Лекции_Общая геохимия. Геохимия как наука
 Скачать 6.86 Mb.
|
|
10.3. Осаждение железа и марганца Железо и марганец, выступавшие в магматогенных процессах как близкие по своим свойствам элементы, в осадочном процессе резко разделяются. Если в кристаллических породах отношение Mn/Fe составляет 1/25 или 1/50, тов осадочных месторождениях это отношение будет либо близко к нулю, либо будет стремиться к бесконечности. Однако размеры ионов Fe 2+ и Ми их растворимости близки. Рис. 10.2. Диаграмма состояния минералов железа и марганца в координатах Eh — рН (Тугаринов, 1973). Дело заключается в реакции на разные рН и раствора. На рис. 10.2 изображены поля устойчивости некоторых соединений марганца и железа вводе при 25° С, общем давлении атми варьирующих и рН. Из этих диаграмм следует, что гидроокислы железа выпадают в осадок при более низких значениях рН и чем соединения марганца. В тоже время области устойчивости карбонатов железа и марганца весьма сходны, хотя их карбонаты имеют разную растворимость. Следовательно, в условиях карбонатного процесса они будут выпадать вместе. 116 Как мы уже говорили, садка железных минералов происходила с разной интенсивностью в докембрии ив наши дни. Это объясняется присутствием железа в виде его закисных соединений в древнем океане, когда свободный кислород практически еще отсутствовал в атмосфере. Особенно богатые железорудные скопления отмечаются в нижнем протерозое (около 2,5 млрд. лет тому назад. Одно из подобных месторождений (район озера Верхнего, США) было изучено Г. Джеймсом, который выделил следующую фациальную зональность в отложениях руд разного типа. В прибрежной части шло накопление песков, алевролитов и наконец мелкокристаллического гематита, переслаивавшегося с яшмой. Эта фация формировалась в относительно окислительной обстановке (рис. 10.3). Рис. 10.3. Зональность отложения железорудных минералов (по Джеймсу 1 - песок 2 - слюдистый кварцит 3 - сидеритовый сланец 4 -графито-пиритовый сланец и глина 5 - сланец сланец магнетитовый; 7 - силикат. Следующей по мере удаления от берега явилась сидеритовая фация с роговиками. Появление этой фации указывает, по Джеймсу, на незначительное окисление, не приведшее к гематитовой фации. Далее следует кремнево-магнетитовая фация, свидетельствующая о дальнейшем углублении бассейна рудоотложения и, наконец, наступает фация силикатная, представленная стильпномеланом, хлоритом, указывающая на специфические условия ее отложения от слабоокислительных до слабовосстановителъных. Железорудные отложения фанерозоя отличаются от докембрийских отсутствием магнетита и меньшими запасами. Скопления марганца имеются не только на материках (Чиатура, Никополь, но и надне современного океана (до 10 12 тмарганцевых конкреций залегает сейчас на дне только Тихого океана. Рост этих конкреций происходил со скоростью 0,001 мм залет. Поэтому марганцевые конкреции присутствуют только в таких участках океана, где была низкая скорость осаждения вообще какого-либо материала. Окислы железа, входящие в состав конкреций, были способны притягивать растворенный вводе марганец. По мнению НМ. Страхова, железо и марганец, накапливающиеся в океане, всегда занимали промежуточное положение между алюминием, тяготевшим к континентально-береговой зоне, и кремнием, мигрировавшим (в современном океане) далеко в область пелагической части. При этом максимум концентрации железа приходился на область шельфа, в то время как марганец накапливался, в основном, в районе океанического склона. Увеличение солености и рН раствора (вод) способствует тому, что концентрация Mn растет. Интересен факт, что вокруг Балтийского щита в осадках различного времени максимальные концентрации Mn небыли обнаружены. Это объясняется исключительно засушливым климатом, который препятствовал как разложению, таки сносу рудного материала. 10.4. Осаждение карбонатов Третьим типом осадков, накапливающихся в условиях открытого океана и шельфа, являются карбонаты, составляющие до 20% осадочных отложений. Основными минералами их являются кальцит, арагонит, доломит в восстановительных условиях главным образом прибрежных частей океана и на суше (торфяники) может возникать сидерит. Арагонит стечением времени замещается кальцитом. Обычно наиболее близким к насыщению в морской воде является кальцит, с которого начинается седиментация. Поскольку с глубиной в морской воде увеличивается содержание НС, растет рН и снижается температура, глубинные воды океана близки к насыщению СаСO 3 и становятся явно пересыщенными им при перемещении вод из глубин к поверхности океана. Однако, хемогенное отложение карбоната обычно проходит суча- стием живых организмов, ибо зарождению центров кристаллизации арагонита либо кальцита препятствует присутствие в морской воде ионов магния. Эти два обстоятельства являются причиной садки карбонатов в виде карбонатных глин в открытом океане (в экваториальных зонах его дна) ив виде мощных выделений карбоната с сопутствующими им компонентами в зонах шельфа и его склонов. Точно также в тесной связи с подъемом на шельф глубинных вод, обычно обогащенных фосфатом, происходило образование мощных толщ формации Фосфория (США) в области пермских проливов между поднятием Манхеттен, ограничивающим их с запада, и массивом древней Американской платформы, возвышавшейся к востоку от нее. Запасы фосфора Центральные, удаленные от суши р-ны океанов, куда поступает мало терригенного материала и где поэтому возрастает относительная роль биогенного осадконакопления, аутигенного минералообразования, осаждения вулканогенного Это область наименьшего влияния суши на протекающие в море процессы. 118 в пределах этой формации (1,7-10 12 т, в пять раз превышают его запасы в Мировом океане Доломит Са Mg (СО, по экспериментальным данными по отношению (отсутствие магния враз- личных морских организмах, откладывался при более высоких температурах,чем кальцит. Известно также, что доломит являлся составной частью осадков усыхающих бассейнов. Рис. 10.4. Диаграмма роста отношения Ca/Mg с возрастом в карбонатных отложениях Русской и Американской платформ (по А. Б. Ронову и Дж. Чиллингар). Поданным А. Б. Роноваи др, история осадконакопления карбонатных отложений характеризуется постепенным возрастанием отношения Ca/Mg от докембрия до наших дней (рис. Этот эффект трактуется различно разными исследователями. Таким образом, карбонатное осадкообразование оказывается типичным как для пелагических областей, таки для шельфовых морей, в которых к карбонатам примешивались в значительных количествах составляющие органического вещества и рудных компонентов, сними связанных. Осадкообразование в зоне шельфа Особое место в осадкообразовании занимают рудные элементы, накапливающиеся в области шельфа, мелководных морях, отделенных от океана, либо седиментация в небольших проливах и бассейнах континентов, подвергшихся трансгрессии. Эти рудные концентрации металлов, достигающие размеров огромных месторождений, всегда связаны со скоплениями органического вещества - отмершего планктона, либо органического вещества, принесенного с суши, создающего резко восстановительную среду, сероводородное заражение, вызывающее садку халькофильных элементов, а также восстановление и осаждение таких элементов, как железо, уран, германий, ванадий и др. Значительное число медных, колчеданных, железорудных, полиметаллических и урановых залежей обязано своим существованием этому процессу. Благодаря тому, что для области шельфа характерно осаждение рудных компонентов, приходится строго различать ее и сферы открытого океана, как две самостоятельные геохимические зоны, из которых вторая отличается сравнительно постоянным солевым составом и однородностью, в то время как прибрежные бассейны характеризуются специфической окраской в зависимости от поступающего в него компонента с дену- дируемой части континента. Так, например, в большинстве месторождений, образующихся в подобных условиях, обычно наблюдается четкая последовательность в подошве пласта накапливается халькопирит, халькозин, выше следуют галенит и сфалерит (содержание последнего растет в направлении вверх, пока рудный горизонт не сменится известняками с линзами гипса, ангидрита и каменной соли) (рис. 10.5). Подобного рода разрезы характерны для Мансфельда (территория бывшей ГДР, Сумсара (Средняя Азия, Медного пояса (Замбия, Удокана Восточная Сибирь. Сера в подобных аналогичных месторождениях, поданным изотопных исследований, бактериального происхождения (это подтверждается приуроченностью наиболее богатых рудных тел к впадинам древних бассейнов. Характерно, что отложения, предшествующие этим рудным мелководным осадкам, представляли собой красноцветы — следы былой коры выветривания, указывающей на аридные засушливые климатические условия, сменившиеся гумидными. Рис. 10.5. Схематическое строение меденосных сланцев, сопровождаемых свинцом и цинком (Мансфельд, ГДР. 120 Некоторые исследователи обращают внимание на наиболее раннее выпадение меди, указывающее на ее исключительное сродство с серой. Этим, в частности, объясняется наряду с последующим выпадением свинца и цинка обычная смена во внутренней части бассейна меденосных залежей сульфидами железа (пиритом. В этом случае расположение двух зон — меди и железа — строго выдерживается по отношению к береговой линии медь — ближе, железо- дальше (рис. 10.6). Поскольку эта зональность сохраняется затем в слабо метаморфизо- ванном месторождении, был сделан вывод об относительно слабом влиянии диагенеза на распределение сульфидных руд. В другом случаев месторождении Джезказган (Казахстан, рудная минерализация, представленная по крайней мере 20 компонентами, присутствует в 12 горизонтах. Рис. 10.6. Зональное распределение рудной минерализации в осадочном медно- железорудном месторождении (Катанга). Из них главными являются медь, цинк, свинец, серебро и рений. Осаждение руд происходило при активной биогенной генерации сероводорода органическим веществом, присутствовавшим в осадках дельты (до 2,23%). Для Джезказгана отмечается характерная зональность, обусловленная последовательной сменой минерализации вглубь бассейна халькозин- борнит - халькопирит - пирит. Собственно свинцовые месторождения этого типа отличаются избирательной приуроченностью к доломитам, обогащенным органическим веществом. В Средней Азии до 80% всех известных месторождений свинца относится к этому типу. Свинец в доломитах сопровождается также марганцем, цинком, серебром, кадмием, ртутью вбольших количествах, а также барием, стронцием, фтором, присутствующими в тех же толщах в виде самостоятельных минералов — барита, целестина, флюорита. Обычно месторождения этого типа залегают в так называемых иловых впадинах, способствующих развитию сероводородного заражения и засолон е- нию бассейна. 121 Так, в районе месторождения Джергалан были обнаружены пласты- каменной соли в верхах разреза. От береговой линии эти месторождения обычно удалены, так как терригенные осадки среди них отсутствуют. При исследовании 3. В. Студениковой разреза Кавказской геосинклинали была получена характеристика распределения вольфрама и молибдена в осадочных породах. Эти данные показали исключительную приуроченность молибдена к сланцам, насыщенным сульфидами, особенно пиритом, в то время как вольфрам накапливался в основном в известняках независимо от содержания в них органического вещества в виде вольфрамата кальция, рассеянного в массе карбоната. Месторождения урана особенно типичны для пород, отличающихся скоплениями ОВ. Такая же связь характеризует уран с фосфатным веществом, оказавшимся спутником ураноносных фаций, например, в нижнем палеозое. Отмечается четкий парагенезис подобных чисто осадочных скоплений, фигурирующих в различных континентах на протяжении последних млн. лет один из них - U, V, Ni, Mo, Re, С орг и другой — P, Zr, редкие земли, U, Th. Характерно, что при метаморфизме, особенно последнего типа месторождений, парагенезис, хотя и частично нарушенный явлениями переотложения, сохранялся. А. П. Виноградов, характеризуя химический состав пелагических илов, обратил внимание на неравномерность содержания многих компонентов в донных терригенных отложениях вокруг берегов континентов. Так, он привел в качестве примера скопления селена вдоль берегов Калифорнии, золота — вдоль восточного побережья Евразии, урана — у берегов Скандинавии, объясняя это сносом материала с суши. На основе приведенных выше фактов можно сделать вывод, что отложения в области шельфа и на современных материках обогащены металлами и отражают сложную дифференциацию континентального материала, умноженную непрерывно происходящим гипергенезом при главенствующей роли биогенных процессов. В тоже время для океанов, за исключением марганца, мы наблюдаем относительно постоянный состав небольшого набора осадков, лишенных какого-либо скопления рудных компонентов. Вопросы для проверки усвоения лекции Накопление каких пород происходит в континетальных условиях и что является их конечным продуктом Какие химические элементы при гипергенезе рудных месторождений являются остаточными реликтовыми На какие литологические типы могут быть разбиты осадочные образования Какие пелагические осадки в океане имеют наибольшее распространение Чем вызвано низкое содержание кремния в морской воде Какую часть дна океана покрывают красные глины Чем объясняется окраска красных глин 122 11. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ. Геохимические барьеры Геохимические барьеры – участки, где на коротком расстоянии происходит резкое снижение миграционной способности химических элементов, ведущее к их накоплению. Все геохимические барьеры по происхождению делятся на природные и техногенные риса по процессам их образования делятся натри класса механические, физико- химические и биологические. Рис. 11.1. Типизация геохимических барьеров избирательности накопления Наиболее важные типы механических геохимических барьеров аэродинамический гидродинамический фильтрационный. Все эти виды барьеров Вы хорошо представляете и сами легко можете привести примеры таких барьеров (оконное стекло, полоса лесонасаждений, запруда и т.д.) Теперь попробуем разобраться с барьерами при физико-химической миграции. Этот вопрос займёт значительно больше времени, так как физико-химические барьеры значительно более многообразны ив целом оказывают значительно большее влияние на природные процессы концентрации химических элементов. В общем случае физико-химические барьеры приурочены к узким пограничным зонам, где контактируют (соприкасаются) две обстановки, существенно различающиеся ка- кими-либо химическими или физическими параметрами среды и, как следствие, разными условиями миграции химических элементов. При этом обязательным условием, чтобы барьер реально функционировал, является осуществление миграции через них химических элементов, переносимых тем или иным способом (обычно с потоками поверхностных и подземных вод. Если же существует контакт двух контрастных обстановок, через который перенос вещества не осуществляется, такой контакт называют потенциальным геохимическим барьером (то есть таким, который может возникнуть при появлении этого дополнительного условия. Самой по себе смены обстановки для возникновения отчётливо выраженного геохимического барьера тоже недостаточно. Надо, чтобы эта смена была резкой, осуществляющейся на небольшом промежутке. Если же смена условий происходит постепенно, на значительном расстоянии, барьер оказывается как бы размазан в пространстве, и повышение концентраций осаждающихся на нём химических элементов будет незначительным. Но для Типы геохимических барьеров Природные Техногенные Физико- химические Механические Биохимические Физико- химические Механические Биохимии- ческие 123 изучения общей картины миграции химических элементов и такие неявные, размытые барьеры тоже нужно учитывать. Типизация барьеров по масштабами природным объектам их проявления приведена на рис. 11.2. Рис. 11.2. Классификация геохимических барьеров по масштабами природным объектам их проявления По масштабам проявления среди геохимических барьеров существуют макро-, мезо- и микробарьеры. Некоторые типичные примеры таких барьеров рассматривает в своих работах АИ. Перельман. Примером макробарьеров могут служить зоны смешения речной и морской воды в устьях рек, иногда имеющие ширину до первых километров. Эти барьеры являются зонами массовой коагуляции и осаждения коллоидных частиц. Другой случай макробарьера – зоны ап- веллинга (подъёма глубинных холодных вод в океане, обогащённых СО, и их смешения ст плыми прибрежными водами. Пример мезобарьера – краевые части болот, где в болото (восстановительная среда) поступают с окружающих возвышенностей богатые кислородом поверхностные и грунтовые воды. Пример микробарьера – место выхода на поверхность источника с восстановительными водами. Эффективность геохимического барьера определяется его градиентом и контрастностью. Градиент барьера – это скорость нарастания изменения параметров среды по направлению миграционного потока G= m 1 - m 2 /l, где l – протяжённость барьера m 1 и m 2 – геохимические параметры среды дои после барьера параметры любые – кислотность, окислительно-восстановительный потенциал, давление и т.д.). Контрастность барьера – отношение величин геохимических параметров в направлении потока до барьера и после него S= m 1 / Геохимические барьеры Макробарьеры Мезобарьеры Микробарьеры Зона слияния морских и речных вод Смешение глубинных вод с теплыми прибрежными Коагуляция, осаждение колоидов Обогащение углекислотой Краевые части болот Поступление богатых О склоновых и грунтовых вод Источники подземных вод Нейтральные слабощелочные рН Зоны апвелинга 124 Интенсивность накопления химических элементов на барьере увеличивается с ростом контрастности и градиента (случай постепенного изменения параметров среды можно рассматривать как барьер сочень малым градиентом – и отсюда понятно, почему повышение содержания химических элементов будет незначительным. По стабильности своего положения геохимические барьеры подразделяются на подвижные неподвижные. Неподвижные барьеры занимают фиксированное положение в пространстве. Они распространены более широко, так как обычно смена параметров среды связана с изменением каких-то характеристик ландшафта, занимающих фиксированное положение. Подвижные барьеры могут возникнуть в тех случаях, когда сам миграционный поток является причиной изменения химизма среды. Например, поток грунтовых вод, богатых свободным кислородом, проникает вглубь зоны, характеризующейся восстановительной обстановкой. Зона раздела этих сред является геохимическим барьером, истечением времени барьер будет всё более смещаться в направлении движения водного потока. Специфическим типом геохимических барьеров являются двусторонние барьеры. Они возникают в тех случаях, когда через границу раздела обстановок с разными параметрами среды миграция осуществляется попеременно тов одну, тов другую сторону. Тогда барьер будет действовать в обоих направлениях. В зависимости от направленности движения миграционного потока можно выделить барьеры латеральные радиальные. На латеральном барьере миграция происходит по горизонтали, из одного элементарного ландшафта в другой. В этом случае барьеры приурочены к границам ландшафтов, резко различающихся по условиям миграции. Радиальные барьеры связаны с вертикальной миграцией вод, они локализованы внутри соответствующих ландшафтов, на границах раздела сред по вертикали. Важнейшие геохимические барьеры при физико-химической миграции (рис. 11.3). Рис. 11.3. Важнейшие геохимические барьеры при физико-химической миграции Чтобы построить общую систематику физико-химических барьеров, надо учесть хотя бы основные, наиболее распространённые в природе случаи изменения физико-химических параметров среды. Основной средой миграции на Земле является водная среда. Химизм поверхностных и грунтовых вод определяется условиями их формирования. В зависимости от них формируются воды с конкретными параметрами по кислотности и окислительно- восстановительным условиям, поэтому, если учитывать эти два наиболее важных параметра в качестве основных, получим 12 классов вод, которые были охарактеризованы ранее. Мигрируя в ландшафте, эти воды могут попадать в обстановки, характеризующиеся иными параметрами. Если параметры исходных вод разместить в виде столбцов (арабские цифры от 1 до 12), а возможные направления изменений в среде их миграции – по горизон- Физико – химические барьеры Окислительный Восстановительный Кислотный Испарительный Сорбции- онный Термодинамический тали (латинские буквы, обозначающие тип геохимического барьера, получится систематика физико-химических барьеров в форме таблицы (матрицы. Разработана эта классификация АИ. Перельманом. Позднее, АИ. Летувнинкас, внёс в эту классификацию ценное дополнение, показав тёмно-серым цветом клеточки, отвечающие барьерам, существование которых невозможно по определению («запрещённые» барьеры. А светло-серым цветом он выделил клеточки, отвечающие барьерам, существование которых теоретически возможно, но пока они в природе достоверно не выявлены и не изучены табл. 11.1.). Окислительные (кислородные) барьеры (А Такие барьеры возникают на участках резкого повышения Eh среды – окислительно- восстановительного потенциала. Поскольку в условиях земных ландшафтов увеличение Eh обычно связано с увеличением концентрации свободного кислорода (основного окислителя, то можно называть окислительный барьер кислородным, считая эти термины в данном случае практически синонимами. На этих барьерах идут процессы окисления мигрирующих химических элементов. И, если окисленные формы того или иного элемента будут обладать меньшей подвижностью, они будут выпадать из раствора в осадок и концентрироваться на данном барьере. В наиболее типичном варианте окислительный барьер возникает в зоне поступления глее- вых или сероводородных вод в кислородную среду. Но иногда такие барьеры могут возникать ив пределах собственно кислородных обстановок, когда на границе раздела слабо- окислительные условия сменяются резкоокислительными. Поэтому барьеры типа А1-А4 также не являются запрещёнными. Окислительные барьеры очень широко распространены в равнинных ландшафтах, характеризующихся обилием органического вещества. Здесь для грунтовых вод характерна глеевая обстановка, а в местах их выхода на поверхность или на дно водоёма с кислородным режимом (реки, озера) она сменяется кислородной. В местах разгрузки таких вод происходит активное накопление гидрооксидов железа и марганца в виде обохривания грунтов игорных пород (приобретающих характерную ржаво-бурую окраску) или даже формирования железистых и марганцовистых конкреций и стяжений. Нередко такие барьеры возникают в местах выхода глубинных подземных вод по зонам разломов, где в этих случаях наблюдается интенсивное обохривание пород. Своеобразные барьеры возникают в местах выхода на поверхность сероводородных источников или при смешении сероводородных вод с богатыми кислородом грунтовыми водами. При этом сульфидная сера (2 - ) окисляется или до элементарной, нейтральной серы (0), или, что бывает чаще, до сульфатной (с валентностью 6 + ). 2H 2 S + O 2 = 2H 2 O = 2S H 2 S + 2O 2 = В первом случае, если такие условия сохраняются в течение длительного времени, могут формироваться крупные скопления самородной серы (это бывает в зонах окисления на нефтяных месторождениях. Второй случай интересен и важен тем, что он ведёт к резкому увеличению кислотности среды (за счёт образования серной кислоты. |