Определение геохимии как науки.

Общая геохимия

Определение геохимии как науки.

Геохимия — наука о химическом составе Земли и планет (космохимия), законах распределения и движения элементов и изотопов в различных геологических средах, процессах формирования горных пород, почв и природных вод.

Геохимия - сравнительно молодая геологическая наука, возникшая в конце XIX века. Это комплексная наука, образовавшаяся на стыке двух фундаментальных наук - геологии и химии. В то же время она тесно соприкасается с физикой, а по ряду вопросов - с астрономией и биологией.

Основоположником геохимии является выдающийся русский ученый В.И. Вернадский, высокообразованный исследователь-естествоиспытатель с философским складом ума. Он дал определение геохимии как науки, указал объект и предмет исследования. Позже определения геохимии были даны А.Е. Ферсманом, В.И. Лебедевым и др. Так, по В.И. Вернадскому: «Геохимия научно изучает химические элементы, т.е. атомы земной коры и, насколько возможно, всей планеты. Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве-времени, их генетическое на нашей планете соотношение». По А.Е. Ферсману, «Геохимия изучает историю химических элементов - атомов в земной коре и их поведение при различных термодинамических условиях природы».

Задачи и проблемы геохимии исключительно многообразны, а потому и определения их значительно варьируют. По Ф.У. Кларку, каждая порода представляет собой химическую равновесную систему, которая может изменяться под действием различных агентов с образованием новой системы, стабильной в новых условиях; «определить, какие изменения возможны, как и где они происходят, наблюдать явления, которые сопровождают их, и отметить их окончательный результат – вот задача геохимика». В.М. Гольдшмидт отмечает, что «основной задачей геохимии является, с одной стороны, количественное определение состава Земли и ее частей и, с другой - установление законов, которые контролируют распределение отдельных элементов». А.Е. Ферсман задачу геохимии видел в «выяснении законов сочетания элементов и минералов в земной коре, их качественных и количественных соотношений в топографической и хронологической связи».

Какие же задачи и проблемы стоят перед современной геохимией? Нельзя забывать, что Земля является частью космоса и геохимия, таким образом, может рассматриваться как наиболее изученная часть более общей космохимии - науки, изучающей химический состав Земли, планет и Вселенной в целом. В освоении космоса сделан огромный скачок - получены объекты для сравнения: лунные породы, данные атмосферы Венеры, Марса, Юпитера. Современная геохимия включает много новых разделов, она дифференцировалась и, естественно, охватывает проблемы из различных областей естествознания. Так, появилась геохимия изотопов, ядерная геохимия, геохимия редких и рассеянных элементов в почвах, геохимия ландшафта, физическая геохимия, гидрогеохимия, прикладная геохимия, геохимия ноосферы и другие, со своими задачами и проблемами.

Некоторые первоочередные задачи можно сформулировать так:

- Поведение и формы нахождения химических элементов в различных оболочках Земли (геосферах и при различных геологических процессах).

- Условия и закономерности миграции - концентрация (образование месторождений) и рассеяние химических элементов.

- Изучение изотопов химических элементов для решения вопросов о возрасте пород, источнике вещества, о палеотемпературах, решение генетических и других вопросов.

- Изучение изоморфных смесей; типоморфизм минералов.

- Изучение геохимии отдельных регионов земной коры.

- Дальнейшее повышение чувствительности и точности аналитических методов. Совершенствование методик геохимических исследований.

- Изучение миграции химических элементов в связи с деятельностью человека.

- Изучение космических объектов.

Вот некоторые проблемы геохимии:

- Геохимическая зональность.

- Законы дифференциации вещества Земли.

- Геодинамика и магматизм.

- Взаимодействие вещества мантии и коры.

- Геохимия мантии Земли.

- Кинетика и динамика процессов (магматического, гидротермального и др.).

- Химизм природных процессов минерало- и рудообразования; источники рудного вещества.

- Поиски минерального сырья.

- Происхождение химических элементов.

- Рациональное (комплексное) использование земных ресурсов.

- Гипергенное минералообразование.

- Геохимия ноосферы.

- Сохранение среды жизнеобитания.

- Геохимия внутриматериковых вод.

- Закономерности и механизмы осадкообразования.

- Проблемы, возникшие в связи с изучением космоса.

Методы исследования. Поскольку геохимия - наука комплексная, она использует весь арсенал методов сопредельных наук.

- химические методы - химический анализ, полярография, фотоколориметрия, измерение pH и Eh, термография, деривато-термография, гомогения и другие;

- физические методы - рентгеновский (рентгенофазовый, рентгеноструктурный, рентгеноспектральный), спектральный, люминесцентный, радиометрический, изотопный, магнитометрический, микрозондовый анализы, электропарамагнитный резонанс, ИК-спектроскопия, оптическая спектроскопия, ядерная гамма-резонансная спектроскопия, растровая электронная микроскопия;

- геологические методы - геологическое картирование, палеонтологический, стратиграфический методы, микроструктурный анализ, шлиховой метод, оптическая петрография, минераграфия, литологический анализ пород, геофизический метод, стереометаллогенические исследования.

Геохимия, как самостоятельная наука, имеет и свои методы, и методики исследования. В течение последних десятилетий минувшего века произошло кардинальное усовершенствование старых и развитие новых аналитических методов изучения горных пород и минералов, в связи с чем анализ геохимических данных превратился в неотъемлемую часть комплексных геологических исследований. Открылись новые возможности классификации магматических, метаморфических, осадочных пород, изучения эволюции их состава и строения, определения геодинамических (точнее - палеотектонических) обстановок их формирования:

- Особая роль принадлежит углубленному геохимическому анализу периодической таблицы.

- Методы составления диаграмм с целью классификации магматических пород, определения первичного состава метаморфических толщ, выделения магматических серий (дивариантные и тройные вариационные диаграммы), определения геодинамических обстановок формирования пород (тектоническая реконструкция) с использованием дискриминационных диаграмм.

- Геохимическое картирование включает составление геохимических разрезов, профилей, карт геохимических трендов. В основе метода лежит понятие о кларках элементов.

- Геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых (литохимические, гидрогеохимические, атмохимические, биогеохимические) по первичным и вторичным ореолам рассеяния.

- Соотношение пар стабильных изотопов в породах и минералах.

- Методы абсолютной геохронологии.

- В последние десятилетия широкое распространение приобретает моделирование химических природных процессов, отвечающих различным глубинным условиям Земли.

Сформулированное В.И. Вернадским, а затем и А.Е. Ферсманом понятие науки - изучение природных процессов на уровне атома – есть главная особенность методологии геохимии, ее специфика. Еще одна важная особенность методологии геохимии - изучение противоположно направленных природных процессов - миграция элементов (концентрация, с одной стороны, и рассеяние - с другой).

Еще один важный методологический принцип геохимии - историзм. Нужно не просто описать объект и объяснить механизм его появления, но еще и обратиться к временной форме существования материи (кроме пространства и движения).

 

 

Понятие о кларке вещества.

Кларки химических элементов - числа, выражающие среднее содержание элементов в литосфере, земном ядре, Земле в целом, атмосфере, гидросфере, живых организмах, породах Луны, атмосфере Солнца, звезд и т. д. Различают кларки химических элементов массовые (в %, г/т и др.) и атомные (в % от числа атомов). Для литосферы и океана кларки химических элементов установлены на основе вычисления среднего из анализов мн. тысяч образцов горных пород и вод. По А. А. Беусу (1981), 12 главных кларков (в % по массе) в литосфере (без осадочной оболочки): О 46,1; Si 26,7; Аl 8,1; Fe 6,0; Mg 3,0; Mn 0,09; Ca 5,0; Na 2,3; К 1,6; Ti 0,6; P 0,09; H 0,11; прочие 0,3. В земном ядре преобладают Fe (ок. 80%) и Ni (ок. 8%); в Земле в целом (на основе разл. допущений) - Fe (35%), О (30%), Si (15%), Mg (13%); в космосе - Н и Не. Элементы с кларками менее 0,01-0,001% наз. редкими, если при этом они обладают слабой способностью к концентрации - редкими рассеянными, напр. кларки U и Вr в литосфере соотв. равны 2,5.10-4 и 2,1.10-4%, но U - редкий элемент (известно 104 минерала, содержащих U), а Вr - редкий рассеянный (известен лишь один его собственный минерал). При анализе величин атомных кларки химических элементов выявляется еще большее преобладание кислорода и др. легких элементов.

По закону Кларка-Вернадского (о всеобщем рассеянии хим. элементов), в любом объекте прир. системы находятся все известные на Земле элементы. В литосфере и Земле в целом преобладают легкие атомы (включая Fe), в земной коре - элементы с четными порядковыми номерами и четными атомными массами, особенно с массами, кратными 4 (в них преобладают изотопы с массой, кратной 4). наиб. высокие кларки у элементов, атомные ядра к-рых содержат четное число протонов и нейтронов.

Согласно основному геохим. закону (В. Гольдшмидт), кларки химических элементов зависят от строения атомного ядра, а распределение элементов, связанное с их миграцией, - от строения электронных оболочек, определяющих хим. св-ва атомов. Однако это верно только для космоса в целом. Миграция элементов также зависит от кларков, к-рые во многом определяют содержание элементов в р-рах, расплавах, их способность к минералообразованию, осаждению.

Термин "кларк" предложен А. Е. Ферсманом в 1923, назван в честь амер. геохимика Ф. У. Кларка. В США и др. западных странах используют термин "распространенность хим. элементов".

 

Закон Кларка-Вернадского.

Кларки химических элементов - числа, выражающие среднее содержание элементов в литосфере, земном ядре, Земле в целом, атмосфере, гидросфере, живых организмах, породах Луны, атмосфере Солнца, звезд и т. д.

Гениальную мысль высказал В.И. Вернадский о рассеянии, о «всюдности» элементов: все элементы есть везде, всюду; в каждой песчинке или капле, как в микрокосме отражается общий состав космоса. Такое представление о всеобщем рассеянии химических элементов Н.И. Сафронов предложил назвать законом Кларка - Вернадского. По закону Кларка-Вернадского (о всеобщем рассеянии хим. элементов), в любом объекте прир. системы находятся все известные на Земле элементы

В литосфере и Земле в целом преобладают легкие атомы (включая Fe), в земной коре - элементы с четными порядковыми номерами и четными атомными массами, особенно с массами, кратными 4 (в них преобладают изотопы с массой, кратной 4). Наиболее высокие кларки у элементов, атомные ядра которых содержат четное число протонов и нейтронов.

 

 

Параметры миграции.

Параметры (факторы) миграции элементов - Т, Р, pH, Eh и др.

Кислотность - щелочность среды (pH)

В зоне гипергенеза миграция химических элементов во многом зависит от кислотности - щелочности воды как растворителя. Вода диссоциирует по при температуре 22 °С, давлении 760 мм рт.ст. в идеально чистой воде в диссоциированном состоянии находится 10~ 7 г молекулы воды.

В нейтральной воде увеличение концентрации ОН- вызывает щелочные свойства воды, а увеличение концентрации Н+ - кислотные.

При повышении температуры на каждые 10° степень диссоциации увеличивается примерно в 2 раза, т.е. нейтральная точка воды сдвигается в сторону повышения концентрации Н+. Для речных вод pH = 5 - 6,5; воды торфяных болот кислые pH = 4; вода кратерных озер имеет pH == 1-3; рудничные воды колчеданных месторождений pH = 1,9; грунтовые воды pH = 6,5 - 8,5; в водах океана pH = 8,1 - 8,3; для бессточных озер пустынь (аридные зоны) pH = 9 - 10.

Величина pH природных вод интенсивно влияет на миграционную способность элементов, выпадение их гидрооксидов. Кислые и слабокислые воды (pH < 6) благоприятны для миграции Са, Sr, Ва, Ra, Си, Zn, Cd, Cr3+, Fe2+, Mn, Ni. В щелочных водах подвижны W6+, Cr6+, Se, Mo, V5+, As.

Малые концентрации многих элементов связаны с их низкими кларками, и поэтому роль pH в осаждении их гидрооксильных групп несущественна. Сюда относятся редкие элементы, все редкоземельные и др.

Кислотные или щелочные свойства могут проявлять и сами химические элементы, усиливая или ослабляя кислотно-щелочные свойства раствора. Кислотные или щелочные свойства элемента можно определить величиной, названной Г. Картледжем в 1928 г. ионным потенциалом. Малые значения ионного потенциала имеют щелочи, а большие - типичные неметаллы, промежуточные величины характеризуют амфотерные оксиды.

«Сила» оснований (щелочей) определяется величиной pH, при которой начинается выпадение гидроокиси элементов, а также величиной ионного потенциала (¥). Сила оснований для первого ряда периодической таблицы увеличивается сверху (от Li) вниз. Самым сильным основанием (силь­

ной щелочью) является. Геохимическими индикаторами обстановки являются Na и К, причем более сильным основанием (щелочью) является калий.

«Сила» кислот определяется константой диссоциации, которая зависит от ионного потенциала, от полярности связей соединений.

В условиях кислой среды побеждает более сильная кислота, вытесняя более слабую и, наоборот, в условиях щелочной среды побеждает более сильная щелочь. Так, наблюдаемые процессы: альбитизация калиевых полевых шпатов, топазизация и затем окварцевание проходят в обстановке понижения щелочности (замещение калия натрием) - повышения кислотности (замещение алюминия кремнием). Обратная картина наблюдается при микроклинизации и замещении кварца полевыми шпатами или слюдами: увеличение щелочности, т.е. вытеснение слабых оснований более сильными и, следовательно, понижение кислотности. Таким образом, анализируя парагенетические ассоциации минералов, можно судить об изменениях характера гидротермального раствора.

 

Окисление и восстановление (Eh)

Миграция химических элементов зависит еще от способности воды окислять или восстанавливать элементы, что связано и со способностью элементов восстанавливать из воды Н+ или разлагать воду с выделением кислорода. Элементы и ионы, принимающие электроны, называются окислителями (сами они при этом восстанавливаются), а элементы и ионы, отдающие электроны, называются восстановителями (сами они при этом окисляются). Элементы, которые отдают свои электроны,- окисляются, а те, которые принимают, - восстанавливаются. Причем в растворе эти процессы идут одновременно, и такие реакции называют окислительно-восстановительными.

Самым сильным окислителем является F, а важным окислителем (с высоким кларком) - кислород, затем сера (в форме S042-), углерод (С02), азот (NO3-, NO, и др.), Fe3+, Мп4+, Мп3+, менее активные окислители: Ti4+, V5+, Cu2+, Сг6+, а также U6*, Mo6*, Se°, Se6*. Восстановители: H2, H2S, CH4, CO, Fe2+, Mn2+, Mn3+, Ti3+, V3+, V4*, Cu.

Так как отдача или присоединение электронов происходит с выделением или затратой энергии, то и реакции окисления – восстановления можно охарактеризовать энергетическими величинами, которые

носят периодический характер (изменяются закономерно по периодам и рядам): чем выше электроотрицательность, тем сильнее окислительные свойства элемента (галоиды, О, S и др.), и чем меньше электроотрицательность, тем легче атом или ион отдает свой валентный электрон, тем сильнее его восстановительные способности. Легко окисляются щелочи и щелочно-земельные элементы: Na, К, Са, Mg и др.

Окислительно-восстановительные реакции будут протекать только в том случае, если при переходе электронов от одного атома к другому получается выигрыш энергии.

 

Температура и давление

Температура и давление - факторы, влияющие на ход (изменение) химических реакций и, следовательно, на миграцию химических элементов. При изменении температуры и давления изменяются парагенетические ассоциации минералов (и элементов). Если геохимические процессы происходят при постепенном понижении температуры – идут реакции с поглощением воды, образованием карбонатов, происходит распад изоморфных смесей (твердых растворов) и др. Температуры, при которых происходили геохимические процессы, можно определить по минералам, так называемым геологическим термометрам (полиморфные превращения, распад твердых растворов, газово-жидкие включения).

Влияние давления особенно ощутимо сказывается на ходе геохимических процессов при его резких изменениях: отщепление газовой фазы, расплавление, фазовые переходы и др.

Однако в природе эти два фактора действуют совместно, являются главными во многих уравнениях химической термодинамики и определяют направление химических реакций. Кроме того, следует еще учитывать объем, концентрацию, химический потенциал, между которыми существует определенная функциональная связь.

Принцип Ле-Шателье вытекает из второго закона термодинамики о направленности процессов: изменения в равновесных системах происходят в направлении, противодействующем внешнему воздействию. Так, при остывании магмы кристаллизуются минералы с выделением тепла (экзотермические реакции); при повышении давления образуются минералы большей плотности и др.

 

 

Геохимические процессы

Геохимические процессы - процессы изменения химического состава горных пород и минералов, а также расплавов и растворов, из которых они образовались. В результате происходит миграция химических элементов сфер Земли. Наиболее изучены геохимические процессы в литосфере, гидросфере и нижних слоях атмосферы, меньше данных о геохимических процессах в верхней мантии Земли, а о поведении химических элементов в нижней мантии и земном ядре имеются только гипотезы.

Геохимические процессы включают явления концентрации и рассеяния химических элементов. С первыми связано образование месторождений полезных ископаемых, со вторыми — вторичных ореолов рассеяния месторождений на изучении которых основаны геохимические методы поисков. С рассеянием химических элементов связано также загрязнение окружающей среды в районах промышленных предприятий, в том числе и горнорудных. В зависимости от формы миграции химических элементов различают механические, физико-химические, биогеохимические и техногенные геохимические процессы и их сочетания.

К механическим геохимическим процессам относятся речная эрозия, дефляция, плоскостной смыв и образование делювия, морская абразия, механическая седиментация и т.д. На изучении механических геохимических процессов основаны шлиховой и шлихогеохимический методы поисков рудных месторождений. С механическим геохимическим процессом связано образование россыпей золота, платины, алмазов и др.

Физико-химические геохимические процессы исключительно разнообразны. Эндогенные геохимические процессы протекают при высоких температурах и давлениях, к ним относятся магматические, гидротермальные и метаморфические геохимические процессы. Гипергенные геохимические процессы характерны для земной поверхности и небольших глубин, где господствуют низкие температуры (условно ниже 40°С) и давления.

1.Магматические геохимические процессы протекают в силикатных расплавах (магмах) в глубоких частях земной коры и верхней мантии, на земной поверхности и дне океана (при вулканических извержениях). Очаги гранитоидного магматизма залегают главным образом на глубине до 25 км, базальтовая магма формируется обычно значительно глубже. Температура кристаллизации пород из магмы колеблется от сотен до 1100-1300°С, давление в магме — от 105 Па на земной поверхности до 109 Па в глубинных очагах. Разнообразные процессы магматических дифференциаций приводят к концентрации химических элементов и образованию их магматических месторождений.

2.Гидротермальные геохимические процессы. Ниже пояса холодных подземных вод в земной коре повсеместно распространены горячие и перегретые воды с температурой от 40 до 500°С (границы условны). С их деятельностью связано формирование разнообразных гидротермальных рудных месторождений — основной источник меди, свинца, цинка, серебра, ртути, сурьмы, молибдена, вольфрама и других металлов, а также различного нерудного сырья (магнезита, хризотил-асбеста и др.). Гидротермальные геохимические процессы наиболее характерны для верхней части земной коры — до глубины 8 км, в вулканических районах они развиваются также на земной поверхности и на дне океана.

3.Метаморфические геохимические процессы — изменение магматических и осадочных горных пород в земных глубинах под влиянием высоких температур и давлений, отчасти растворов и флюидов. При этом происходит распад первоначальных минералов и образование новых устойчивых минеральных видов в соответствии с законами физико-химических равновесий. В результате метаморфических геохимических процессов глины превращаются в кристаллические сланцы, известняки — в мраморы, кислые изверженные породы — в гнейсы и т.д.

Биогеохимические геохимические процессы характерны для верхней части земной коры — биосферы. При этом развиваются и механические и физико-химические явления, но определяющее значение имеют специфические геохимические процессы, обусловленные деятельностью организмов. Совокупность живых организмов (живое вещество, по В. И. Вернадскому) — главная геохимическая сила земной поверхности. В результате биогеохимических процессов формируются почвы, коры выветривания, частично континентальные отложения, химический состав поверхностных, грунтовых и неглубоких подземных вод (до глубины в сотни и тысячи метров). С этими геохимическими процессами связано образование месторождений торфа, угля, горючих сланцев, возможно также нефти и газа. Биогеохимические процессы играли важную роль в образовании некоторых месторождений типа медистых песчаников, ураноносных песчаников и др. Велика роль биогеохимических геохимических процессов в образовании вторичных ореолов рассеяния месторождений, формировании геохимических аномалий. На протяжении геологической истории биогеохимические процессы создали современную кислородную атмосферу Земли (фотосинтез растений), почти освободили атмосферу от СО2, изменили состав поверхностных и подземных вод, в частности привели к образованию сероводорода в илах и подземных водах, осаждению сульфидов металлов. На определении элементного состава растений основаны биогеохимические методы поисков рудных месторождений.

Техногенные геохимические процессы обусловлены хозяйственной деятельностью. Включают в себя и механические, и физико-химические, и биогеохимические явления, однако их природа специфична. Многие техногенные геохимические процессы возникли только в результате человеческой деятельности — получение Al и других металлов в свободном виде, синтез веществ, неизвестных в природе (полимеров и др.), производство радиоактивных изотопов и т.д. Разновидностью техногенных геохимических процессов является загрязнение окружающей среды, образование так называемых техногенных геохимических аномалий. Последние могут быть глобальными (например, повышение содержания СО2 в атмосфере в результате сжигания горючих ископаемых), региональными (применение удобрений и др.) и локальными, связанными с отдельными рудниками, заводами, населёнными пунктами. В результате техногенных геохимических процессов образуются техногенные почвы, коры выветривания, водоносные горизонты, ландшафты (например, на участках горнорудных предприятий), наконец, вся область Земли, охваченная техногенными геохимическими процессами, — ноосфера. Исследования техногенных геохимических процессов служат теоретической основой борьбы с загрязнением окружающей среды, в частности рекультивации районов горных работ.

 

Геохимические барьеры.

Этим термином А.И. Перельман в 1961 году предложил именовать участки земной коры, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрация. Аналогично макро- и микроклимату, макро-, мезо- и микрорельефу выделяют макро-, мезо-и микробарьеры. Так, в дельтах зона смешения пресных речных вод и соленых морских представляет собой макробарьер шириной в сотни и тысячи метров (при длине рек и морских акваторий в тысячи километров). К мезобарьерам относятся краевые зоны болот, где накапливаются многие элементы, выщелоченные из почв водоразделов и склонов.

Явление, которое именуется геохимическим барьером, привлекало внимание исследователей и ранее, в частности, при изучении условий образования минералов и руд, при трактовке процессов осаждения элементов из вод. Однако ранее оно рассматривалось изолированно, как предмет разных наук - минералогии, литологии, почвоведения, науки о рудных месторождениях и т.д. Но в почвах, илах рек и озер, корах выветривания, горизонтах грунтовых вод, зонах разломов и других системах протекают сходные процессы концентрации элементов. Это и позволило установить общие типы таких процессов, сформулировать понятие о геохимическом барьере, которое относится к фундаментальным понятиям геохимии.

Главная особенность барьера - резкое изменение условий концентрации элементов, это зона, где одна геохимическая обстановка сменяется другой. Между понятием "геохимический барьер" и "геохимическая обстановка", следовательно, имеется глубокая связь: уменьшение пространства, занимаемого обстановкой, приводит к переходу количества в качество, превращению обстановки в барьер и наоборот.

На геохимических барьерах образуются руды большинства месторождений, различные геохимические аномалии, приводящие к загрязнению окружающей среды, другие практически важные виды концентрации элементов. Все это определяет важность изучения геохимических барьеров.

При совмещении в одном месте различных геохимических процессов формируются комплексные барьеры, образующиеся в результате наложения двух или нескольких взаимосвязанных геохимических процессов. Выделяются также двусторонние барьеры, которые формируются при движении различных элементов к барьеру с разных сторон. На двустороннем барьере происходит осаждение разнородной ассоциации химических элементов. Различаются также латеральные барьеры, образующиеся при движении вод в субгоризонтальном направлении, например на границе элементарных ландшафтов, и радиальные (вертикальные) барьеры, формирующиеся при субвертикальной (снизу вверх или сверху вниз) миграции растворов в почвах, зонах разломов, корах выветривания и т.д.

В зависимости от способа массопереноса различаются диффузионные и инфильтрационные барьеры. B.C. Голубев разработал понятие о подвижном геохимическом барьере, когда барьер перемещается медленнее фильтрации вод.

В основу классификации геохимических барьеров положены виды миграции. Выделяется два основных их типа - природные и техногенные. Природные в свою очередь разделяются на три класса. Наиболее простые - механические барьеры - участки резкого уменьшения интенсивности механической миграции.

К ним приурочены различные продукты механической дифференциации осадков. В местах резкого уменьшения интенсивности физико-химической миграции формируются физико-химические барьеры. Они возникают в местах изменения температуры, давления, окислительно-восстановительных, щелочно-кислотных и других условий. Биогеохимические барьеры обязаны уменьшению интенсивности биогенной миграции - угольные залежи, торф, концентрации элементов в телах организмов и т.д.

Среди техногенных барьеров также выделяются механические, физико-химические и биогеохимические классы. Более сложные процессы образования геохимических барьеров обычно включают в себя менее сложные. Например, в образовании техногенных барьеров могут участвовать механические, физико-химические и биогенные процессы, но сущность данных барьеров не может быть понята без учета особенностей техногенной миграции. Главное внимание исследователей до сих пор привлекали природные и техногенные физико-химические барьеры. Изменение геохимических показателей m (t, р, Eh, pH и т.д) в направлении миграции химических элементов называется градиентом барьера G.

Контрастность барьера S характеризуется отношением величины геохимических показателей в направлении миграции до и после барьера: Интенсивность накопления элемента увеличивается с ростом контрастности и градиента барьера.

 

Ореолы рассеяния.

ОРЕОЛЫ РАССЕЯНИЯ — зоны повышенных (реже — пониженных) содержаний химических элементов в природных образованиях, генетически связанные с месторождениями полезных ископаемых. Первичные ореолы рассеяния месторождений возникают в окружающих горных породах одновременно с формированием залежи полезных ископаемых. Вторичные ореолы рассеяния образуются в продуктах разрушения горных пород, в почвах, водах, растениях и подземной атмосфере в результате гипергенных процессов, протекающих на поверхности суши.

Это понятие возникло при разработке геохимических методов поисков рудных месторождений. Та часть месторождений, в которой содержание рудных элементов достигает величин, допускающих их эксплуатацию, называется рудным телом, или залежью полезного ископаемого, а само вещество с кондиционным содержанием элемента - рудой. Остальная часть поля концентрации - это первичный геохимический ореол месторождения. Он образовался одновременно с рудным телом и в результате тех же процессов. Граница между рудным телом и первичным ореолом определяется требованиями промышленности. Например, в конце XIX в. в США перерабатывались медные руды, содержащие более 5% Си, и прилегающие породы с первыми процентами Си представляли первичный ореол. В середине XX в. перерабатывались уже руды с 1% Си, и то, что ранее считалось первичным ореолом, стало рудой. Протяженность первичных ореолов измеряется десятками, сотнями и тысячами метров, причем нередко ореол достигает земной поверхности, в то время как рудное тело расположено на глубине.

В ландшафтах рудные тела и первичные ореолы подвергаются выветриванию и денудации. В результате почва, кора выветривания, континентальные отложения, подземная и надземная атмосфера вблизи месторождения обогащаются индикаторными элементами (рудными и их спутниками). При выщелачивании руд и ореолов элементы поступают в поверхностные и подземные воды. Растения также накапливают рудные элементы, повышается их содержание и в животных. Так возникает повышенная концентрация элементов в ландшафте, образующая вторичный (эпигенетический) ореол рассеяния.

Различают литохимические ореолы - в почвах, породах, гидрогеохимические - в водах, атмохимические - в атмосфере, биогеохимические - в организмах.

Размеры вторичных ореолов достигают сотен и тысяч метров. Содержание индикаторных элементов в литохимических ореолах местами лишь незначительно отличается от их содержания во вмещающих породах, причем искомые элементы в подавляющем большинстве случаев находятся в неминеральной форме (адсорбированы глинами и т.д.). Определяя содержание химических элементов в коренных горных породах, во всех компонентах ландшафта - почвах, рыхлых отложениях, водах, растениях, атмосфере, можно обнаружить первичный или вторичный ореол, а по нему и само месторождение.

Так как площади ореолов в десятки, сотни и тысячи раз больше площади рудного выхода, то понятно, что при поисках легче обнаружить ореол, чем руду. А если обнаружен ореол, то руду найти гораздо легче. Местами на поверхность выходит только ореол рассеяния, само же месторождение скрыто на глубине ("слепое"). Искомый элемент не всегда является индикаторным. Иногда рациональнее искать месторождение по "элементам-спутникам". Так, многие рудные месторождения содержат непромышленные концентрации ртути. Летучесть ртути обусловливает образование очень широкого ореола рассеяния, более широкого, чем у свинца, цинка, меди. Поэтому искать свинцовые, цинковые, медные и другие месторождения в ряде случаев удобно на основе определения в породах элемента-спутника - ртути (А.А. Сауков, Н.А. Озерова, В.З. Фурсов).

Понятие об ореолах рассеяния имеет большое значение и для решения экологических задач - борьбы с загрязнением окружающей среды и мониторинга. Разрушающееся на земной поверхности рудное месторождение и образующиеся при этом вторичные ореолы рассеяния оказались хорошей моделью загрязнения среды от локального источника - города, горно-обогатительного комбината и т.д.

 

 

Свойства и состав магмы.

Магма (др.-греч. μάγμα — месиво, густая мазь) представляет собой при­родный, чаще всего силикатный, раскаленный, жидкий расплав, воз­никающий в земной коре или в верхней мантии, на больших глубинах, и при остывании формирующий магматические горные породы. Излившаяся магма — это лава.

Магма представляет собой гетерогенный силикатный расплав. Содержит около 5 % воды, в неизмененных магматических породах редко превышает 1 %. При высоком давлении летучие компоненты находятся в подвижном состоянии. Как многокомпонентная система магма хорошо растворяет породообразующие оксиды редких элементов (Li2O, Rb2O, BeO, ZrO2, Ga2O3, Nb2O5 и др.).

Чем больше компонентов в силикатном расплаве, тем ниже температура его остывания и меньшая вязкость, что ведет к повышению реакционной способности силикатного расплава и скорости диффузии компонентов реакции.

Усилению электролитической диссоциации силикатов содействует высокая диэлектрическая постоянная расплавленной кремниевой кислоты. Среди элементов магмы встречается ионная и ковалентная связь, образуются комплексные ионы типа AlSiO4, AlSi3O8. В расплавах присутствует O^2- и его концентрацией пользуются как индикатором щелочности расплава.

Магма характеризуется кислыми или основными свойствами. По убыванию основности (щелочности) катионы образуют ряд: Cs > Rb > K > Na > Li > Ba > Sr > Ca > Mg > Fe. Чем крупнее анион при одном и том же заряде, тем легче он отрывается от катиона и сильнее у него кислотные свойства. Дальнейшее возрастание кислотных свойств происходит при переходе от силикатов к алюмосиликатам (AlSiO4, AlSi6O6, AlSi3O8): Si > B > P > Al. Снижение основности оксидов повышает кислотность и подвижность силикатного расплава и приводит к расслоению его на две несмешивающиеся жидкости. Летучие компоненты повышают кислотность и подвижность силикатного расплава. В процессе дифференциации происходит отжим жидкой фазы от породы, а при кристаллизации в расплаве увеличивается количество SiO2, летучих соединений и воды, уменьшается содержание оснований. На ранних стадиях выкристаллизовываются темноцветные минералы (пироксен, амфибол, биотит), позже – светлые полевые шпаты, кварц.

В кислом расплаве окислительно-восстановительный потенциал выше, чем в щелочном. Поэтому в кислой среде элементы стремятся восстановиться, а в щелочной – окислиться.

Вязкость магмы вызывается следующими геохимическими особенностями. Ультраосновные и основные магмы менее вязкие, так как оксиды образуют форму, близкую к шарообразной. Кислые магмы вязкие, так как кремниевая кислота может быть представлена в них в виде тетраэдра, замк нутых колец, цепи, ленты, т. е. длинных, с трудом поворачивающихся для полимеризации в расплаве молекул. Если на место атома кислорода становятся F, Cl, OH, то цепь укорачивается и легче идет образование кристаллической решетки.

Вязкость повышается в расплавах, обогащенных Al2O3, частично Na2O и понижается с увеличением содержания FeO,