Лекции_Общая геохимия. Геохимия как наука
 Скачать 6.86 Mb.
|
|
15 - соотношение, выражающее зависимость эквивалентной электропроводности разбавленного раствора бинарного слабого электролита от концентрации раствора Здесь К - константа диссоциации электролита , с - концентрация, λ и λ ∞ — значения эквивалентной электропроводности соответственно при концентрации си при бесконечном разбавлении. Соотношение является следствием закона действующих масс и равенства , (9.2) где α — степень диссоциации. 15 Закон разбавления В. Оствальда выведен в 1888 и им же подтвержден опытным путём. Экспериментальное установление правильности закона разбавления Оствальда имело большое значение для обоснования теории электролитической диссоциации. 107 9.3. Выветривание кислых пород Главным продуктом выветривания гранитов и пород близкого им состава являются глины (табл. 9.1). Разнообразие состава последних отражает в какой-то степени состав тех пород, по которым они возникли. Существуют три гипотезы о происхождении глин Первая предполагает соединение глинозема и кремнезема в растворе, поскольку коллоидные растворы этих соединений имеют разные заряды. Вторая допускает существование коллоидов, отвечающих составу глин. По третьей, наиболее правдоподобной, при избирательном выщелачивании исходного вещества остающийся материал перегруппировывается с образованием глинистого каркаса. Так, вполне вероятна реакция разложения полевого шпата с участием углекислоты О + СО + НО = 2К 2 СО 3 + Al 4 (OH) 8 (Si 4 O 10 ) . НО + ОТ а блица Классификация основных глинистых минералов в осадках (по Э. Дегенсу) Кристаллическое строение Разновидность минерала Формула Двухслойные Каолинит Диккит Накрит Галлуазит Метагаллуазит 16 Бертьерит (Каолиншамозит) Al 2 Si 2 O 7 +2H 2 O АОНА ОН (Si 4 O 10 ).H 2 O (Fe 2 +, Fe 3 +, Al, Mg) 6 (OH) 8 (Al, Si) 4 Трехслойные Монтмориллонит Бейделлит Нонтронит Иллит Вермикулит {(Al 2 _ x Mg x ) (ОН, [Si 4 O 10 ]}-- x Na x .nH 2 O {A1 2 (0H) 2 [(A1, Si) 4 O 10 ]}- A -Na s -nH 2 O {(Fe 2 3 + x Mg x ) (OH) 2 [(Si 4 O 10 ]} -x Na x .nH 2 O (K, H 3 0) Al 2 (H 2 O. OH) 2 .(Al, Si) 3 O 10 (Mg, Fe) 3 (OH) 2 (Al, Si 3 0 10 )Mg. (H 2 0) 4 Трехслойные + один слой Хлорит (разновидности) (Al, Mg, Fe) 3 (OH) 2 -(Al, Si) 4 O 10 Mg 3 (OH) 6 Для образования галлуазита необходимы условия, при которых все типичные основания будут удалены из первичных пород, при этом будет происходить частичный выноси кремнезема. Зато при монтмориллонито- вом типе выветривания в среде, где происходит образование глинистого минерала, удаление ряда оснований будет задерживаться. В случае возникновения иллита, вероятно, будут наблюдаться щелочные условия, определяющие появление калия в его структуре. 16 продукт необратимой дегидратации галлуазита 108 Вермикулит и хлорит образуются по породам с достаточно большим содержанием железа и магния. Широко известны структуры замещения биотита вермикулитом. Однако формирование глин является только первым актом гиперге- неза, за которым может следовать в благоприятных условиях интенсивный вынос кремнезема, приводящий к возникновению бокситов. Например, на Гавайских островах происходило образование монтмориллонита, отвечающего умеренным осадкам. Но при увеличении влажности климата, как и при развитии выветривания, монтмориллонит замещался каолинитом, а в дальнейшем накапливались только окислы алюминия, железа, титана. Подобного рода наблюдение не единично (рис. 9.1). Для выяснения происхождения глин важно установить в них рассеянные количества бора, повышенное содержание которого указывает на морской генезис глин (до 0,02% бора. Рис. 9.1. Зависимость глинистого выветривания от влажности климата (Тугаринов, 1973) Происхождение бокситов всецело связано с выносом кремнезема, при котором глинистые минералы замещаются диаспором 17 , бемитом, гиббситом. Главный фактор, способствующий протеканию этого процесса, - жаркий влажный климат, удерживающийся длительное время в области бокситообразования. Таким образом, бокситы могут возникать по самым различным первичным породам, прошедшим предварительно стадию глинистого выветривания. Частично о характере первичной породы можно судить по рассеянным элементам, накапливающимся в боксите. 9.4. Выветривание известняков Химическому выветриванию особенно подвержены известняки, сравнительно легко растворяющиеся под воздействием поверхностных и грунтовых вод в условиях теплого тропического климата. Известны огромные карстовые полости, расположенные на сотни метров ниже земной поверхности. Одной из важнейших особенностей выветривания известняков является так называемая terra rossa — продукт выветривания, представленный 17 Диаспор- минерал, природный оксигидрат глинозёма AlOOH; содержит 85% Al 2 O 3 и 15% H 2 O. 109 окислами железа и алюминия, накапливающийся в зонах происходящего растворения известняков. Если основной слагающий материал известняков- Са, Mg — выносится в виде бикарбонатов, то более инертные Аи остаются, образуя характерный буроватый ландшафт, типичный для- тропических стран. 9.5. Образование почв Почва состоит из твердой, жидкой, газообразной частей и живых организмов. Твердая часть почвы - это минеральные и гумусовые вещества. Минерль- ная основа это примерно 50-60% от общего объема почвы органическое вещество (до 10 %). Жидкая часть почвы - вода с растворенными в ней органическими ими- неральными соединениями (25-35%). Газообразная часть(почвенный воздух) заполняют поры и пустоты в почве. Почвы образуются в результате проявления на поверхности Земли физи- ко-химического выветривания, деятельности растений и микроорганизмов. Сопоставляя состав горных породи растворенной части солей рек, дренировавших те же районы, Б. Б. Полынов сделал вывод о существовании остаточных элементов и подвижных и предложил миграционные ряды главных элементов (табл. 9.2). Таблица 9.2 Миграционные ряды элементов (по Б. Б. Полынову) Группа элементов Состав компонентов Порядок величины миграции Энергично выносимые Cl, (Br, I), S n.10 Легко выносимые Са. Na, Mg, К n Подвижные SiO 2 (силикатов, М n.10 -1 Инертные (слабо подвижные Практически неподвижные Кварц Хлор обладает самой высокой миграционной способностью если условно принять ее зато у элементов второй группы она будет равна единицам, у третьей — нескольким десятыми т. д. (см. табл. 9.2). Пустыням Средней Азии свойственны сероземы, отвечающие первой группе. Эти почвы содержат карбонаты кальция, соединения серы, хлора. Черно- земы отвечают второй группе, а подзолы — последней группе. 9.6. Инфильрационные месторождения К гипергенезу относятся не только процессы преобразования первичных горных пород. Входе поверхностной миграции водных растворов и их инфильтрации в горные породы могут возникать и рудные залежи и месторождения. 110 Инфильтрационные месторождения — скопление минеральной массы в коре выветривания, образованные продуктами переотложения минерального вещества в процессе его инфильтрации. Инфильтрационные месторождения медных руд возникают в связи с окислением первичных медных сульфидов, переноса возникающего при этом растворимого сульфата меди грунтовыми водами и повторной фиксации металла в виде вторичных сульфидов меди, представленных халькозином и ковеллином. Инфильтрационные месторождения серы образуются под воздействием углеводородов газонефтяных месторождений, инфильтрующихся сквозь толщи гипсов и ангидритов. При этом гипсы и ангидриты восстанавливаются до самородной серы, скопления которой образуют промышленные месторождения Первичные руды урановых месторождений, состоящие из четырёхва- лентных нерастворимых соединений урана, близ поверхности Земли окисляются до шестивалентного состояния. Шестивалентные соединения урана, в отличие от четырёхвалентных, легкорастворимы и мигрируют с грунтовыми водами на глубину. Здесь они вновь восстанавливаются до четырёхвалентной формы и выпадают в осадок, образуя инфильтрационные месторождения. Рассмотрим один из подобных случаев. На протяжении многих лет шла дискуссия о генезисе известных месторождений урана и медистых песчаников плато Колорадо. Однако спустя некоторое время были установлены сравнительно молодые значения возраста смолки, встречавшейся в ряде случаев в виде прожилковых образований, те. урановое оруденение оказывалось в два раза моложе (90 млн. лет) вмещающих пород. Это позволило предположить гидротермальное происхождение руд. В тоже время исследователи обратили внимание на то, что наиболее богатые урановые руды в песчаниках — «роллы» — были приурочены к определенному уровню палеорельефа. Последующее изучение роллов позволило определить генезис этих залежей, получивших название инфильтрационных. Оказалось, что образование их связано снисходящими водами в пределах проницаемых водных горизонтов, содержавших первоначально рассеянные скопления органического вещества, пирита и урана. При движении вод, обогащенных кислородом воздуха, происходило интенсивное окисление первичной минерализации урана в песчаниках (U 4+ →U 6+ ) до тех пор, пока содержавшийся в них кислород не был исчерпан, и тогда воды поступали в песчаник, не вызывая окисления пород. На фронте такого перехода окисленного в неокисленный песчаник создавался экран-барьер, характеризовавшийся резким перепадом Eh раствора от +0,5 до в при рН≈7. Благодаря этому в зоне барьера происходило массовое выпадение халькофильных элементов, урана и частично железа, хотя основная масса последнего замещала сульфидную минерализацию гидроокисями на всем протяжении пласта от барьера до выхода пласта на поверхность. На месторождениях аналогичного генезиса в зоне барьера создалась своеобразная зональность. Так, например, на фронте замещения первичных пород урановыми рудами, несколько опережая урановую залежь, 111 обычно наблюдалась ванадиевая минерализация, ас тыловой стороны урановая залежь содержала большие количества селена (рис. 9.2). Рис. 9.2. Строение «ролла» — урановой залежи инфильтрационного происхождения (Тугаринов, 1973): 1 — урановая залежь 2 — вмещающие породы 3 песчаник, из которого поступал уран. Таким образом, область барьера определяла не только пестрый минеральный состав залежи, но и ее размеры. Л. Н. Белова предложила своеобразную классификацию зон окисления различных урановых месторождений, рассматривающую также их взаимоотношения с первичными залежами (табл. 9.3). Таблица Классификация зон гипергенеза урановых месторождений (по Л. Н. Беловой, 1971 г) Тип первичных урановых месторождении Зоны гипергенеза Силикатно-урановые Сохраняется первичная минерализация руд, зоны вторичного обогащения нет Сульфидно-урановые Зоны слюдок, присутствует мощная зона вторичного обогащения Настуран-иордизитовые Вторичные молибдато-уранилы, зоны вторичного обогащения могут быть, но могут и отсутствовать Первичные свинцовые Присутствует зона окисления свинцово- фосфорно-урановых минералов, первичные руды и зона вторичного обогащения урана отсутствует Урановые в гранитах Зона окисления представлена мощными зонами слюдок, первичная урановая минерализация, как и зона вторичного обогащения, отсутствует Контрольные вопросы Что такое почва Дайте определение термина гипергенез. Назовите главный фактор, вызывающий различные изменения в горной породе Из каких процессов складывается разложение горных пород 112 10. ОСАДКООБРАЗОВАНИЕ В предыдущей лекции мы установили, что в результате процессов выветривания в континентальных условиях происходит накопление глинистых толщ, конечным результатом разложения которых являются бокситы. При выветривании основных пород точно также накапливаются глинистые образования, обогащенные минералами никеля, железа. При гипергенезе рудных месторождений, формировании почв наблюдается следующая закономерность галоиды, сера, марганец, фосфор, щелочные и щелочноземельные металлы выносятся из первичных пород, в то время как глинозем, кварца при некоторых условиях железо и титан, являются остаточными реликтовыми компонентами. Перенос вещества с континентов к месту отложения осадков осуществляется на 20% в виде истинных растворов остальная масса переносится водами в виде суспензий и твердых веществ. Б. Б. Полынов приводит следующие ряды соединений, характеризующих растворенную часть вещества в порядке снижения их подвижности 1) NaCl, КС1, MgSQ 4 , MgCl 2 , CaSO 4 СаС1 2 ; 2) CaCOg, О, Si0 2 ; 3) V, Ni, Fe, Co, Cu; 4) остальные элементы в виде коллоидных соединений. Все известные осадки можно разделить на пять групп 1) остаточные продукты (россыпи, коры выветривания 2) гидролизаты (осадки элементов, подвергающихся гидролизу, — глины, бокситы и др 3) продукты окисления (О, МпО, и др 4) продукты восстановления (сидериты, сульфиды и др 5) продукты химического осаждения (известняки, соли. Мы исключаем из перечня обычно выделяемую группу биогенных осадков, поскольку участие биогенного фактора неизбежно при формировании осадков почти каждой группы. Рассмотрим судьбу Si, Fe, Mn, K, Mg, P и, наконец, рудных элементов в седиментации — это позволит понять основные черты осадочного процесса. Характерно, что при процессах осадкообразования происходит гораздо более полное разделение компонентов, чем при любом ином геологическом процессе. Чистые известняки, чистые кварциты, чистые глины — такой эффект разделения в масштабах земной коры не дают ни процессы магматизма, ни процессы различного метаморфизма. Кроме того, осадкообразование происходит резко дифференциро- ванно в океане (пелагические осадки) и на шельфе (шельфовые и гемипе- лагические осадки. К последним относятся осадки на территории кон глубоководные осадки примыкающих к материкам периферических р-нов океана, образующиеся на средних океанских глубинах 113 тинентов, подвергающихся трансгрессии. Шельфовые осадки несут отпечаток области сноса, поскольку в его пределах осаждаются компоненты, миграция которых затруднена в морской воде, что и приводит к их аккумуляции в прибрежной части океана, непосредственно в дельтовых частях рек. Данные о распространении осадков различных типов в океане приведены в табл. 10.1. Таблица 10.1 Распространение осадков в океане (по А. Полдерваарту) Тип отложений Площадь океана км Пелагические осадки красные глины 102,2 28,3 карбонатные глины 127,3 35,2 кремнистые глины 38,0 10,5 Шельфовые осадки 30,0 8,0 Гемипелагические осадки 63,0 18,0 Общая площадь океана 361,0 100,0 10.1. Осаждение кремния Кремнезем присутствует в морской воде в ничтожных концентрациях г/г, что вызвано двумя причинами. Первая — очень низкая растворимость его природных образований (аморфный кремнезем растворяется сравнительно быстро, кварц - очень медленно. Вторая причина малого содержания кремния вводе связана с биогенным фактором — аморфный кремнезем (опал) идет на постройку скелета диатомовых водорослей, радиолярий, кремневых губок даже трава содержит заметное количество кремния, укрепляющего ее структуру. Поэтому биохимическое извлечение кремния из морской воды является главной причиной низких содержаний кремния в морской воде. Действительно, если нормальная растворимость кремния составляет 0,012% и не меняется при рН = 2-9 (в щелочных условиях возрастает в несколько раз, то реальная концентрация кремния в морской воде не превышает 0,0004% (рис. 10.1). Характерно, что живые водоросли защищают свой кремневый скелет специальными покрытиями из органических соединений или многовалентных ионов. Однако после их смерти на дне океана одновременно с разложением остатков радиолярий или диатомовых водорослей аморфный кремнезем начинает растворяться. Этот кремнезем, мигрирующий в стадию диагенеза, выделяется в виде цемента в сланцах или кремния на растительных остатках. 19 Это частички, которые, прежде чем осесть на дно и стать осадками, долго находятся в толще воды во взвешенном состоянии. К пелагическим осадкам относятся мельчайшие частички красной глины в глубоководных океанических бассейнах, а также кальциевые и кремниевые остатки планктонных организмов, обнаруживаемые в глубоководных районах. К пелагическим осадкам относятся также вулканический пепел, космическая пыль и химические осадки. 114 Рис. 10.1. Растворимость кремнезема вводе реальная концентрация кремнезема в морской воде составляет 4.10 -4 вес. % ) ( Туг а- ринов , 1973) . Причина выделения кремнезема в виде метасоматических образований в стадию диагенеза может быть раскрыта при анализе поведения карбоната и кремнезема в зависимости от колебаний рН среды и температуры окружающей среды. Известно, что с увеличением рН растворимость кальцита (в отличие от кремнезема) заметно снижается. Увеличение температуры при опускании осадка на глубину будет вызывать аналогичное действие - кальцит будет выпадать в осадок, в то время как кремнезем начнет растворяться. При поднятии осадка произойдет обратный процесс — кремнезем будет замещать кальцит. Одной из типичных особенностей кремневых осадков является малое количество в них примесей. Это объясняется тем, что небольшой ионный радиус кремния резко ограничивает возможности его замещения. Присутствие в виде примесей в кремнеземе характерно лишь для бериллия, германия и бора. 10.2. Накопление красных глин Красные глины являются наиболее глубоководными отложениями, покрывающими около 1/4 дна океана. По составу это тонкая смесь монтмориллонита ив меньшей степени каолинита, замещаемая гидрослюдами (иллитом) и хлоритом. Процесс замещения регулирует состав вод океана. Количество органических веществ редко превышает 1%. Окраска красных глин объясняется присутствием гидроокислов железа. Происхождение материала красных глин истолковывается двояко. Это частично твердые частицы, принесенные с суши (в твердой фазе) эоловым либо водным путем, либо гидрогенные выпадения из растворов. Скорость накопления подобного осадка крайне мала. Она составляет доли миллиметра залет, в то время как в окраинных частях океана она достигает 10 см и более зато же время. Перенос ветром продуктов выветривания плотных коренных породили рыхлых аллювиальных, озерных, морских и других отложений. Во взвешенном состоянии пылеватые частицы могут подниматься с восходящими токами воздуха до 3—6 тыс. ми переноситься на сотни и тыс. км Когда энергия ветра оказывается недостаточной для поддержания переноса песчаных и пылеватых частиц, происходит их выпадение из воздуха и аккумуляция, особенно часто перед орографическими препятствиями. Осаждаясь из воздушной среды, в том числе вместе с каплями дождя и со снегом, пылеватые частицы примешиваются к морскими континентальным осадкам разного генезиса, не образуя в таких случаях самостоятельных эоловых накоплений. Поданным советского геолога А. П. Лисицына, пылеватые частицы, выпавшие из воздуха, составляют от 20 до 75% донных осадков океанов вместе сними из воздушной среды осаждаются и различные (карбонатные, хлоридные и др) соли. |