Типоморфные (ведущие) элементы, принцип подвижных компонентов.

Типоморфные (ведущие) элементы, принцип подвижных компонентов. Химические элементы, ионы и соединения, определяющие условия миграции в ландшафте, именуются типоморфными (ведущими). Число их невелико: Са, Н (вернее, водородный ион), Fe, S, Cl и другие. Это позволяет говорить о кальциевых, кислых и прочих ландшафтах (например, кальциевая и кислая тайга).

Различия в кларках приводят к тому, что химическое сходство элементов отнюдь не означает их "геохимическое сходство". Так, например, у Na кларк высокий (2,50), поэтому его много в ландшафтах. Солончаки, соляные озера - это "натриевые ландшафты", т.к. Na определяет геохимическое своеобразие ландшафта, физикохимические условия среды, т.е. является типоморфным. Cs в химическом отношении похож на Na, но его кларк мал (3,7.10'^) и влияние на геохимические особенности ландшафта невелико. Он не определяет физико- химических условий среды и мигрирует в той обстановке, которая создана типоморфными элементами. Если бы у Cs кларк был, как у Na, то его роль в ландшафте была бы так же велика, он был бы типоморфным.

Следовательно, химические элементы с низкими кларками не могут быть типоморфными из-за малых концентраций в системах - они вынуждены мигрировать в той обстановке, которую создают типоморфные элементы. Именно различия в кларках определяют ведущую роль S и второстепенную Те, ведущее значение Na и подчиненное Rb, Li, Cs. Редкие элементы в местах их концентрации становятся ведущими, например, в месторождениях U, Мо и т.д. Но ведущее значение элемента зависит не только от его кларка и концентрации в данной системе. Важно, чтобы элемент мигрировал и накапливался. Распространенные, но слабо мигрирующие элементы не являются ведущими. Один и тот же элемент в разных системах может быть и ведущим, и второстепенным. Например, Fe имеет ведущее значение в таежных болотах, но его роль невелика в пустынях.

Наконец, если элемент энергично мигрирует, но не накапливается, он также не является ведущим. Так, Na и С1 энергично выщелачиваются во влажных тропиках из кислой коры выветривания и не являются там ведущими. Только в соляных озерах и солончаках, где Na и С1 мигрируют и накапливаются, они становятся ведущими. Из сказанного следует принцип подвижных компонентов: геохимическая особенность ландшафта определяется элементами с высокими кларками, наиболее активно мигрирующими и накапливающимися в данном ландшафте (А.И. Перельман).

 

 

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.