ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 28.09.2020

Просмотров: 4380

Скачиваний: 7

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

 

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 

+

),  при  слабокислой  реакции  – 

кислый  кальциевый 

(

Н

+

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. 


background image

 

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


background image

 

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. 


background image

 

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



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 


background image

 

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-