Лекции_Общая геохимия. Геохимия как наука
 Скачать 6.86 Mb.
|
|
1 6.7. Геохимия метаморфических процессов Для зоны метаморфизма характерен комплекс процессов при повышенных температуре и давлении с участием химически активных веществ, которые приводят к минеральным структурным преобразованиям горных пород. В геохимическом отношении метаморфические породы изучены слабее, чем магматические. Метаморфизм преобразовывает осадочные и магматические породы под влиянием более высоких температур, давлений и активности жидких растворов, чем на поверхности Земли (Н. Л. Добрецов). Ассоциации новообразованных минералов в метаморфических условиях образуют новые структуры, которые соответствуют изменившимся условиям. Таким образом, метаморфизм приводит к частичной или полной перекристаллизации породы с образованием новых структур и новых минералов. Почти все солевые отложения обнаруживают признаки частичной или полной перекристаллизации при погружении на глубину. Вода является основным веществом в действии химически активных растворов при метаморфизме. Она может привносить и выносить материал, растворять и переосаждать. Поэтому в зоне метаморфизма может протекать метасоматоз. Действие воды усиливается в присутствии углекислого газа, борной кислоты, фтористого и хлористого водорода, других веществ, часто магматического происхождения. Вопросы миграции химических элементов с водой детально рассмотрены Д. С. Коржинским. В зависимости от динамики среды выделяется два типа метасоматоза в зоне метаморфизма диффузный и инфильтрационный. При диффузном метасоматозе поровые растворы неподвижны в случае отсутствия перепадов давления. При этом ведущим фактором метаморфического метасоматоза выступает концентрация растворенного вещества. Ионы мигрируют через неподвижные поровые растворы в направлении понижения концентрации. Фильтрационная миграция происходит в зонах дробления, рассланцевания, по микротрещинами зонам тектонических нарушений. Понятие о дифференциальной подвижности компонентов при метасоматозе ввел Д. С. Коржинский – наиболее подвижные элементы с большим ионным радиусом и относительно малым зарядом. Ряд снижения подвижности химических элементов следующий Однако подвижность элементов зависит от многих причини меняется в соответствии с конкретной обстановкой. Мигрирующие элементы перемещаются 206 на разные расстояния, что приводит к возникновению метасоматической зональности. Скорость миграции химических элементов в твердом состоянии ничтожна и протекает путем диффузии через кристаллические решетки минералов. Происходит перемешивание атомов, появляются дефекты в структуре минералов, могут образовываться вторичные пленки замещения в зернах минералов без ка- кого-либо геохимического эффекта (Г. Рамберг, 1952). Сточки зрения термодинамики метаморфизм может быть представлен как превращение одной минеральной ассоциации в другую с меньшей свободной энергией A + B + C → L + M + N. Возрастание давления сдвигает равновесие в направлении уменьшения объема системы, а температуры – способствует эндотермическим реакциям. В общем виде метаморфизм приводит к превращению материала породы в минеральную ассоциацию, обладающую в данных условиях наименьшей свободной энергией. Кинетика гетерогенных реакций разработана недостаточно. Энергия активации – важнейший фактор, определяющий скорость реакции, которая увеличивается при повышении температуры, что приводит к ослаблению связи между частицами фазы, облегчает подвижность реагирующих частиц, снижает энергию активации и ускоряет реакцию. Вещества будут реагировать тем легче, чем мельче зерна и чем лучше они перемешаны, те. мелкозернистые породы метамор- физируются быстрее, чем грубозернистые. Изменение пород под действием повышающейся температуры происходит быстрее, в отличие от понижающейся. 16.8. Метаморфические процессы За основу классификации метаморфических систем следует принимать состояние системы, а не ее генезис, так как многие метаморфические системы по- лигенетические (АИ. Перельман, 1989). Входе метаморфизма может протекать метасоматоз при замещении одних минералов другими, а при частичном плавлении исходной породы – ультраме- таморфизм. В докембрии известны переходные образования при переходе к магмообразованию – мигматиты (сложная горная порода, образовавшаяся из неоднородной смеси магмы и твердой породы. Метаморфизм подразделяется на эндогенный, связанный с недрами Земли, и космогенный, возникающий при ударе метеоритов о земную поверхность с образованием метеоритных кратеров – астроблем. Космогенный (ударный) метаморфизм приводит к образованию особых пород – импактитов, которые испытали температуру в тысячи градусов ивы- сокое давление. Они могут содержать сверхплотные минералы – алмаз, стишо- вит, рингвудит и др. В недрах Земли в зависимости от значения температуры, давления, концентрации ряда веществ в горных породах выделяют следующие виды метаморфизма региональный, контактный, дислокационный (динамометаморфизм, изохимический, аллохимический, прогрессивный, регрессивный, диафторез. 207 Региональный метаморфизм – погружение на глубину и изменение минерального состава и структуры исходной породы. Верхний предел температуры достигает 700–1000 С, давление – десятков тысяч атмосфер (десятков кило- бар. Общие тенденции минералообразования: образование плотных минералов уменьшение роли воды ив минералах с увеличением температуры. По степени интенсивности весь процесс метаморфизма может быть разделен на области с характерными давлением и температурой, которым будут соответствовать определенные минеральные ассоциации. Этим стадиям сих характерными минеральными ассоциациями отвечают фации метаморфизма. Более грубо их делят на фации низкой, средней и высокой ступени метаморфизма. Их называют по характерным минералам либо по облику пород. При развитии регионального метаморфизма выделяют прогрессивный (с повышенными температурой и давлением) и регрессивный (с пониженными температурой и давлением) метаморфизм. Если регрессивный метаморфизм оторван во времени от предыдущего этапа, его называют диафторезом. Он протекает с участием воды, выделившейся на прогрессивной стадии метаморфизма. Региональный метаморфизм охватывает земнуюкору в среднем до глубин км. Рассмотрим стадии регионального метаморфизма, когда трансформируются различные исходные породы карбонатные породы (известняки) → мрамор магнезиальные карбонатные породы → кальцифиры (аналог магнезиальных скарнов) с равномерным распределением форстерита, диопсида, флогопита хемогенно-осадочные породы, богатые Fe, Si → железистые кварциты джеспилиты) – тонкослоистые породы из магнетита, гематита, кварца, иногда щелочного амфибола (рибекит) и некоторых железистых силикатов (ферросилит, фаялит. Они приурочены к докембрийским образованиям (высшая ступень метаморфизма, высокоглиноземистые осадки (бокситы древних кор латеритного типа) → андалузит – кианитовые сланцы (иногда с диаспором), силлиманитовые сланцы, корундосодержащие породы древние россыпи → метаморфизированные золотоносные конгломераты суранитом и самородным золотом торф каменный уголь, антрацит жилы альпийского типа как продукт регионального метаморфизма, содержат горный хрусталь, рутил, адуляр, сфен, апатит, гематит, брукит, цеолит. Контактный метаморфизм (ороговикование). Главный фактор минерало- образования – повышение температуры при низком давлении на контакте между осадочными породами и внедрившимися в них магматическими породами. Контактовые ореолы вокруг массивов изверженных пород в некоторых случаях 208 достигают значительных размеров. Возникают роговики, которые названы так за плотное сложение с оскольчато-раковистым изломом (аналогичным рогу мусковитные роговики (низкие температуры) → амфиболовые роговики (средние температуры) → пироксены (высокие температуры) → спуррит, мервинит очень высокие температуры и низкое давление. Контактовые химические изменения охватывают зоны не только вмещающие толщи, нои внутримассиво- визверженныхпород. Дислокационный метаморфизм (динамометаморфизм) протекает в зонах разломов в условиях локального повышенного или пониженного давления при тектонических подвижках. Он распространен в зонах субдукции (при погружении одной плиты под другую и повышении давления при низкой температуре, а также при коллизионных процессах (столкновении крупных блоков континентальной коры. Их масштабы меньше, чем при региональном метаморфизме, а степень метаморфизма редко превышает амфиболовую фацию. В него входит кластический метаморфизм и метаморфизм нагрузки. Происходит динамическое преобразование горных породи минералов. Кластический метаморфизм приводит к разрывным деформациям пород с дроблением минеральных индивидов. Образуются катаклазиты и милониты. Миграция элементов слабая. Если при повышении давления и температуры элементарный состав твердой фазы породы не меняется и характерен только привносили вынос газообразных продуктов (H 2 O, CO 2 , O 2 и др, то такой метаморфизм называется изо- химическим. При аллохимическом метаморфизме в систему поступают и выносятся из нее не только газообразные, но и растворимые соединения (особенно K, Na, Ca, Mg, Fe), порода сильно изменяется вплоть до полного метасоматического преобразования. Некоторые авторы этот вид метаморфизма считают синонимом гидротермального метасоматоза. 16.9. Химический состав метаморфических пород В зону метаморфизма попадают изверженные и осадочные породы. Поэтому метаморфические породы по химическому составу изменчивы, особенно в зонах действия метасоматоза. Генетически метаморфические породы подразделяются на две большие группы. К первой группе относятся контактово метаморфические образования. Вторая группа пород (кристаллические сланцы и гнейсы). Основными разновидностями метаморфических пород являются гнейсы, слюдяные сланцы, хлоритовые сланцы, тальковые сланцы, филлиты, эклогиты, серпентиниты, квар- циты и др. Активизация аллохимического метаморфизма приводит к изменению первоначального химического состава породы, что связано с привносом или выносом элементов в газовой или жидкой фазе. Диффузия вещества в твердом теле определяется кинетической энергией ионов и наличием дефектов в кристалле. Она протекает при повышении температуры, увеличивает кинетическую энергию иона и степень беспорядка. Это происходит при средне-и высокотемпературном метаморфизме (420–720 С. 209 Глауконитовый сланец и хлоритоидный филлит выделяются повышенным содержанием водорода. Для кварцита характерно минимальное содержание Na, Ti, Fe 2+ , Fe 3+ , Mg и Al; высокое содержание Al ив хлоритоидном филлите. Очень мало калия содержит зеленый сланец. Диабаз выделяется высоким содержанием марганца, а эклогит – Mg и Са (см. табл. 16.2). Таблица 16.2 Состав метаморфических пород, атомных % 16.10. Метаморфизм минералов Значительная изменчивость химического состава метаморфических горных пород не приводит к усложнению их минералогии. Это объясняется устойчивостью некоторых распространенных минералов в широком интервале температур и давлений. Из силикатов для метаморфических пород наиболее характерны цепочечные и слоистые. Их образованию способствует повышенное давление, а структуры допускают замещение одних атомов другими, поэтому они могут формироваться в широкихпределах валового состава пород. Из островных силикатов характерны минералы группы граната и эпидота. Из-за ажурности структуры многие каркасные силикаты неустойчивы в условиях метаморфизма. Химический состав минерала зависит от степени его метаморфизма. В метаморфических породах ведущие элементы земной коры Si, Al, Fe, Mg, Na, K, Ti меняют свои концентрации в минералах в зависимости от температур и давлений. В минералах изменяется также содержание многих редких элементов, что ведет к общему геохимическому эффекту. Редкие элементы изменяют приме- таморфизме свои концентрации в следующих минералах плагиоклазах (Ba, Sr, Rb), биотитах (Ge, Y, Mn), гранатах (Ge, Y, Mn), пироксенах (Ti, Al). 210 Степень насыщенности минералов теми или иными элементами неодинакова. Наименьшей способностью концентрировать редкие элементы характеризуется кварц. Цветные минералы насыщены им в значительно большей степени. Магнетит обладает максимальной способностью концентрировать редкие элементы с малыми и средними ионнымирадиусами. Прогрессивный метаморфизм приводит к дегидратации пород. Движение водных растворов всегда восходящее. Следовательно, выносятся Si, H, K, Na, O и другие элементы из областей высокой степени метаморфизма в области пониженных температур и давлений. В результате региональных метаморфических процессов происходит геохимическая дифференциация вещества литосферы нижние горизонты обедняются и относительно обогащаются малоподвижными элементами. В геохимической дифференциации большую роль играет па- лингенез – образование регенерированных пород путем регионального пере- плавления и анатексис – расплавление твердых горных породи их превращение в магму. Возникающие при ультраметаморфизме расплавы гранитного состава поднимаются в верхние коровые горизонты и приводят к миграции легких гра- нитофильных элементов. Метаморфизм изучает петрология, однако исследование геохимических процесов, химических реакций в системе порода-вода при высоких температуре и давлении предполагает активное участие специалистов в области геохимии. Входе метаморфизма породы частично подвергаются изменению химического состава. Например, серпентиниты, тальк-карбонатные породы по валовому химическому составу отличаются от исходных пород. В них повышено содержание кремния, алюминия. Геохимия метаморфических пород изучена недостаточно по сравнению с геохимией магматических и осадочных пород, так как метаморфические породы практически не выходят на поверхность, а глубокое бурение пока ограничено первым десятком километров. Контрольные вопросы Дайте определение постмагматических процессов. Какие щелочные элементы переносятся в расплавах и растворах в постмагматиче- скую стадию Какие галогениды переносятся в щелочном растворе в постмагматическую стадию Какие летучие компоненты образуются при вулканических возгонах Какой раствор называется пегматитовым Как называется процесс образования метасоматических апогранитов? Основные факторы регионального метаморфизма. 211 17. ГЕОХИМИЯ ТЕХНОГЕНЕЗА 17.1. Ноосфера Часть планеты, охваченная техногенезом, представляет собой особую систему - ноосферу.В.И. Вернадский писал в 1944 г "Ноосфера есть новое геохимическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению стем, что было раньше. Перед нами открываются все более и более широкие творческие возможности. В разработке проблем ноосферы особенно важен контакт с другими науками, в частности с экономической географией, к чему призывал ЮГ. Сауш- кин. Его идеи о преобладании территориальной концентрации над территориальным рассеянием, о поляризации различных участков ноосферы и другие важны и для геохимии ландшафта. Однако, в целом концепция ноосферы разработана слабо. В ноосфере происходит грандиозная миграция атомов. Ежегодно перемещаются миллиарды тонн угля, нефти, руд. Эколого-геохимическая классификация веществ, участвующих в техногенезе, представлена на рис. 17.1. Техногенные воздействия Изъятие веществ из ландшафтно - геохимических систем Привнос веществ в ландшафтно - геохимические системы Без изменения геохимии литологическог о субстрата С изменениями геохимии литологическог о субстрата Геохимически активных Геохимически инертных Токсичных в малых концентрациях Нетоксичных в малых концентрациях Токсичных в больших концентрациях Нетоксичных в любых концентрациях Ухудшающих природную среду Инертных для природной среды Рис. 17.1. Классификация техногенных воздействий (по Н.П. Солнцевой). С экспортом и импортом зерна в мире ежегодно мигрируют миллионы тонн К, сотни тысяч тонн Р и N, что лишь враз меньше ионного стока рек в океан. Н.Ф. Глазовский показал, что вывоз N, Р и К с зерновой продукции только с территории степной зоны России и Казахстана соответствует ионному стоку этих элементов в Каспийское море. По ОП. Добродееву масштабы многих процессов техногенеза значительно рис) превышают природные, ежегодно из недр извлекается больше металлов, чем выносится с речным стоком. Только при сжигании угля освобождается больше металлов, чем выносится с речным стоком (V - враз, Мо - в 35, Св рази т.д.). 212 Энергетика техногенеза. Как ив биосфере, в ноосфере используется текущая солнечная энергия, огромное значение приобретает также солнечная энергия былых биосфер, заключенная в ископаемом топливе - углях, горючих газах, сланцах, нефти. Используется и энергетический источник, чуждый биосфере, - атомная энергия. Поэтому для техногенных ландшафтов характерна еще большая неравновесность, чем для природных, создаются предпосылки для более высокой самоорганизации, хотя незнание ее законов часто приводит к уменьшению устойчивости ландшафтов, деградации природы. Часть используемой в ноосфере энергии производит работу, другая в соответствии со вторым законом термодинамики неизбежно выделяется в виде тепла. Рис. Превышение техногенного перемещения элементов над выносом их речным стоком поданным ОП. Добро- деева) меньше солнечной радиации. Однако в крупных городах техногенное тепло уже достигает 5% от солнечного излучения. Главная причина - отопление жилых домов и промышленных предприятий. По МИ. Будыко, увеличение производства энергии от 5 до 10% в год приведет к тому, что через лет техногенное тепло будет соизмеримо с величиной радиационного баланса земной поверхности. При этом могут произойти громадные изменения климата. Месторождения угля, нефти и газа отрабатываются за десятки лет. В результате углерод снова соединяется с кислородом и входит в состав СО. Ежегодное потребление угля и нефти добавляет в атмосферу дох т СО. При современных темпах через 50 лет содержание СО удвоится и температура земной поверхности за счет парникового эффекта может повыситься на С. К техногенным парниковым газам относятся также метан, закись азота, фреоны, озон и др. В результате парникового эффекта возможно частичное растопление льдов Антарктики и Арктики, затопление приморских низменностей и другие положительные и отрицательные последствия. С распашкой почв, дроблением пород, руд и т.д. связано запыление атмосферы, которое может способствовать похолоданию климата. В этом же направлении действует вулканизм. 0 10 20 30 40 50 60 Разы 213 |