ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.09.2020
Просмотров: 3942
Скачиваний: 7
66
ровые воды, магматические и гидротермальные системы. Диффузионный процесс
зависит также от тектонического режима. Его роль возрастает в спокойные эпохи
и уменьшается при горообразовании.
Процесс ведет к уменьшению разнообразия, дифференциации, не требует за-
трат извне, энтропия системы увеличивается. Скорость диффузии растет с ростом
температуры. В гипергенных условиях ее влияние на равномерное рассеивание
элементов не имеет большого значения. Диффузионный поток пропорционален
градиенту концентрации и обычно оценивается через коэффициент диффузии, ко-
торый максимален в газах (n·10
–1
см
2
/с), меньше в водных растворах, расплавах
(n·10
–5
– n·10
–6
см
2
/с) и в твердых телах (n·10
–8
– n·10
–50
см
2
/с).
Под влиянием диффузии в осадочной оболочке происходит диффузионно-
молекулярное рассоление поровых вод, формирование высокоминерализованных
подземных вод. Диффузия в гидротермальных системах создает первичные диф-
фузионные ореолы гидротермальных месторождений.
Конвекция
– физико-химическая миграция атомов, ионов, молекул вместе с
растворителем. Конвекция в пористой среде называется
фильтрацией
. Она проте-
кает в верхней мантии и земной коре значительно быстрее диффузии, особенно в
зоне активного водообмена. Фильтрация развивается в земных глубинах и усили-
вается в эпохи тектонической активности, складчатости и горообразования. Грун-
товые воды движутся со скоростью несколько сантиметров в секунду, воды арте-
зианских бассейнов – менее n·10
–2
см/с, застойные воды – менее n·10
–4
см/с.
При фильтрации воды взаимодействуют с вмещающими породами, где раз-
виваются процессы выщелачивания, обменной сорбции и осаждения на геохими-
ческих барьерах с формированием рудных пород.
В природных условиях часто диффузия совмещается с конвекцией, что при-
водит к развитию совместного процесса –
конвективной диффузии
.
Радиолиз
– процесс радиационно-химического разложения воды в результате
воздействия на нее энергии радиоактивного распада атомных ядер. Продуктами
радиолиза являются
Н
2
О
2
, гидроксоний
Н
3
О
+
, гидроксил
ОН
–
. Возникает неравно-
весная обстановка с сильными окислителями и восстановителями. Для образова-
ния заметного количества продуктов радиолиза в природных условиях необходи-
мы сотни тысяч и миллионы лет. С действием атомарного кислорода связывают
гематизацию пород, окисление нефти. Метан под воздействием α-излучения по-
лимеризуется с образованием сложных углеводородов. Под влиянием радиолиза
бензол превращается в фенол, в газовых залежах образуются
СО
2
, СО
, формаль-
дегид и другие соединения.
В минералах радиолиз приводит к образованию
плеохроичных ореолов
– ко-
лец сплошного потемнения. Предполагают, что радиолиз конституционной воды
приводит к окислению
Fe
2
+
. Возможны и другие реакции.
С радиационным воздействием связывают частичную потерю минералами
кристаллической структуры, происходят
метамиктные изменения
. Эти явления
установлены в цирконах, торите, браннерите и других радиоактивных минералах.
При спонтанном делении ядер радиоактивных элементов образующиеся ядра
обладают большой кинетической энергией. Пути их следования в виде тонких ка-
налов –
треков
видны под микроскопом. Метод треков позволяет определить со-
67
держание урана в минералах и его пространственное распределение. Треки обра-
зуются также за счет космических лучей и обнаружены в минералах метеоритов.
Фотолиз
– фотохимическая реакция, которая протекает в тропосфере, когда
космические лучи и солнечная радиация взаимодействуют с молекулами верхней
части атмосферы и образуют продукты внутримолекулярной реакции. Для того,
чтобы произошла фотохимическая реакция, молекула газа должна поглотить
энергию в ультрафиолетовой или видимой части спектра. Поглощенная энергия
возбуждает электрон и он переходит на орбиталь более высокой энергии. Этой
энергии достаточно для разрыва связи в молекуле и ее разрушения. Под влиянием
фотолиза разрушаются также вредные вещества атмосферы. В процессе первона-
чального формирования атмосферы фотолиз выполнял важную функцию по обра-
зованию кислорода атмосферы – окислителя элементов.
В геологической истории кислород как окислитель участвовал в формирова-
нии руд железа и марганца в гипергенных условиях, а также определял миграцию
и концентрирование элементов с переменной валентностью.
Фотосинтез
– процесс синтеза простейших органических соединений под
влиянием хлорофилла растениями и микроорганизмами с использованием энер-
гии солнечного света, воды и углекислого газа атмосферы.
Растения в ходе роста и развития концентрируют химические элементы из
почвы, породы. После отмирания и погружения в воду или заиления подвергают-
ся разложению, на больших глубинах – обугливанию и образованию месторожде-
ний каустобиолитов: газ, нефть, битум, каменный уголь, горючие сланцы. В гео-
логической истории фотосинтез появился при достаточном количестве кислорода
в атмосфере, когда стало возможным развитие зеленых растений. Образование
каустобиолитов – процесс геологически длительный и наиболее качественные и
большие месторождения их связаны, как правило, с палеозоем и мезозоем.
В промышленных масштабах из углей извлекают
Ge, Ga, U
, разработана
технология выделения
Pb, Zn, Mo
, изучается вопрос получения
Au, Ag, Hg
. Из зо-
лы энергетических углей можно получать около половины потребляемых редких
металлов.
Биохимический процесс
представляет собой реакции, связанные с обменом
веществ в живых организмах или трансформацией минералов и отмерших орга-
низмов при участии микроорганизмов. В живых организмах биохимические реак-
ции проходят ряд промежуточных этапов или ступеней. На каждом этапе могут
происходить лишь небольшие изменения внутренних связей атомов в молекуле
или перенос небольших групп атомов от одной молекулы к другой. Биохимиче-
ские реакции протекают с поглощением, переносом и выделением энергии. У ге-
теротрофных организмов источником энергии являются окислительно-
восстановительные процессы. Активация биохимических реакций осуществляется
с помощью
ферментов
, которые помогают возникновению биохимических реак-
ций и увеличивают их скорость, не влияя на их энергетический баланс. Каждый
фермент бесконечно долго образует временные связи с молекулами реагирующих
веществ. Фосфаты участвуют в накоплении и передаче энергии между соединени-
ями.
В клетках бактерий содержится большое количество разнообразных фермен-
тов и ферментных систем, находящихся в тесном взаимодействии друг с другом.
68
Они используются для синтеза и разложения углеводов, белков, жиров, кислот и
других соединений.
Грибы разлагают весьма стойкие органические соединения. В кислородной
среде они полностью окисляют органическое вещество до
СО
2
и
Н
2
О
, в бескисло-
родной – накапливаются не полностью окисленные продукты обмена. Биохими-
ческая активность грибов, как и бактерий, регулируется ферментами, в состав ко-
торых входят микроэлементы.
Одни почвенные водоросли способствуют ускорению выветривания горных
пород, другие своими кислыми выделениями растворяют известняки.
Высшие растения являются основным источником почвенного органическо-
го вещества, которое в процессе разложения оказывает биохимическое воздей-
ствие на минеральную породу. Корневая система растений биохимически активна
корневыми выделениями, способными растворять некоторые минералы.
Почвенная фауна (беспозвоночные, насекомые, нематоды и др.) способ-
ствуют развитию процессов синтеза и разложения органических веществ и повы-
шению ферментативной активности, гумификации растительных остатков.
6.3.3. Геохимические барьеры
Концентрация химических элементов и формирование месторождений по-
лезных ископаемых может происходить на геохимических барьерах. По
А.И.Перельману(1989, с. 67), это «участки земной коры, в которых на коротком
расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических
элементов и, как следствие, их концентрация». В таких зонах одна геохимическая
обстановка сменяется другой. Их формируют параметры рН, Еh, температура,
давление. Понятие о барьерах является одной из методологических основ изуче-
ния геохимических аномалий и важно для разработки методики геохимических
поисков.
В земной коре местами геохимические барьеры сочетаются, поэтому можно
выделять комплексные барьеры. При движении химических элементов к барьеру
с разных сторон выделяются
двусторонние барьеры
. На них осаждаются разно-
родные ассоциации элементов. Различают также
латеральные барьеры
, которые
образуются в субгоризонтальном направлении и
радиальные
(по вертикальному
профилю земной коры) при вертикальной миграции растворов сверху вниз или
снизу вверх. В зависимости от способа массопереноса выделяют
диффузные
и
инфильтрационные барьеры.
В основу классификации геохимических барьеров А.И.Перельманом поло-
жены различия в миграции. Выделено два основных типа барьеров –
природные и
техногенные
. Природные барьеры делятся на три класса:
механический, физико-
химический и биогеохимический.
Аналогичные классы выделяются среди техно-
генных барьеров.
К механическим барьерам приурочены продукты механической дифферен-
циации осадков (делювий, пролювий, аллювий дельт, механическая дифференци-
ация в шельфовой зоне).
Физико-механические барьеры возникают в местах изменения температуры,
давления, окислительно-восстановительных и щелочно-кислотных условий. Они
69
встречаютмся в гипергенных, метаморфических и магматических системах. Био-
геохимические барьеры образуются в зоне гипергенеза. Происходит концентра-
ция отдельных химических элементов или их сочетаний в растениях, которые по-
сле отмирания и захоронения при определенных условиях трансформируются в
каустобиолиты. Например, в некоторых видах каменных углей германия концен-
трируется больше, чем минеральном сырье.
6.3.4. Кинетика и динамика физико-химической миграции
Состав вод, минералов во многих системах определяется не равновесием и
не только им, а главным образом кинетикой процессов. Скорость химических ре-
акций возрастает с повышением температуры. В земной коре многие термодина-
мически допустимые реакции не реализуются из-за того, что не достигается
энер-
гия активации
– та минимальная энергия в расчете на 1 моль, которой должны
обладать реагирующие атомы или молекулы, чтобы началась реакция. Например,
в полярной зоне встречаются на поверхности невыветрелые выходы сульфидных
руд. В присутствии кислорода сульфиды термодинамически неустойчивы, но
устойчивы фактически, так как окисление сильно замедляют низкие температуры.
В зоне гипергенеза известен суммарный эффект физико-химической и био-
генной миграции. О скорости ее дает представление показатель ионного стока,
равный годовому стоку в т/км
2
площади бассейна реки. По Г.А. Максимовичу,
средняя химическая денудация поверхности суши составляет 12 мкм/год, для
стран СНГ – 7 мкм/год. В центральной части океана очень медленная седимента-
ция – за 1000 лет накапливается менее 3 мм осадков (А.П. Лисицин).
Динамику основных геохимических процессов исследовал В.С. Голубев
(1981). Она изучает физико-химические модели процессов и систем с учетом их
развития. Эти модели строятся на основе закономерностей равновесной и нерав-
новесной термодинамики, химической кинетики. Наиболее детально исследованы
кинетика метасоматоза и процессов образования ореолов рассеяния рудных ме-
сторождений (литогеохимических, гидрогеохимических).
Электрохимические реакции в породах
. Большинство сульфидов, магнетит,
арсениды и другие минералы обладают электрической проводимостью. На грани-
це их с водой возникает скачок потенциала. Обычно в сульфидных рудах присут-
ствует несколько минералов, имеющих разные электропотенциалы. В контакте с
водой в таких рудах образуются микрогальванические пары, электродвижущая
сила которых может достигать 0,3–0,4 В. Минерал с более высоким потенциалом
выполняет роль катода, а с меньшим – анода:
на катоде MeS + 2ē → Me
o
+ S
2–
;
на аноде MeS – 2ē → Me
2+
+ S
о
.
В зависимости от рН вод S
2–
трансформируется в H
2
S и HS
–
, а ионы Ме
2+
пе-
реходят в раствор. Например, если в рудах наблюдается ассоциация пирита, халь-
копирита, галенита и сфалерита, то раствор будет обогащаться Pb и Zn, так как
галенит (PbS) и сфалерит (ZnS) выступают как аноды с более низким потенциа-
лом, чем пирит (FeS
2
) и халькопирит (Cu
2
S), играющих роль катодов. Вследствие
этого на месторождениях возникают электрохимические водные ореолы рассея-
ния металлов, что позволяет выявить глубоко залегающие руды. Такие электро-
химические явления представляют собой один из важнейших факторов выветри-
70
вания минералов диэлектриков. Эти представления об электрохимическом рас-
творении положены в основу метода поисков руд под воздействием постоянного
электрического поля. Сконструирована специальная станция для поисков рудных
месторождений на глубине более 100 м по фиксации на поверхности вторичных
ореолов рассеяния.
Формат:
Список