Геохимия гипергенных процессов.

Гипергенез – изменения горных пород, происходящие на поверхности Земли. Область гипергенеза охватывает первые десятки, местами сотни метров земной коры. Гипергенез протекает в интервале температур от – 60 до + 60 °С и давлений 1–25 атм при высокой концентрации кислорода, углекислого газа и воды. Измененные гипергенные породы увеличиваются в объеме по сравнению с исходными. Минералы глубинных горных пород разрушаются в той же последовательности, в какой происходила их кристаллизация из расплава: оливин, пироксен, амфибол, полевой шпат, кварц. Соответственно основные породы выветриваются быстрее кислых. Образование конечных минеральных форм происходит через ряд метастабильных форм. Устойчивые минеральные формы в условиях Земли – оксиды.

Основными источниками энергии гипергенных процессов являются энергия Солнца и гравитационная энергия положения. Породы трансформируются в песок, глину, коллоиды, оксиды и гидроксиды. Создаются условия для выноса химических элементов с континентов и аккумуляции их в океанах. Химический состав пород более разнообразен, чем в зоне глубинных (гипогенных) геохимических процессов. Формируются крупные промышленные месторождения железа, марганца, алюминия и других металлов. Здесь сосредоточены разнообразные месторождения нерудного сырья, горючие полезные ископаемые. Перенос химических элементов осуществляется химическим, механическим и биогенным путем. Ведущие химические элементы (O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K) земной коры перераспределяются с образованием новых минеральных ассоциаций.

Ведущими геохимическими процессами в зоне гипергенеза являются окисление, восстановление, гидролиз, гидратация, сорбция, карбонатизация, механическая и химическая денудация, осадконакопление, галогенез. Их активизация определяется климатическим и тектоническим факторами. В зоне гипергенеза проявляют себя механический, физико-химический и биологический барьеры. Среди физико-химических барьеров активны кислый, щелочной, нейтральный, окислительный, восстановительный глеевый и с сероводородом, сорбционный, испарительный, термодинамический. Они могут сочетаться в зависимости от водного и температурного режимов природной зоны.

В гумидном климате полнее протекают процессы выщелачивания, растворения, гидролиза и миграции. Органические соединения создают восстановительные условия.

В аридном климате миграция элементов слабо выражена. Преобладают окисление и гидратация. Концентрируются щелочи, мало органических кислот. Формируется щелочная реакция, которая содействует переходу в растворенное состояние Si, Al, Cr, V в форме Na2SiO3, NaVO3 и т. д. Щелочные элементы (Na, K, Ca и др.) в реакции с СО2 образуют карбонаты, в присутствии которых формируются легкорастворимые комплексные соединения Sc, Y, U, Th, Cu, Nb, Ta.

Тектонический фактор приводит к перегруппировке элементов и их соединений между платформами и геосинклиналями.

На платформах процесс выветривания протекает длительное время. Породы разрушаются, и химические элементы переносятся на значительные расстояния. Глубокий процесс выветривания обусловливает преобладание хемогенного материала над обломочным. Мощность осадочных пород на платформах незначительная. Здесь характерны следующие формации: чистых кварцевых песков и песчаников; в гумидном климате – каолинитов, в аридном – монтмориллонита; известняков, реже доломитов. Железорудные формации представлены озерными и болотными рудами, железистыми корами выветривания; бокситами среди песчано-глинистых пород. В переходной зоне геосинклинали – соленосные и нефтематеринские формации.

В геосинклиналях процесс выветривания и преобразования пород протекает быстро. Породы привносятся и отлагаются с неполным разложением материала; обломочный материал преобладает над хемогенным; мощность отложений большая; крупные частицы осаждаются механическим путем; коагулируются коллоидные растворы; образуются осадки из перенасыщенных растворов.

Особенности гипергенеза заключаются в соприкосновении различных геосфер (гидро-, лито-, био-, атмосферы), где происходит грандиозный процесс перегруппировок химических элементов, их миграция и осаждение.

 

 

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.

Способность воды хорошо растворять многие соединения, обусловлена полярностью ее молекул, большим дипольным моментом, высокой диэлектрической проницаемостью. Вода обладает амфотерными свойствами, выступая в роли кислоты и основания.

Она выступает в роли окислителя, восстановителя, гидратируется, гидролизует минеральные и органические соединения. Для воды характерны такие аномальные показатели, как теплоемкость, скрытая теплота плавления и испарения, поверхностное натяжение, диэлектрическая постоянная.

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.

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.

Рост температуры ослабляет структуру воды, а рост давления – усиливает ее. Граничные значения температуры, при которых происходит структурная смена воды: 0 °С, 4 °, 40 °, 85 °, 165 °, 225 °, 340 °, более 400 °С. Граница зоны гипергенеза связана с температурой 40 °С, выше которой выделяется зона гидротермальных процессов. В жидком состоянии чистая вода не может быть при температуре выше 374,1 °С, а сильно минерализованная – выше 450 °С. При температуре выше 450 °С вода переходит в газовое состояние, однако при высоком давлении водяной пар ведет себя как жидкая вода, а молекула ее ассоциирована. Такие газово-жидкие растворы относят к флюидам.

Рыхлосвязанная вода в порах горных пород называется поровым раствором. При тектонических движениях поровые воды отжимаются из пород или втягиваются в породу. С этим явлением связано формирование химического состава подземных вод, рудообразования, нефте- и газообразования.

С разложением и синтезом воды связаны преобразования пород и минералов. Взаимодействие воды с породами приводит к разложению ее молекул и связыванию их частей разными минералами – глинами и карбонатами.

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 воздействием растворенных в ней газов: O2, CО2, H2S и др. В зоне гипергенеза в водах преобладают Ca, Mg, Na, HCO3, SO4, Cl.

Большинство металлов в воде находится в форме полимерных ионов, комплексных соединений с анионами. В воде мигрируют недиссоциированные молекулы.

Геохимия вод невозможна без участия органического вещества.

Таким образом, минерализация воды, химический состав, температура, давление, рН, Eh, органическое вещество, диэлектрическая проницаемость и другие свойства воды – мощные геохимические факторы, через которые проявляется геохимия гидросферы, влияющая на формирование месторождений.

Химические элементы могут мигрировать в разнообразных формах с водой, которая определяет их способность к концентрации и образованию месторождений полезных ископаемых. В зависимости от формы переноса Н. М. Страхов выделил четыре группы веществ.

К первой группе относятся легкорастворимые соли, представленные хлоридами и сульфатами: NaCl, KCl, MgSO4, MgCl2, CaSO4, CaCl2. Они присутствуют в речных водах в виде истинных растворов.

Вторую группу компонентов речного стока образуют карбонаты щелочноземельных металлов CaCO3, MgCO3, Na2CO3.

Третью группу составляют соединения Fe, Mn, P и некоторых редких элементов (V, Сr, Ni, Co, Cu и др.). Они образуют истинные и коллоидные растворы.

К четвертой группе относятся кварц, силикатные и алюмосиликатные минералы. Растворимость их в воде ничтожна, поэтому переносятся в виде взвеси и грубозернистого материала. Глинистые минералы и цеолиты мигрируют во взвешенном состоянии, расщепляясь на чешуйки.

По химической природе морская вода противоположна речной: в морской воде – Na > Mg > Ca и Cl > SO4 > CO3; в речной – Ca > Na > Mg и CO3> SO4 > Cl.

Большинство щелочных и щелочноземельных элементов присутствуют в океанической воде либо в виде свободных катионов Na+, K+, Mg2+, Ca2+, либо в виде не полностью диссоциированных на ионы молекул типа MgSO4, CaSO4. Многие элементы представлены в виде гидроксидов, сорбированных на частицах тонкой минеральной взвеси. Органические соединения иногда могут удерживать некоторые элементы в растворе.

Галогены находятся в виде элементарных анионов, другие элементы (S, B, P) – в виде оксианионов типа SO42–, B4O72–, PO43–, HPO42–.

Содержание газов, растворенных в воде, зависит от времени года. Летом воды отдают газы (CO2,O2) в атмосферу, зимой – их поглощают. Количество растворенного кислорода зависит от массы живых организмов, поглощающих кислород, и водорослей, его выделяющих. Пресные воды растворяют в себе больше газов, чем соленые океана. С повышением температуры и солености количество растворенных газов убывает.

Время пребывания элементов во взвешенном, ионном состоянии в воде различно. Нахождение натрия сопоставимо с возрастом океана, что указывает на его пониженную реакционную способность. Распространенные K, Ca, Mg содержатся около 107 лет, Mn – 1400 лет. Наиболее короткое время пребывания имеют Si и Al. Металлы из воды удаляются путем осаждения, адсорбции сульфидом железа, оксидом марганца и глинами или в результате деятельности организмов.

Материковые воды (ледники, озерные, болотные, речные, подземные, термальные вулканических областей) в основном формируются за счет атмосферных осадков, часть их инфильтруется, пополняя подземные воды. Они соприкасаются с породами, живыми организмами, атмосферой, поэтому компонентный состав материковых вод аналогичен океаническим. Основной химический состав материковых вод гидрокарбонатно-кальциевый. Минерализация материковых вод испытывает сезонные колебания: зимой минерализация выше, чем в период половодий, сезона дождей или таяния ледника. В зонах избыточного увлажнения воды могут быть ультрапресные. Озера гумидной зоны имеют пресные воды, аридной – соленые, чаще хлоридно-сульфатные.

Подземные воды изменяются от пресных до соленых, некоторые бассейны их изолированы водонепроницаемыми осадочными породами и содержат очень мало свободного кислорода.

Грунтовые воды – источник питания многих рек, содержат растворенный кислород, поэтому могут окислять сульфидные руды. Минерализация их повышается в направлении север–юг, соответственно изменяется кислая реакция в тундре на нейтральную и слабощелоч- ную в зоне пустынь.

Под воздействием солнечной радиации воды гидросферы находятся в непрерывном круговороте, поэтому все геосферы Земли связаны между собой. Ежегодно производится большая геохимическая работа по растворению, переносу и осаждению минеральных и органических компонентов. Океаны являются основной зоной формирования осадочных отложений.