ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.09.2020
Просмотров: 4399
Скачиваний: 7
111
На
платформах
процесс выветривания протекает длительное время. Поро-
ды разрушаются и химические элементы переносятся на значительные расстоя-
ния. Глубокий процесс выветривания обуславливает преобладание хемогенного
материала над обломочным. Мощность осадочных пород на платформах незначи-
тельная. Здесь характерны формации: чистых кварцевых песков и песчаников; в
гумидном климате – каолинитов, в аридном – монтмориллонита; известняков, ре-
же доломитов; железорудные формации представлены озерными и болотными
рудами, железистыми корами выветривания; бокситов среди песчано-глинистых
пород; в переходной зоне геосинклинали – соленосные и нефтематеринские фор-
мации.
В
геосинклиналях
процесс выветривания и преобразования пород протекает
быстро. Породы привносятся и отлагаются с неполным разложением материала;
обломочный материал преобладает над хемогенным; мощность отложений боль-
шая; крупные частицы осаждаются механическим путем; коагулируются колло-
идные растворы; образуются осадки из перенасыщенных растворов.
Результаты выветривания:
Крупнозернистые породы выветриваются легче, чем мелкозернистые.
Первичные минералы при гидролизе превращаются во вторичные (глини-
стые). С одних и тех же первичных минералов могут образовываться раз-
личные глинистые минералы в зависимости от природных условий: каоли-
нитизация протекает при постепенном выветривании и нисходящих рас-
творах; галлуазит образуется при долгом и значительном увлажнении по-
род.
Ускоряется выветривание щелочных пород.
Скорость выветривания зависит от строения кристаллической решетки.
Пирит и маркезит имеют одинаковый химический состав, но разные ре-
шетки, поэтому пирит окисляется быстрее по схеме:
FeS
2
→ FeSO
4
· 7H
2
O → Fe
2
(SO
4
)
3
· 9H
2
O → KFe
3
(OH)
6
(SO
4
)
2
→ 2Fe
2
O
3
· 3H
2
O
пирит
мелантерит
фибраферит
ярозит
лимонит
Устойчивые к выветриванию минералы в породе (циркон, турмалин и др.)
накапливаются в россыпях, образуя "тяжелые шлихи".
Щелочные элементы мигрируют в океан. Калий сорбируется глинами.
Нерастворимые алюмосиликаты (глинистые минералы) образуют оксиды
Al, Si, O
, которые либо остаются на месте, либо выносятся в океан как
взвешенные частицы.
Особенности гипергенеза заключаются в соприкосновении различных гео-
сфер (гидро-, лито-, био-, атмосферы), где происходит грандиозный процесс пере-
группировок химических элементов, их миграция и осаждение, что приводит к
образованию новых минеральных видов. Ниже рассмотрим геохимию отдельных
геосфер в гипергенной зоне.
10.1.
Геохимия гидросферы
Вода является универсальной и самой важной средой миграции в земной
коре и мантии. Все воды (поверхностные, океанические, подземные) участвуют в
общем круговороте воды.
Формат:
Список
112
Способность воды хорошо растворять многие соединения обусловлена по-
лярностью ее молекул, большим дипольным моментом, высокой диэлектрической
проницаемостью. Вода обладает амфотерными свойствами, выступая в роли кис-
лоты и основания:
2H
2
O
H
3
O
+
+ OH
–
Она выступает в роли окислителя, восстановителя, гидратируется, гидро-
лизует минеральные и органические соединения. Для воды характерны такие
аномальные показатели как теплоемкость, скрытая теплота плавления и испаре-
ния, поверхностное натяжение, диэлектрическая постоянная. Эти аномалии опре-
деляют многие особенности физиологических, геохимических и геофизических
явлений (табл. 13).
Структура жидкой воды изучена недостаточно, однако хорошо известна
ажурная структура льда, поэтому лед менее плотный и более легкий. Химический
характер воды определяется прежде всего свойствами атомов водорода, включая
формирование водородных связей в органических и минеральных соединениях.
Физические и термодинамические свойства свободной и связанной воды в
состоянии абсолютной нейтральности приведены в табл. 14. Например, связанная
вода более агрессивна, так как имеет рН 3,6, а окислительно-восстановительный
потенциал отрицательный при повышенной плотности. Свободная вода представ-
ляет собой нейтральный и активный растворитель.
Благодаря большому дипольному моменту вследствие хорошо выраженной
полярности вода обладает большой ионизирующей способностью и считается
идеальным растворителем, в котором встречаются в какой-то мере все известные
на Земле вещества или продукты их взаимодействия.
Тепловое движение молекул в жидкостях имеет двоякий характер:
колебательное движение вокруг положения равновесия;
скачкообразный переход из одного состояния равновесия в другое; такое
движение называется трансляционным и оно ослабляет структуру воды.
Ионы, которые ослабляют трансляционное движение воды, называют
стриктерами
. Это многозарядные и небольшие однозарядные ионы, т.е. с высо-
кой ЭК (энергетической константой иона) – Mg, Ca, Ba, Na, Li, SO
4
и др. Они свя-
зывают ближние молекулы воды, раствора. Такое явление называется
положи-
тельной гидратацией
.
Ионы, которые усиливают трансляционное движение молекул воды назы-
ваются
дестриктерами
. Это большие однозарядные ионы с малыми ЭК – K, Rb,
Cs, I, Br, Cl, NO
3
и др. Они ослабляют структуру воды, вызывают
отрицательную
гидратацию
.
Рост температуры ослабляет структуру воды, а рост давления – усиливает
ее. Граничные значения температуры, при которых происходит структурная смена
воды, по Л.Н. Овчинникову и В.А. Масалович: 0º, 4º, 40º, 85º, 165º, 225º, 340º, бо-
лее 400ºС. Граница зоны гипергенеза связана с температурой 40º, выше которой
выделяется зона гидротермальных процессов. В жидком состоянии чистая вода не
может быть при температуре выше 374,1ºС, а сильно минерализованная – выше
450ºС. При температуре выше 450ºС вода переходит в газовое состояние, однако
при высоком давлении водяной пар ведет себя как жидкая вода, а молекула ее ас-
социирована. Такие газово-жидкие растворы относят к флюидам.
113
Рыхлосвязанная вода в порах горных пород называется
поровым раство-
ром
. При тектонических движениях поровые воды отжимаются из пород или втя-
гиваются в породу. С этим явлением связано формирование химического состава
подземных вод, рудообразования, нефте- и газообразования.
С
разложением и синтезом воды
связаны преобразования пород и минера-
лов. При фотосинтезе H
2
O разлагается, водород входит в состав живого вещества,
а кислород выделяется в атмосферу.
Взаимодействие воды с горными породами приводит к разложению ее мо-
лекул и связыванию их частей разными минералами – глинами и карбонатами:
2Ca[Al
2
Si
2
O
8
] + 6H
2
O = Al
4
[Si
4
O
10
](OH)
8
+ 2Ca
2+
+ 4OH
–
Гидроксил с
СО
2
, растворенным в воде, дает
HCO
3
–
:
OH
–
+ СО
2
= HCO
3
–
Гидрокарбонат участвует в образовании карбонатов:
2HCO
3
–
+ Ca
2+
CaCO
3
+ H
2
O + CO
2
Таким образом, глины поглощают водород, а карбонаты – кислород. При
образовании глин разлагается и связывается не менее 15–20 %
H
2
O
от массы глин.
Разложение воды протекает также под воздействием радиации (
радиолиз
).
Синтез воды характерен для зоны метаморфизма и делает ее агрессивной. Это
приводит к выщелачиванию пород. Агрессивность воды повышается под воздей-
ствием растворенных в ней газов
: O
2
, CО
2
, H
2
S
и др. В зоне гипергенеза в водах
преобладают
Ca, Mg, Na, HCO
3
, SO
4
, Cl
.
Большинство металлов в воде находится в форме гидроксокомплексов, по-
лимерных ионов, комплексных соединений с анионами. В воде мигрируют недис-
социированные молекулы. Например, в нейтральных водах на один ион
Fe
3+
при-
ходится 3
.
10
5
ионов [
Fe(OH)]
2
+
, 6
.
.
10
6
ионов [
Fe(OH)
2
]
+
и 9
.
10
6
ионов [
Fe(OH)
3
]
+
.
Геохимия вод невозможна без участия органического вещества. Его ориен-
тировочные запасы в подземных водах составляют более 2,5
.
10
12
т. Это в 10 раз
больше, чем запасов нефти и боле 2,5 раз запасов торфа. Органические соедине-
ния представлены органическими кислотами, фенолами, углеводородами, биту-
мами. Они образуют с металлами органоминеральные соединения (хелаты) и ми-
грируют вместе с ними, например, золото.
Таким образом, минерализация воды, химический состав, температура,
давление, рН, Eh, органическое вещество, диэлектрическая проницаемость и дру-
гие свойства воды – мощные геохимические факторы, через которые проявляется
геохимия гидросферы, влияющая на формирование месторождений.
114
Таблица 13
Аномальные физические свойства жидкой воды (по Свердрупу и др.)
Свойства воды по сравнению
с другими веществами
Роль свойства в физических
и биологических явлениях
Теплоемкость
– наиболее высокая, за
исключением
NH
3
(4,22 · 10
3
Дж/кг · K)
Уменьшает пределы колебания тем-
пературы, обуславливает перенос
тепла, способствует сохранению по-
стоянной температуры тела
Удельная теплота испарения
(2260 · 10
3
Дж/кг) – наиболее высокая
из всех веществ
Важна для переноса тепла и влаги в
атмосфере
Тепловое расширение
– температура
соответствующая максимальной плот-
ности, уменьшается с повышением со-
лености; для чистой воды +4ºС
Играет важную роль в регулировании
распределения температуры воды и
формирования зональности водоемов
Поверхностное натяжение
– наиболее
высокое из всех жидкостей
Важно для физиологии клетки; опре-
деляет некоторые поверхностные яв-
ления, образование и свойства капли
Растворяюща способность
– раство-
ряет большинство веществ
Нейтральный растворитель; связыва-
ет между собой физические и биоло-
гические явления
Диэлектрическая проницаемость
–
наиболее высокая из всех жидкостей
(для чистой воды)
Определяет диссоциацию минераль-
ных веществ
Электролитическая диссоциация
–
очень мала
Диссоциирует частично на ионы
H
3
О
+
и
OH
–
Летучесть
– наименьшая среди соеди-
нений водорода и элементами под-
группы кислорода
Медленная потеря влаги различными
материалами
Прозрачность
– относительно велика
Сильно поглощает лучистую энергию
в инфракрасной и ультрафиолетовой
области спектра; в видимой области
спектра малое избирательное погло-
щение, поэтому вода бесцветна
Теплопроводность
– наиболее высокая
из всех жидкостей
Играет роль в живых клетках
Вязкость
– уменьшается с повышени-
ем давления
Определяет гидродинамику водных
объектов и седиментацию взвешен-
ных веществ
115
Таблица 14
Некоторые физические и термодинамические свойства свободной и связанной
воды в состоянии абсолютной нейтральности (А.М. Никаноров, 2001
)
Показатель
Свободная
вода
Связанная
вода
Водородный показатель, рН
7,0
3,6
Окислительно-восстановительный потенци-
ал (Eh), В
0,4
–0,15
Парциальное давление кислорода, Па
10
–27,86
10
–5,86
Парциальное давление водорода, Па
10
–27,56
10
–5,56
Константа диссоциации
10
–14,0
10
–7,15
Константа разложения
10
–83,1
10
–17,0
Стандартная свободная энергия образова-
ния:
H
2
O
, Дж/моль
–237,35 · 10
3
–157,84 · 10
3
OH
–
, Дж/(г · ион)
–157,40 · 10
3
–25,54 · 10
3
Плотность, г/см
3
1,0
1,4
Относительная диэлектрическая проницае-
мость при 25ºС
78,54
–20
10.1.1.
Перенос вещества водой
Химические элементы могут мигрировать в разнообразных формах с во-
дой, которая определяет их способность к концентрации и образованию место-
рождений полезных ископаемых. В зависимости от формы переноса Н.М. Страхов
выделил четыре группы веществ.
К первой группе относятся легкорастворимые соли, представленные хло-
ридами и сульфатами:
NaCl, KCl, MgSO
4
, MgCl
2
, CaSO
4
, CaCl
2
. Они присутствуют
в речных водах в виде истинных растворов.
Вторую группу компонентов речного стока образуют карбонаты щелочно-
земельных металлов
CaCO
3
, MgCO
3
, Na
2
CO
3
.
Третью группу составляют соединения
Fe, Mn, P
и некоторых редких эле-
ментов (
V, Сr, Ni, Co, Cu
и др.). Они образуют истинные и коллоидные растворы.
К четвертой группе относятся кварц, силикатные и алюмосиликатные ми-
нералы. Растворимость их в воде ничтожна, поэтому переносятся в виде взвеси и
грубозернистого материала. Глинистые минералы и цеолиты мигрируют во взве-
шенном состоянии, расщепляясь на чешуйки.
По подсчетам В.М. Гольдшмидта на каждый квадратный сантиметр по-
верхности Земли приходится морской воды 278,11кг, континентального льда
4,5кг, пресной воды 0,1кг, водяных паров 0,003кг.
По химической природе морская вода противоположна речной: в морской
воде –
Na > Mg > Ca и Cl > SO
4
> CO
3
; в речной –
Ca > Na > Mg и CO
3
> SO
4
>
Cl
. Хлориды морской воды являются конденсатами вулканической деятельности
Формат:
Список