типичны эти реакции для силикатных минералов.
Органические соединения гидролизуются с участием ферментов гидролаз,
которые выделяют микроорганизмы. Они катализируют не только гидролитиче-
ский распад белков, углеводов и жиров, но и синтезируют их в определенных
60
условиях. В ходе гидролиза образуются органические кислоты,
СО
2
, NH
3
, Н
2
и
другие простейшие продукты распада:
(C
6
H
10
O
5
)
n
+ nH
2
O → CH
3
CH
2
CH
2
COOH + CH
3
COOH +CO
2
+H
2
+
Q;
клетчатка
масляная кислота уксусная кислота
RCONH
2
+ H
2
O → RCOOH + NH
3
.
амиды
органическая кислота
Амидогруппа аспарагина гидролизуется с образованием аспарагиновой кис-
лоты, из глютамина – глютаминовая кислота и т.д.
Гидратация
– процесс присоединения молекул воды к молекулам, ионам
или коллоидным частицам:
SO
3
+ H
2
O → H
2
SO
4
; Na
2
O + H
2
O → 2NaOH (1);
Na
2
SO
4
+ 10H
2
O → Na
2
SO
4
·10H
2
O (2
).
Прочность связи воды с веществом в обоих случаях неодинакова. Вода мо-
жет входить в состав вещества в конституционной форме, образуя новое соедине-
ние с новыми свойствами. Такая гидратация приводит к образованию щелочей и
кислот (1). Многие неорганические и органические соединения образуют с водой
кристаллогидраты, которые представляют собой индивидуальные химические со-
единения (2). Иногда гидратация приводит к изменению окраски минералов.
Например, в зависимости от степени гидратации оксидов железа окраска соеди-
нений приобретает различные оттенки красного цвета – от светлых до темных то-
нов. Ионы с большим радиусом присоединяют меньшее количество молекул воды
при условии одинаковой валентности: ион лития меньше иона калия, но в воде
движется медленнее, так как гидратирован сильнее. С повышением температуры
гидратация ионов уменьшается, а скорость их движения увеличивается. Многоза-
рядные ионы перемещаются медленнее в связи с активной гидратацией. Гидрата-
ция часто сопровождает гидролиз, окисление, карбонатизацию.
Гидратация некоторых соединений может происходить с участием бактерий:
4FeCO
3
+ 6H
2
O + O
2
→ 4Fe(OH)
3
+ 4CO
2
Она сопровождается увеличением объема минерала. При образовании гипса
из ангидрита происходит увеличение объема на 30%. Сильно увеличивает объем
монтмориллонит и вермикулит при поглощении воды. Действие воды на некото-
рые силикаты приводит к возникновению цеолитов – обводненных силикатов
Na
и
Са,
возникающих преимущественно за счет фельдшпатов. Однако в большин-
стве случаев цеолиты возникают в вулканических районах за счет действия пост-
вулканических термальных растворов на первичные силикаты.
Полное обезвоживание соединений, или
дегидратация
, происходит при по-
вышении температуры до 200
о
С и давления. Обезвоживание возможно в живых
организмах при низких температурах под влиянием катализаторов. Дегидратация
коллоидных частиц торфа приводит к необратимым изменениям их водных
свойств. Торф распыляется и теряет смачиваемость, поэтому не может быть ис-
точником элементов питания для растений.
Сорбция
(поглощение) – процесс присоединения иона или комплексного со-
единения коллоидной частицей с использованием энергии поверхностного натя-
жения или химической реакции. Она характерна для глинистых минералов, илов,
сапропелей, торфа. Происходит на границе двух фаз: твердая-жидкая, жидкая-
газы. Сорбция лежит в основе питания организмов, обоняния животных и челове-