ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 28.09.2020

Просмотров: 4381

Скачиваний: 7

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

 

61 

ка, воздействия химических веществ на микробы. Она подразделяется на 

физиче-

скую (адсорбция, абсорбция) 

и 

химическую (хемосорбция)

Адсорбция

 – обменное 

присоединение иона или вещества поверхностью коллоидной частицы. 

Абсорбция

 

–  процесс,  при  котором  ионы  поглощаются  всей  массой  сорбента,  входя  внутрь 
коллоидной частицы, и находятся частично в необменном состоянии. Если в ходе 
сорбции происходит образование нового минерала, такой процесс называется 

хе-

мосорбцией

СО

2

 + СаО = СаСО

3

. Она сопровождается выделением тепла. Грани-

цу между физической и химической сорбцией провести трудно. Ионы, способные 
к обмену, удерживаются слабо в кристаллической структуре минерала. 

Процесс, противоположный сорбции,  – 

десорбция

  –  выведение  сорбирован-

нного  иона  с  поверхности  коллоидной  частицы.  Десорбированные  ионы  мигри-
руют с водой или потребляются корневой системой растений. При формировании 
месторождений сорбированные элементы являются попутными, но их концентра-
ция может достигать величины, когда получение их технологическим путем ока-
зывается  полезным  и  экономически  выгодным  мероприятием  (получение  рассе-
янных  элементов  из  золы  угля,  торфа,  горючих  сланцев).  Наиболее  энергично 
сорбируются  многовалентные  катионы: 

R

3+

>R

2+

>R

+

.

  Среди  ионов  с  одинаковой 

валентностью энергия поглощения растет с ростом атомной массы и радиуса иона 
(

Li

+

<Na

+

<K

+

<Rb

+

< Cs

+

). Торф сорбирует до 10% U. Обменная сорбция подчиня-

ется  закону  действующих  масс.  Она  тем  интенсивнее,  чем  выше  концентрация 
катионов в водах. В земной коре преобладают отрицательно заряженные коллои-
ды  –  глинистые  минералы,  гумус,  гель  кремнекислоты,  гидроксиды  марганца. 
Менее распространены положительно заряженные коллоиды: гидроксиды 

Fe,  Al, 

Ti, Zr 

и др. Они способны сорбировать 

Cl

, SO

4

2–

, PO

4

3–

, NO

3

, VO

4

3

 и др. Сорбен-

ты выполняют роль сорбционных геохимических барьеров. Для редких элементов 
это важнейший путь перехода в твердую фазу или в живые организмы. 

Карбонатизация  –

  процесс  образования  карбонатных  пород  в  щелочных 

условиях морей или континентов путем хемогенного и механического осаждения, 
метасоматического  замещения  и  биогенной  концентрации.  Основные  минералы 
процесса – кальцит и доломит. Препятствуют осаждению карбонатов повышенное 
в воде содержание углекислого газа при понижении температуры или с повыше-
нием давления  на больших глубинах, а также  приток кислых вод. 

Окисление

 – процесс соединения элементов в минералах и породах с кисло-

родом. Один из атомов минерала отдает электрон кислороду. Реакция окисления 
обычно протекает в водной среде, где растворен кислород. Элементы с перемен-
ной валентностью переходят в состояние более высокой валентности: 

Fe

2+

 → Fe

3+

 + ē 

При окислении железистых силикатов с 

Fe

2+

  возникают продукты разложе-

ния с 

Fe

3+

. В результате зеленоватая и черная окраска  первичных силикатов ме-

няется на красную и бурую: 

4FeSiO

3

 + O

2

 → 2Fe

2

O

3

 + 4SiO

2

 – 2144 кДж 

Энергия  окисления  железа  велика  и  структура  силикатов  распадается  в  из-

верженных породах одной из первых. Легко окисляются сульфиды, превращаясь в 
сульфаты. В реальной обстановке окисление представляет собой сложный много-
стадийный процесс: 

FeS

2

 + 3O

2

 → FeSO

4

 + SO

2

 



2

O

 Fe

2

(SO

4

)

3

 



2

O

 Fe

2

O

3

·nH

2

O

 

 


background image

 

62 

Лимонит выступает в качестве конечного продукта реакции и в зоне окисле-

ния сульфидных руд образует иногда скопления в виде «железной шляпы». Желе-
зосодержащие силикаты и карбонаты также образуют конечный продукт лимонит. 

Восстановление

 – процесс противоположный окислению, протекает в зонах, 

где отсутствует свободный кислород; атомы или ионы присоединяют электроны, 
происходит  понижение  валентности.  Восстанавливаются  минеральные  и  органи-
ческие соединения. 

Органическое вещество при разложении соединяется с О

2

, включая химиче-

ски связанный. Некоторые бактерии также усваивают кислород для своей жизне-
деятельности  из  природных  соединений  различного  генезиса.  Наиболее  распро-
странено  в  природе  восстановление  железа,  что  приводит  к  изменению  окраски 
пород на зеленовато-голубоватую:  

2Fe

2

O

3

·3H

2

O + C → 4FeO + CO

2

 + 3H

2

O; 

FeO + CО

2

 → FeCO

3

Если же в восстановлении участвуют бактерии, тогда углерод соединяется с 

кислородом в ходе биохимических процессов: 

СaSO

4

 + 2C → CaS + 2CO

2

2СaS + 2H

2

O → Ca(OH)

2

 + Ca(SH)

2

Ca(OH)

2

 + Ca(SH)

2

 + 2CO

2

 → 2CaCO

3

 + 2H

2

S; 

2H

2

S + O

2

 →2H

2

O + 2S. 

Сульфиды железа в угольных пластах и битуминозных сланцах также явля-

ются продуктом восстановления сульфатных растворов углистым веществом: 

FeSO

4

 + 2C → FeS + 2CO

2

  

Моносульфид железа (

FeS

) через некоторое время превращается в 

FeS

2

.

 Этот 

процесс происходит также в морских илах с образованием пирита. Другие метал-
лы в процессе восстановления, как и железо, переходят в более низкое валентное 
состояние, которое характерно для гипогенных условий.  

Изоморфизм

 – это взаимное замещение химических элеентов в кристалличе-

ских структурах с образованием смешанных кристаллов при близости объемных 
размеров структурных единиц и их химической природы.. Термин введен Э. Мит-
черлихом  в  1819  г.  и  означал  равенство  кристаллографических  форм  химически 
сходных веществ.  

Иногда трудно установить изоморфный характер примесей. Только правиль-

ный расчет кристаллохимической формулы минерала позволяет установить явле-
ние  изоморфизма.  Переход  от  механических  включений  к  изоморфным  может 
осуществляться  без  какой-либо  резкой  границы.  На  основании  изоморфизма  по-
явилась  возможность  предсказывать  ассоциации  элементов  в  земной  коре, 
направлять поиски, совершенствовать химическую технологию. 

Различают  изоморфизм 

замещения

  (

изовалентный 

и 

гетеровалентный

)  и 

внедрения

. Изовалентный изоморфизм замещения – это замена одних химических 

элементов другими с такой же валентностью, например 

Mg(II) ↔ Fe(II

) (протекает 

в  оливинах,  пироксенах,  амфиболах  и  др.).  При  гетеровалентном  изоморфизме 
заменяются химические элементы с разной валентностью, но сумма валентностей 
взаимозаменяющихся элементов одинакова: 

Ca(II) + Al(III) → Na(I) + Si(IV

) (в плагиоклазах); 

Si(IV) → Al(III) + Na(I)

 (в роговой обманке). 


background image

 

63 

Если в решетке кристалла имеются свободные места, выравнивание зарядов 

при  гетеровалентном  изоморфизме  идет  за  счет  присоединения  дополнительных 
ионов. По В.М. Гольдшмидту, изоморфные замещения возможны, когда радиусы 
ионов и атомов различаются не более чем на 15% от размера меньшего радиуса. 
При  температурах  близких  к  точке плавления  минералов в  мантии эта  величина 
достигает  30%,  т.е.  изоморфная  смесимость  возрастает.  Новейшие  исследования 
указывают на изоморфную смесимость при различии в величине ионных радиусов 
40%  и  даже  60%.  Например,  изоморфизм 

Si

4+

  (0,039  нм)  и 

Al

3

+

  (0,057  нм)  в 

алюмосиликатах протекает при ΔR = 46% или 

Si

4+

 и 

Ti

4+

 (0,064 нм) при ΔR = 64%. 

Химически индифферентные элементы, по Е.С. Макарову, которые не обра-

зуют  между  собой  химические  соединения в минералах  изоморфны: 

Zr

4

+

  и 

Hf

4+

Mg

2+

 и Fe

2+

, Si

4+

 и Al

3+

, Na

+

 и Ca

2

+

. Химически не индифферентные 

Au

 и 

Al 

имеют 

почти одинаковые атомные радиусы (0,144 и 0,143 нм) и изоструктурность (куби-
ческая  гранецентрическая  структура  типа  меди)  образуют 

AuAl

2

  и  другие  соеди-

нения. Не изоморфны в ионных кристаллах 

Ga

3+

 и 

As

3

+

, хотя имеют близкие ион-

ные радиусы (0,062 и 0,058 нм), так как образуют ионногомеополярные соедине-
ния типа 

GaAs

Изоморфизм  протекает  при  условии  сходной  природы  межатомной  связи 

(тип химической связи). Одинаковы структура и тип химической связи у карбона-
тов (

CaCO

3

, MgCO

3

, FeCO

3

, MnCO

3

, CoCO

3

, ZnCO

3

), поэтому они изоморфны. От-

сутствует изоморфизм у 

Cu и Na, NaCl и PbS

. У меди и натрия одинаковый ион-

ный радиус 0,098 нм, однако в соединениях меди и свинца связь ковалентная, а у 
натрия  –  ионная.  Имеется  тенденция  изоморфного  замещения  элементов,  распо-
ложенных в Периодической системе по диагонали. Например, в минералах лития 
присутствует изоморфный магний, в минералах кальция – иттрий. 

Ионы меньшего размера легче замещают ион большого размера; ионы с бо-

лее высоким зарядом предпочтительнее замещают ионы с более низким зарядом 
(

Ca

2+

  →  Na

+

).

  Эти явления 

полярного изоморфизма

  Ферсман  объяснил  с  энерге-

тических позиций: вхождение в кристалл иона более высокой валентности и ма-
лого радиуса «энергетически выгодно», так как сопровождается большим выделе-
нием энергии, повышает энергию решетки. 

Важное значение в изоморфизме имеет форма взаимозаменяющихся ионов, 

что позволяет сохранить форму кристалла равновесной. 

Максимальное количество изоморфных примесей в минерале составляет его 

изоморфную  емкость

.  Она  колеблется  значительно  в  зависимости  от  структуры 

минерала, температуры, давления и других внешних условий. С понижением тем-
пературы изоморфная смесимость уменьшается, поэтому 

K

+

 и 

Na

+

 изоморфные в 

магматических минералах не изоморфны в гипергенных. 

В минералах установлено большое число элементов примесей, причем часть 

из  них  входит  в  состав  собственных  минералов  или  газовожидких  включений. 
Например,  в  касситерите  примеси 

Fe,  Mn,  Ti,W,  Ta 

и

  Nb

  в  основном  связаны  с 

ультрамелкими  включениями  минералов,  а 

V,  Cr,  In

  и  другие  элементы  входят 

изоморфно в структуру минерала. Бор и уран в составе минералов и пород нахо-
дятся в свободном пространстве независимо от других атомов. Это явление назы-
вается 

эндокриптией.

 Изоморфизм в зоне гипергенеза играет меньшую роль, чем 

в магматических и гидротермальных процессах. 


background image

 

64 

Сочетания  разных  элементов  в  минерале,  минералов  в  породе,  связанных 

общими  условиями  формирования,  образуют 

парагенетические  ассоциации

  эле-

ментов  и  минералов.  В  парагенезе  один  или  несколько  элементов  являются  ос-
новными.  Причины  парагенезиса:  свойства  атомов,  химическое  сродство,  сорб-
ция,  концентрирование  элементов,  давление,  температура  и  др.  Знание  параген-
ных  ассоциаций  необходимо  для  учета  минерального  сырья,  питательных  ве-
ществ. Примеры парагенных ассоциаций: латериты – 

Fe

, Cr, Ni, Co

; пегматиты – 

K, Rb, Li, Cs, Be, TR, Zr, Nb, Ta, Fe, B

; экзогенные урановые руды – 

Mo, Se, V, Re

Пространственная ассоциация элементов и минералов, не связанных генетически, 
называется 

парастерезисом

.  Ассоциации  невозможные  в  данной  системе  (

Na

  и 

Ba

Cr

 и 

U)

 называют 

отрицательным парагенезисом

.  

Метасоматоз

  –  замещение  одних  компонентов  породы  другими  с  измене-

нием ее химического состава, когда растворение старых минералов и отложение 
новых  происходит  почти  одновременно  без  изменения  объема  породы.  Химиче-
ские компоненты могут перемещаться посредством диффузии или путем инфиль-
трации, либо тем и другим способом. Направление и интенсивность просачивания 
определяется градиентом давления. Это явление было названо «фильтрационным 
эффектом Коржинского», который проявляется в порах и микротрещинах разме-
ром менее n·10

–7

см. Интенсивность метасоматических процессов усиливается при 

увеличении  различия  в  составе  раствора  и  породы.  Реакция  метасоматоза  уста-
новлена растровым электронным микроскопом. Соединения, выпадающие на од-
ной  стороне плоскости  реакционной  щели,  воспроизводят  особенности  строения 
поверхности  замещаемого  минерала,  образующего  противоположную  плоскость 
щели (рис. 9.). 

 

Рис. 9. Гипергенный метасоматоз (В.В. Добровольский, 1977):  

1 – зона миграции и водообмена, 2 – новообразованное, 3 – замещаемое вещество 

 
В  процессе  метасоматоза  происходит  перестройка  кристаллохимической 

структуры  многих  силикатов.  Иногда  один  минерал  проходит  несколько  стадий 
преобразования:  мусковит→гидрослюда→каолинит.  Результатом  метасоматоза 
может быть обмен 

Na↔K

 в силикатных породах. 

По  В.В.  Добровольскому  (1983),  в  гумидных  областях  развит 

гипергенный 

метасоматоз

, в ходе  которого коллоидные гидроксиды 

Fe

  и 

Mn

  замещают  гли-

нистые минералы, обломочные силикаты и алюмосиликаты, а местами и кварц. В 
аридных  районах  метасоматоз  меньше  распространен.  Здесь  кальцит  замещает 
глинистые  минералы,  обломочные  минералы  изменены  слабо.  При  гипергенном 
метасоматозе  часть  замещаемых  веществ  поглощается  коллоидами,  образуя  раз-
личные примеси (

SiO

2

,  Al

2

O

3

  и  др.),  часть  переходит  в  подземные  и  поверхност-

ные воды. 


background image

 

65 

Метасоматоз характерен для гидротермальных систем. Замещение соверша-

ется обычно при участии поровых растворов. Гидротермально измененные поро-
ды  именуются  гидротермалитами.  Например,  при  образовании  турмалиновых 
грейзенов  привносится 

Mg

2+

,  B

3+

,  Fe

3+

,  Al

3+

,  O

2–

,  OH

,  F

,  Cl

,  выносятся  – 

Na

+

K

+

, Si

4+

, H

2

O. 

Различают 

инфильтрационный

 и 

диффузионный

 

метасоматоз

. Диффузион-

ный метасоматоз обычно распространяется на несколько метров. Часто при мета-
соматозе происходит сочетание инфильтрационных и диффузионных процессов. 

Взаимодействие  термальных  поровых  растворов  с  породой  приводит  к 

ме-

тасоматической  зональности

  –  последовательной  смене  метасоматитов  (гидро-

термалитов) от наиболее измененной внутренней зоны к внешней зоне и неизме-
ненной  породе.  Совокупность  одновременно  образовавшихся  метасоматитов 
(«зональная колонка») называется 

метасоматической фацией

. Совокупность фа-

ций,  возникшая  в  результате  одного  петрогенетического  и  генетически  единого 
геологического  процесса,  В.А.  Жариковым  (1976)  названа 

метасоматической 

формацией

Реакции метасоматоза экзотермичны и сопровождаются связыванием воды в 

силикатах (хлоритизация, серитизация, каолинитизация и др.). По Ф.А. Летнико-
ву, это приводит к росту концентрации рудных элементов в растворах и их оса-
ждению. Направление метасоматоза определяется щелочно-кислотными условия-
ми. С кислотным выщелачиванием связана грейзенизация, березитизация, пропи-
литизация  и  другие  процессы.  Щелочные  растворы  вызывают  альбитизацию, 
нефелинизацию, цеолитизацию, магнезиальный метасоматоз и другие изменения 
пород. 

 Коржинский  важное  значение  придавал 

фильтрационному  эффекту

  –  от-

ставанию  катионов  и  растворителя  от  кислотных  компонентов  при  фильтрации 
растворов через пористые среды. Он подтвержден экспериментально, однако при-
рода его трактуется по разному (сорбцией, ионным обменом и т.д.). 

Оруденение  часто  накладывается  на  метасоматиты  или  развивается  одно-

временно  с  ними  («рудоносные  метасоматиты»).  Состав  метасоматических  фор-
маций определяется поступающими растворами и типом изменяемых пород (сер-
пентинизация, березитизация и др.). Метасоматоз обусловлен небольшим числом 
ведущих элементов с высокими кларками (

Na, K, S, Cl, F

 и др.). Отсюда постоян-

ство типов метасоматоза, их устойчивость в широком интервале рН, Eh, темпера-
туры, давления и других условий. Иные зависимости для оруденения. Число руд-
ных элементов высокое и с низкими кларками. Они приспосабливаются к обста-
новке, которая создается 

Na, S, Cl, С

 и другими ведущими элементами. Поведение 

рудных элементов часто зависит от рН, возможно Eh. Это определяет разнообра-
зие рудообразований в одной и той же метасоматической обстановке. 

Диффузия

  –  физико-химическая  миграция  вещества  для  установления  рав-

новесных концентраций вследствие беспорядочного движения атомов, ионов, мо-
лекул и коллоидных частиц. Она действует под влиянием внешних факторов, со-
здающих  градиенты  концентрации,  температуры,  давления,  электрического  по-
тенциала и выделяются соответственно 

молекулярная диффузия

термо-

баро- 

и 

электродиффузия

.  Протекает  в  гипо-  и  гипергенных  условиях,  однако  ее  роль 

возрастает в земных глубинах с застойным режимом: артезианские бассейны, по-