Изотопы кислорода и их практическое значение

Позднее работами Виноградова и его группы было доказано, что зависимость изотопного отношения от возраста свинца сложнее. Эти отношения зависят не только от времени, но и от содержания в породах и магме урана и тория.

Считается, что 1 млрд. лет назад и древнее, содержания урана и тория были равномерными в земной коре. После начала дифференциации земной коры и накопления урана и тория их закономерность нарушилась.

Аномальные свинцы– те свинцы, которые отклоняются от средней кривой накопления радиогенных свинца в земной коре в зависимости от времени. Применение:

1. Определение возраста пород, руд;

2. Решение задач генезиса для выделения однотипных месторождений, рудных полей в пределах провинции;

3. При выделении нескольких генераций руд одного месторождения;

4. При изучении признаков повторной мобилизации вещества.

Выделяют 3 группы эндогенных месторождений:

1. Центрального положения – изотопный состав серы сходен с составом серы метеоритов, σS³⁴=0 -4%о;

2. Обогащенные либо легкой, либо тяжелой серой на большие разбросы значений (ликвационное месторождение Норильска σS³⁴=8-9%о — причина в ассимиляции рудоносной интрузиями девонской области с пластами ангидритов, у которых σS³⁴=18%о;

По изотопам серы можно определять температуру образования минералов.

Халькопирит-пирит

Если ΔσS³⁴=2%о, следовательно температура 200^оС;

Если ΔσS³⁴=1%о, следовательно 850^оС.

Пирит-галенит

Если ΔσS³⁴=4%о, следовательно температура 250^оС;

Если ΔσS³⁴=3%о, следовательно 350^оС.

ЛЕКЦИЯ №12

Основи геохімії систем. Геохімія магматичних систем і процесів

1. Магма, ее дифференциация и кристаллизация.

2. Основные черты геохимии ультраосновных и основных пород.

3. Основные черты геохимии пегматитов.

Геохимия магматического процесса по современным представлениям может быть представлена в следующих чертах.

В результате первичного разделения вещества Земли, согласно идеям Гольдшмидта и других ученых, образовалось металлическое ядро (железное), сульфидно-окисный слой и силикатная оболочка. Средний состав силикатной оболочки – литосферы – вероятно, был более основным, чем базальты, приближаясь к составу каменных метеоритов, т.е. к перидотиту.

Магма – сложная система с резко меняющимся содержанием воды, летучих и прочих компонентов, находящаяся в стадии расплавления и имеющая силикатный состав. Температура – 800-1200^оС. Магма обладает подвижностью, свойственной жидкому веществу. По данным Кларка и Вашингтона магма имеет следующий средний химический состав (%):

SiO₂ – 59.14

Al₂O₃ – 5.34

Fe₂O₃ – 3.08

FeO – 3.8

MgO – 3.49

CaO – 5.08

Na₂O – 3.84

K₂O – 3.3

H₂O — .15

TiO₂ -1.02

По данным Дели 95% всех интрузивных пород — это граниты и гранодиориты, 98% эффузивных пород – базальты и пироксеновые андезиты. Исходя из этогоФ.Ю.Левинсоном-Лессингом был сделан вывод о существовании двух первичных магм – кислой и основной. Большинство петрологов склонны считать все горные породы производными от базальтовой магмы, этот базальтовый слой находится в стекловатом или кристаллическом состоянии и может расплавляться, давая базальтовую магму (теория единой материнской магмы – базальтовой). В последнее время появляются гипотезы о существовании 3 материнских магм.

Исходя из единой базальтовой материнской магмы, все многообразие магматических горных пород объясняется дифференциацией, т.е. разделением магмы, которое приводит к разделению вещества и миграции атомов. Без дифференциации исходной магмы мы бы не имели всего разнообразия горных пород, а получили бы лишь габбро для интрузивной фации и базальта – для эффузивной.

Важные факторы миграции при магматическом процессе: гравитационные, концентрация вещества, температура, давление. Сила гравитации является универсальной и постоянной величиной, переменными факторами будут температура и давление. Температура магмы постепенно понижается; концентрация веществ в магме, вследствие выпадения некоторых из них в твердую фазу, меняется; давление вначале меняется незначительно, затем с накоплением в расплаве газообразных веществ сильно возрастает, а при благоприятных тектонических условиях (глубокие разломы) может сильно понизиться.

Каждое равновесное состояние магмы будет характеризоваться определенными величинами температуры, давления, и концентрации – изменение каждого из них приведет к нарушению равновесия, т.е. вызовет дифференциацию.

Причины дифференциации:охлаждение (основная) – изменение температуры; ассимиляция (изменение концентраций); дестилляция (изменение давления).

В результате взаимодействия факторов миграции атомов в магме возникают различные процессы дифференциации, главными из которых, по классификации Ф.Ю.Левинсона-Лесинга, будут: кристаллизационная (главная); ликвация; концентрационная; ассимиляция; смешение магм.

Ликвация.В некоторых случаях дифференциация может совершаться под влиянием ликвации, важная роль которой признается рядом исследователей. Стало общеизвестным, что при охлаждении сульфидно-силикатного расплава, он может расслаиваться на 2 несмешивающиеся жидкости – сульфидную и силикатную (месторождения медно-никелевых руд и др.).

Д.П. Григорьев в 1937 г. доказал, что при температуре 1250^оС и последующем охлаждении могут возникнуть 2 несмешивающиеся жидкости – тяжелая и легкая, при условии, если первичный состав был следующим (силикатным) – SiO₂, Al₂O₃, MgO, K₂CO₃, CaF₂ и др. Тяжелая (основная) жидкость собирается внизу – MgO, CaO, Mg₂O, а легкая (кислая), образует верхний слой – SiO₂, K₂O, KF. Было установлено, что несмешиваемость зависит в данном случае от фтора – если фтор отсутствует, расплав такого же состава застывает в совершенно однородную массу, без всяких следов дифференциации. Поэтому, для ликвации силикатного расплава требуется наличие легколетучих компонентов – фтора, бора, воды и др.

Концентрационная дифференциация. Кроме ликвации, разделение жидких фаз может происходить и другим путем – путем концентрационной дифференциации, под влиянием термических токов или согласно правилу Соррэ: концентрация возрастает в более холодных частях раствора и проявляется в краевых частях массива.

Отжимание. По Боуэну, Дели и Харнеру отжимание имеет очень большое значение. Этот процесс заключается в отжимании жидкой части магмы от уже выделившихся кристаллов (фильт-прессинг), главная роль здесь принадлежит давлению. Левинсон-Лесинг на основе экспериментальных данных отрицал такую возможность, так как считал, что отжать жидкость от кристаллов, между которыми она заключена, невозможно без раздробления последних, но в структурах пород подобного раздробления не наблюдается.

Ассимиляция. Важную роль при кристаллизации магмы играют такие факторы, как изменение концентрации, присоединение новых химических соединений (вплавление, ассимиляция). Ассимиляция – это процесс усвоения магмой вмещающих пород. Она приводит к изменению одного из основных факторов равновесия системы – концентрации тех или иных веществ.

Х.М.Абдуллаев придает явлениям ассимиляции гранитными интрузиями пород, богатых кальцием, магнием и железом, решающее значение в дальнейшей эволюции этих магм. Он считает, что при этом образуются различные сложные интрузивные комплексы кислой магмы, с которыми могут быть связаны свои особые генетические ряды постмагматических месторождений. Он допускает также, что в ряде случаев ассимилированные гранитной магмой породы могут быть источников обогащения этой магмы некоторыми металлическими элементами. На основании этого он выдвинул гипотезу ассимиляционной металлогенической специализации магм и постмагматических растворов, в которой основная роль придается влиянию окружающих пород.

По закону действия масс и правилу фаз Гиббса понижение температуры неизбежно сопровождается переходом части вещества из жидкого состояния в твердое.

При кристаллизации магмы наблюдается тенденция к выпадению минералов в определенном порядке.

Последовательность кристаллизации магмы, в основном, определяется правилом Розенбуша – первыми выделяются рудные и темные минералы, затем светлоокрашенные,и весь процесс заканчивается выделением кварца. Это правило было дополнено Боуэном так называемой реакционной схемой:

Оливин кальциевые плагиоклазы (анортит)

Магнезиальный пироксен (ромб.) кальций-натриевые плагиоклазы

Магний-кальциевый пироксен (монокл.) натрий-кальциевые плагиоклазы

Амфиболы натриевые плагиоклазы (альбит)

Биотит

КПШ

Мусковит

Кварц

На основании экспериментальных исследований и наблюдений в природе Боуэн установил, что каждый вышестоящий минерал выделяется из расплава раньше нижестоящего, а нижестоящий получается при взаимодействии первого с оставшимся расплавом. Правая ветвь представляет непрерывный реакционный ряд плагиоклазов; левая – прерывистый реакционный ряд оливинов, пироксенов, амфиболов и биотитов. Из этого вытекает, что, во-первых, при кристаллизации магм наблюдается тенденция к выпадению минералов в определенном порядке, согласно реакционному ряду, и во-вторых, минералы исчезают в том же порядке, в каком и появляются.

В реакционном принципе Боуэна находит отражение закон Освальда: вначале выпадают минералы, которые при понижении температуры и давления становятся неустойчивыми; путем последовательных реакций с расплавом они постепенно переходят в стабильные при данных физико-химических условиях минералы.

Т.о., принимая базальтовую магму за первоначальную, исходную для всех горных пород и считая кристаллизационную дифференциацию основной, а также согласно идеям Боуэна, Гольдшмидта, Ферсмана и других ученых получаем такую общую схему дифференциации:

Габбро (У/о и о магма)– Диоритовая (средняя) магма – Гранитная (кислая) магма– водные растворы

Таким образом, в процессе дифференциации родоначальной магмы она распадается на отдельные магмы, которые по содержанию кремнезема разделяются на ультраосновные, основные, средние и кислые.

При кристаллизации магм выпадение твердых фаз (минералов) определяется законом действующих масс и растворимостью компонентов. Поэтому а магме, богатой магнием и железом, порядок кристаллизации соответствует последовательной смене оливин – ромбический пироксен – моноклинный пироксен – амфибол – биотит – мусковит – кварц. В магме, богатой щелочами и алюмосиликатными компонентами, полевые шпаты и фельдшпатоиды выделяются раньше темноцветных минералов (пироксенов, амфиболов, слюд), что соответствует агпаитному ходу кристаллизации. В сильно пересыщенных кремнеземом магмах первым нередко выделяется кварц (например, в кварцевых порфирах).

Выделяют 3 этапа кристаллизационной магмы:первичный (протокристаллизация), главный (мезокристаллизация), остаточный (телокристаллизация).

Прежде всего из расплава выкристаллизовуются рудные минералы (магнетит, апатит, титанит и др.); затем – ортосиликаты магния и железа (оливин). Оставшаяся магма обогащается кремнеземом, щелочами, кальцием и алюминием. Попутно с ведущими элементами первичной кристаллизации выделяются и некоторые другие, более редкие – хром, никель, платина, сера и др.

В главный этап кристаллизации (мезокристаллизация) из магмы выделяются наиболее часто встречающиеся в природе силикаты – полевые шпаты, слюды и др. При этом, согласно реакционного ряда, кальций переходит в твердую фазу быстрее натрия, плагиоклазы становятся более кислыми, КПШ выпадает после плагиоклазов. При высоких температурах возможен изоморфизм калия и натрия, поэтому ортоклаз может иметь изоморфную примесь альбита, который выделяются потом, при более низких температурах – образуются пертитовые прорастания ортоклаза альбитом. Такой распад изоморфный смесей (твердых растворов) называется дистетикой.

Атомы, которые не выделились на первом и втором этапах кристаллизации, сохраняются в расплаве и участвуют в конечной кристаллизации. При этом в магме накапливаются, кроме кремния и натрия, значительное количество воды, фтора, хлора, бора, редких земель и редких элементов (литий, бериллий, тантал, ниобий, цезий и др.). Накопление этих элементов происходит до тех пор, пока их концентрация в расплаве не достигнет предела, определяемого растворимостью этих элементов – при достижении этого предела начинается кристаллизация минералов, образованными редкими элементами.

Продукты протокристаллизации– основные и ультраосновные породы, мезокристаллизации– диориты, гранитоиды, гранодиориты, телокристаллизации– пегматиты. Наибольшее практическое значение имеют породы прото- и телокристаллизации.

Т.о., в процессе дифференциации исходной базальтовой магмы образуются продукты, различные по количественному содержанию составляющих их химических элементов.

Основные тенденции процесса дифференциации:

— в ходе дифференциации увеличивается количество окислов Si, К и Na, а содержания Fe, Mg, Ca, Al – убывает;

— растет содержание одновалетных и убывает содержание двухвалентных элементов. Поэтому, в ходе дифференциации наблюдается тенденция к обеднению расплава элемента четных валентностей и обогащение расплава нечетными элементами (исключение кремний и частично алюминий);

— в ходе дифференциации происходит накопление редких элементов. Окончательный продукт такого накопления характерен для гранитных пегматитов.

На первой стадии эволюции единой базальтовой магмы образуются основные и ультраосновные породы. По Ферсману все элементы протокристаллизации можно разделить на 4 группы:

1. ведущие – Mg, Si, O, Ti, Fe, Ni, Cr

2. главные — C, Na, Al, P, S, (Cl), Ca, V, Mn, Co, Pt, Ru, Os, Ir и другие

3. второстепенные — (H), Sc, Cu, Zn, Ge, As, Pb, (Sb), (Hg), Te, Ag, Au

4. акцессорные — K, Sr, Zr, Nb, Ta, W, Re, (Sn), Mo

__- элементы с четными номерами

( ) – элементы, которые участвуют в процессе, но не находятся в минералах.

Т.о., в продуктах протокристаллизации накапливаются, в основном: 1.элементы с четными номерами (более 97%), имеющие устойчивые ядра и большие кларки; 2. в основном, литофилы и сидерофилы и элементы семейства железа, реже – группы платины; 3. преобладают 2 и 4-х валентные элементы с малыми ионными радиусами; 4. накапливаются ионы с высокими значениями ЭК и, соответственно, с высокими значениями энергии кристаллической решетки. С этим связана техническая ценность этих минералов:

— Высокая твердость – алмаз, хромит;

— Химическая стойкость – алмаз, асбест, корунд, платиноиды;

— Огнеупорность – корунд, хромит, графит.

При протокристаллизации широко развиты явления изоморфизма:

Изовалентный изоморфизм – магний замещается железом в оливине; железо марганцем – в авгитах; железо и магний замещается никелем и кобальтом в оливине. Характерны взаимные замещения элементов-платиноидов.

Гетеровалентный изоморфизм – скандий замещает магний в решетках силикатов; установлено присутствие тантала и ниобия в минералах титана; железа, меди, никеля – в самородной платине и т.д..

Образующиеся при высоких температурах твердые растворы в зонах гипергенеза неустойчивы и распадаются, происходит разделение изоморфных примесей. При выветривании магний-железистых ультраосновных пород происходит обособление железа в виде гидроксидов, магния — в виде карбонатов, никеля – в виде силикатов. В зоне гипергенеза происходит разделение никеля и кобальта, которые в условиях магматических процессов были тесно связаны

Для важнейших минералов протокристаллизации установлен следующий ряд по времени их образования:

оксиды титана и железа – оливин – пироксен – амфибол – слюды – полевые шпаты – группа хлоритов — тальк.

Образование минералов протокристаллизации в общих чертах идет в порядке постепенного уменьшения твердости (от 7-9 до 1), уменьшения плотности, выпадения катионов из расплава идет в сторону понижения ЭК, т.е. в направлении уменьшения валентностей и увеличения радиусов ионов.

Согласно Ферсмана А.Е., в результате дифференциации первичного магматического расплава могут образовываться различные частные магмы, в том числе и остаточная гранитная. Она будет отличаться от исходной магмы более высоким содержание кремнекислоты, щелочей, летучих компонентов и редких элементов. Из гранитной магмы выделяются летучие вещества, которые дают начало пневматолитовым и гидротермальным процессам, из нее выкристаллизовывается большая часть элементов в форме минералов- полевых шпатов, слюд, кварца и др., образующих граниты. Но остается еще флюидно-надкритический остаточный расплав, при кристаллизации которого образуются пегматитовые жилы.

Пегматит – жильное тело, в основном связанное с магматическим гранитным остатком, главная часть кристаллизации которого лежит в пределах 700-350^оС. К характерным особенностям гранитных пегматитов относится письменная структура, которая получается при одновременной кристаллизации из расплава полевого шпата и кварца («еврейский камень»).

В настоящее время выделяют пегматиты:

1) слюдоносные. Они формируются на глубинах свыше 6 км и состоят из плагиоклаза, микроклина, кварца, мусковита, биотита, шерла, граната, апатита, берилла. Близкие по условиям образования пегматиты, состоящие, в основном, из полевых шпатов и кварца, называются керамическими.

2) редкометальные. Они образуются на глубинах 6-4 км от поверхности и состоят из микроклина (нередко амазонита), кварца, альбита, сподумена, мусковита, лепидолита, берилла, цветных и полихромных турмалинов, колумбита, танталита, касситерита, поллуцита, топаза и др.

3) хрусталеносные, образующиеся на глубинах 4-3 км. Они состоят из микроклина, альбита, кварца, мусковита, биотита, а в полостях-занорышах – из топаза, ювелирного золотистого берилла, оптического флюорита, аметиста и пьезооптического горного хрусталя.

Процесс кристаллизации пегматитов состоит из отдельных стадий, обусловленных резкими изменениями физико-химического равновесия в среде, богатой летучими соединениями, с частичным растворением ранее выделившихся компонентов.

По Ферсману выделяют следующие геофазы пегматитового процесса:

Геофаза В: 800-700^оС – образуются контактовые зоны отделенных от вмещающих пород пегматитов, структура – аплитовая (мелкозернистая). Содержат гранат и магнетит.

Геофаза С: 700-600^оС – образование письменных гранитов.

Геофазы D-Е: 600-500^оС – пегматоидные образования (флюидно-газовые). Минералы характерные для пегматитовых жил– мусковит, берилл, топаз, дымчатый кварц, полевые шпаты, турмалин (шерл).

Геофазы F-G: 500-400^оС – надкритическая зона (флюидно-гидротермальная). Образуются пневматолитовые минералы – рубеллит, зеленые слюды и др. с характерными замещениями ранее образовавшихся минералов.

Геофазы H-K: 400-50^оС – гидротермальный процесс. Характерны вначале зеленые слюды, потом сульфиды, под конец — карбонаты, цеолиты.

Геофаза L: 50-0^оС – гипергенная. Образование глинистых вторичных минералов – вторичный кальцит, халцедон, вторичный кварц.

Власов К.А. показал, что процесс образования сложных пегматитов, содержащих редкометальные минералы, удобно разделить на 4 стадии и выделить 4 типа пегматитов

Классификация Власова (для пегматитов, содержащих редкометальные минералы)

1. Мелкозернистые (аплитовые) пегматиты – характеризуют начало пегматитового процесса, когда полевые шпаты и кварц кристаллизуются почти одновременно, образуя письменные структуры («еврейский камень»), а также равномернозернистые выделения, без каких-либо явлений замещения. Эти пегматиты характерны для маломощных жил, где при малом количестве летучих соединений быстрее падает температура и быстрее идет кристаллизация. Этот тип располагаются в самых низких частях крутых жил, поскольку летучие соединения поднимаются выше, где и дают пегматиты следующих типов.

2. Крупнозернистые полевошпатовые (блоковые) пегматиты – из остаточного расплава-раствора кристаллизуются крупные полевые шпаты, а также происходит начало обособления и концентрации редких элементов. В этих пегматитах развиты процессы замещения, которые выражаются в замещении КПШ мусковитом и альбитом. Залегают выше первого типа.

3. Полнодифференцированный пегматит – минералы в нем размещаются более или менее четкими полосами, этот тип залегает еще выше, где концентрация летучих соединений (в том числе редких элементов) еще значительней и застывание происходит медленнее. Характерно наличие крупных блоков кварца наряду со сплошными зонами полевых шпатов. Кристаллизуются минералы, содержащие редкие земли: берилл, сподумен.

4. Редкометальнозамещенный пегматит – характеризуется широким развитием явлений замещения, в результате которых возникает самостоятельная зона, сложенная пластинчатым альбитом (клевеландитом), мусковитом и поздним кварцем. Характерно повышенное содержание летучих веществ, которые разъедают и замещают ранее выделившиеся минералы и высокое содержание редкометальных минералов. Находятся в самой верхней части, т.е. в местах наибольшей концентрации летучих веществ и имеют наибольшее практическое значение.

Гранитные пегматиты значительно богаче элементами, чем продукты протокристаллизации, особенно литием, бором, галлием, рубидием, танталом, ниобием и др. Все элементы гранитных пегматитов делятся на:

1. Ведущие элементы – Li, Be, O, Si, Al, Na, K, Rb, Cs, TR

2. Главные — B, F, P, Sc, Sn

3.Нормальные — He, Ce, Ca, Ti, Mn, Ga, Ce, Y, Zr, Nb

4.Случайные – N, C, Mg, S, V, Cr, Fe, Cu, Zn

5. Запрещенные – Ne, Ar, Co, Ni, As, Ag, Cd, Pt, Hg

Подчеркнуты элементы с четными номерами.

Геохимические особенности пегматитов:

1. В гранитных пегматитах накапливаются, преимущественно, нечетные элементы. В этом – самое главное отличие конечной кристаллизации от протокристаллизации и главной кристаллизации.

2. В пегматитах накапливаются элементы с малыми ЭК – цезий, рубидий, натрий, калий.

3. В пегматитах накапливаются радиоактивные элементы – торий, уран, радий, олово, калий, рубидий.

4. В пегматитах накапливаются наименее устойчивые элементы с легко разлагающимися ядрами – литий, бериллий, бор.

5. В пегматитах преобладают ионы с валентностью 1 и 3 (водород-1, калий-1, натрий-1, алюминий-3, торий-3).

ЛЕКЦИЯ № 13

Основи геохімії систем. Геохімія постмагматичних систем і процесів

1. Общие сведения о постмагматических процессах.

2. Основные черты геохимии гидротермального процесса.

3. Практическое значение продуктов постмагматических процессов

1. Общие сведения о постмагматических процессах

Постмагматические процессы – это процессы, связанные с летучими веществами, которые выделяются в процессе и после остывания магмы. Продукты постмагматической стадии образуются из остаточных магматических расплавов, являющихся самыми поздними продуктами магматической дифференциации.

По мере кристаллизации при увеличении количества летучих веществ в расплаве наступает момент выделения веществ в газовой фазе (пневматолитовый этап). Далее в результате миграции в породе и взаимодействия с ними газовая фаза охлаждается и переходит в состояние сжатого горячего (гидротермального) раствора. Гидротермальные растворы могут образовываться также в результате охлаждения газовой фазы, которая остается после кристаллизации расплава и выделяться как жидкие водные остаточные растворы из расплава.

К числу самых важных вопросов о рудных месторождениях относится вопрос о происхождении рудных компонентов гидротермальных жил. Разнообразные гипотезы сводятся к 3 основным группам:

Источники растворов:

— минералы гидротермальных жил были отложены постмагматическими водами. При температуре 450^оС пары воды переходят в жидкое состояние.

— месторождения образовались при участии метеорных вод, выщелочивших рудные элементы. По этой гипотезе холодные метеорные воды приникали вниз, в нагретые части земной коры, и, постепенно нагреваясь, извлекали из различных пород, которые лежали на их пути, металлические элементы. Нагретые воды, содержащие в растворе ряд металлов, могли стать восходящими. Согласно этой гипотезе (Зандбергер) металлы в раствор поступали из боковых пород и концентрировались при движении метеорных вод к крупным трещинам, в которых и отлагалась руда.

— допускают возможность образования рудных жил как из метеорных, так и из магматических растворов (синтез первой и второй точек зрения).

Элементы гидротермальных жил:

1. Ведущие и главные – S, Fe, Cu, Zn, As, Sb, Se, Ag, Sn, Pb, Co, Ni, Mo, Cd, Te, W, Au, Ag, Bi, V, F, Н.

2. Промежуточные — Si, Mn, C

3. Малое значение — Ga, Ge, Pt, In, Re

4. Захваченные из других геохимических полей — K, Li, Be, Cl, Ca, Ba, Al, Mg

По Ферсману, для гидротермальных руд характерны ионы с 18-электронной оболочкой. Гидротермальный процесс, в общем, приводит к некоторому накоплению нечетных атомов и напоминает пегматитовый, где накопление нечетных атомов проявляется еще более ярко. По-видимому, это связано вообще с большей подвижностью нечетных атомов, с их способностью по преимуществу перед четными оставаться в жидких фазах или даже переходить в газообразные летучие соединения. Многие элементы имеют сильное сродство к сере (халькофилы), низкие кларки (обычно ниже 1х10^-2%), двухвалентны, ионы средних размеров. Потенциалы ионизации халькофильных элементов высокие, поэтому они стремятся перейти в атомарному состоянию и с этим связано самородное состояние некоторых халькофильных элементов (золото, серебро, ртуть, медь и др.). По Ферсману, рудоносные растворы вначале были кислыми, а потом стали щелочными. Параллельно с ростом рН, уменьшается Eh. Последовательность кристаллизации халькофилов характеризуется уменьшением валентности, постепенно сменой четных элементов нечетными, ростом ионных радиусов: молибден (0,68), свинец (1,32) и т.д. Поэтому последовательность кристаллизации отвечает уменьшению энергии кристаллической решетки образующихся минералов.

Многие минералы гидротермальных руд богаты элементами-примесями. Например, 95% меди на земном шаре добывается из халькопирита, в котором установлены повышенные содержания рения, индия, селена, германия, золота, никеля, кобальта, кадмия, мышьяка, платины и др. Стоимость элементов-спутников в некоторых рудах в 2-3 раза превышает стоимость самой меди. Но нередко из руд извлекается только медь. Закономерности парагенных ассоциаций элементов-примесей в рудных минералах в значительной степени объясняются изоморфизмом.

Летучие компоненты могут отделяться в течение всего процесса дифференциации, т.е. не только от кислых, но и от основных магм. Так как характер этих возгонов функционально связан с температурой и давлением, которые изменяются, то их генетический ряд может быть разбит на несколько самостоятельных групп – «уровней». А.Е.Ферсман дает следующую схему распределения элементов халькристаллизации по уровням.

— при отделении от очага растворы насыщаются фтором и хлором. Имеют низкие значения рН и являются кислыми;

— по мере продвижения растворы нейтрализуются за счет карбонатов и др., рН постепенно растет, образуются нейтральные или слабощелочные растворы. Выпадают минералы свинца, цинка и меди;

— вблизи поверхности при низкой температуре в растворах удерживаются ртуть, сурьма, мышьяк. Они выпадают из щелочных растворов.

В ходе гидротермального процесса наблюдается уменьшение от глубинных зон к поверхности величины кислородного потенциала. Кислород связывает минералы олова и вольфрама. Процессы идут в сероводородной, карбонатной и сульфидной среде. Давление – уменьшается от глубины к поверхности. В основном, последовательность кристаллизации минералов гидротермальных жил из условного единого раствора следующая (по схемам Линдгрена, Эммонса, Ниггли, Ферсмана и др.):

Схема последовательной кристаллизации минералов в гидротермальных жилах

1. молибденит

2. пирротин

3. касситерит

4. вольфрамит

5. самородный висмут (висмутин)

6. висмутовый блеск

7. шеелит

8. самородное золото

9. арсенопирит

10.пирит

11.халькопирит

12.станнин

13.сфалерит

14.галенит

15.сульфосоли висмута

16.сульфосоли сурьмы

17.сульфосоли мышьяка

18.уранинит

19.самородное золото (2)

20.теллуриды

21.антимонит

22.реальгар

23.аурипигмент

24.киноварь

Метаморфизм – процесс преобразования осадочных и магматических горных пород под влиянием высоких температур и давлений.

По геологическим и другим условиям различают метаморфизм: региональный, контактовый, дислокационный. Моракушев подразделил метаморфизм на эндогенный и космогенный.Эндогенный метаморфизм связан с недрами Земли, космогенный – связанный с падением метеоритов на Землю, при этом образуются импактиты, которые состоят из алмаза, стишовита, рингвудита.

Процессы метаморфизма происходят в твердом состоянии, но бывают случаи, когда эволюция метаморфизма приводит, в конечном итоге, к образованию вторичной магмы.

С этим связаны процессы: ультраметаморфизм, палингенез, анатаксис

Ультраметаморфизм – процесс интенсивного регионального метаморфизма, который сопровождается частичным плавлением пород, перекристаллизацией, дифференциацией.

Палингенез– процесс переплавления первично магматических пород, т.е. процесс возрождения расплава. Термин введен финским геологом И.Седергольмом.

Анатексис— процесс плавления пород, до этого не проходивших стадию расплава (осадочных пород). Термин также введен И.Седергольмом.

Выделяют прогрессивный и регрессивный метаморфизм. Прогрессивныйсвязана с увеличением температуры и давления, регрессивный – с уменьшением температуры и давления.

Если при повышении температуры и давления элементный состав твердой фазы существенно пород не меняется и характерен только привнос или вынос газообразных продуктов (H₂O, CO₂, O₂ и др.), то такой метаморфизм называется изохимическим.

Если в систему поступают и выносятся из нее не только газообразные, но и растворимые соединения (калий, натрий, кальций и др.), то метаморфизм называется аллохимическим.

Факторы метаморфизма:Температура, давление, время воздействия, растворы, диффузия вещества в твердой фазе, перекристаллизация, упорядочение структур, метасоматоз.

Температура – важнейший фактор метаморфизма. Метаморфизм протекает при температурах от 200^оС (фация зеленых сланцев) до 700^оС (гранулитовая фация). Частичное плавление с образованием палингенных гранитов происходит при температурах выше 700^оС.

Давление – быстро и систематически возрастает с глубиной, примерно 250-300 атм. на км.

Миграция веществ в жидкой фазе при метаморфизме считается бесспорной. Важнейшей легкоподвижной средой при этом является вода, она присутствует во всех горных породах и может перемещаться, в зависимости от состояния, определяемого температурой и давлением, как в жидком, так и в газообразном виде. Вместе с водой перемещаются и другие легкоподвижные компоненты, растворенные в ней – углекислый газ, борная кислота, фториды, хлориды и др.

В результате воздействия жидких и газообразных флюидов на горные породы в них происходят различные химические превращения, которые особенно ярко проявляются в случае метасоматоза. Также важны процессы выщелачивания отдельных минералов с выносом или переотложением их компонентов, процессы дегидратации и декарбонатизации, связанные с высвобождением воды и углекислоты из минералов при повышении температуры.

Идея о зависимости степени метаморфизма пород от глубины их погружения высказывались Дж.Хеттоном, Вернером и другими учеными – они отмечали возрастание метаморфизма с глубиной и связывали это с воздействием магм, залегающих на глубине. Особенно четко эта идея была проиллюстрированан И.Седергольмом в 1891 году при сравнении осадочных пород Германии с архейскими породами Финляндии. Большие исследования процессов метаморфизма были проведены в конце 19- начале 20 веков Груберманом и Ниггли. Они выделили 3 зоны метаморфизма:

Эпизона – с низкими температурами и давлениями. Характерные минералы – эпидот, цоизит, хлорит, серицит, карбонаты, тальк, альбит и др. Эти минералы слагают некоторые сланцы, кварциты, карбонатные породы.

Мезозона– средние температуры и давления. Характерны биотит, мусковит, амфиболы, плагиоклаз, кианит, ставролит, альмандин и другие. Они слагают некоторые сланцы, гнейсы, амфиболы и мрамора.

Катазона – высокие температуры и давления. Типичны силлиманит, андалузит, полевые шпаты, волластонит, пироп, шпинель, ромбические пироксены и др. Характерны гнейсы, гранулиты, эклогиты, встречаются также кварциты, мраморы и некоторые кристаллические сланцы.

Более совершенной оказалась схема, основанная на принципе о метаморфических фациях, которое впервые было изложено финским ученым Эскалом в 1915 году при изучении метаморфических пород Финляндии. В это учение также внесли свой вклад Коржинский, Соболев и др.

Метаморфическая фация – комплекс метаморфических пород, сложенных минеральными ассоциациями, устойчивыми лишь в некоторых определенных интервалах температур и давлений и неустойчивых в других интервалах, т.е. равновесными в данных условиях метаморфизма (температура, давление).

Метаморфизму могут подвергаться осадочные и магматические породы разного состава. Обычно среди метаморфических пород выделяют 5 химических классов:

1. пелитовый – производные глиноземистых осадков (кианит, силлиманит, андалузит, муллит).

2. кварцево-полевошпатовый – производные песчаников и кислых изверженных пород.

3. известковый – производные известняков и доломитов.

4. Основной – производные основных изверженных пород и туфа.

5. Магнезиальный – производные ультраосновных изверженных пород и высокомагнезиальных осадков.

Выделяют прогрессивный и регрессивный метаморфизм.

Прогрессивный метаморфизм связан с увеличением Т и Р, продукты прогрессивного метаморфизма осадочных пород — кристаллические сланцы (филлиты, парагнейсы, слюдяные сланцы), кварциты.

При прогрессивном метаморфизме происходит энергичная дегазация толщ, а также освобождение поровых, конституционных и кристаллизационных вод. 1 км³ осадочной породы может выдать 100 млн. т воды. Белевцев и др. объясняют возникновение гидротермальных растворов из этих вод.

Содержания петрогенных элементов, за исключением натрия, калия на всех стадиях метаморфизма практически не меняются, но происходит снижение содержаний СО₂, Н₂О, частично восстанавливается железо, выносится литий, мышьяк, свинец, редкие земли, золото, ртуть и другие элементы, выщелачивается уран, а на глубоких стадиях метаморфизма — торий (могут давать растворы, образованные ураном и торием).

При региональном метаморфизме действует закон объемов по Беке и Грубенману, который является отражением при метаморфизме правила Ле-Шателье: если какой-либо внешний фактор воздействует на равновесную систему, то эта система, в свою очередь, активизирует процесс противодействия этому эффекту (например. Если система охлаждается – реакции идут с экзотермическим эффектом, при повышении давления – образуется вещество с большей плотностью).

В глубоких зонах формируются минералы более высоких плотностей и меньших молекулярных объемов. В зависимости от степени метаморфизма, от фации изменяется минеральный состав пород (парагенезис плагиоклаза №5 и цоизита – фация зеленых сланцев; плагиоклаза №5-10 цоизит – эпидот-альбититовая фация; плагиоклаз №10 цоизит – амфиболитовая фация; богатый железом альмандин характерен для сланцев низкой степени метаморфизма, а магнезиальный пироп – для эклогитов. При температуре 500^оС и давлении 4000 атм. возможно совместное существование 3 минералов – кианита, силлиманита и дистена Al₂SiO₅. При наиболее низких температурах и минимальном давлении – образуется андалузит, повышается температура и давление – образуется силлиманит, при высоких давлениях образуется дистен.

Регрессивный метаморфизм (диафторез) связан с уменьшением Т и Р – минеральные преобразования, которые происходят в метаморфической породе, когда она приспособляется к новым условиям, отвечающим более низкой степени метаморфизма. В отличие от прогрессивного регионального метаморфизма, когда метаморфизуемые породы опускаются и попадают в зоны все более высоких температур и давлений, при регрессивном метаморфизме происходит обратное движение пород – снизу вверх, в зоны все более низких температур и давлений. Все минеральные превращения при диафторезе связаны с привносом воды и образованием гидрокисл-содержащих минералов. Этот метаморфизм проявляется в серицитизации полевых шпатов, хлоритизации слюды, серпентинизации оливина, пироксенов, амфибола. Характерен широкий интервал температур и щелочно-кислотных условий, а также гидратация, карбонатизация, привнос В, фтора, хлора, золота, урана и др.

Особенно интенсивно процессы метаморфизма проявляются в наиболее глубоких зонах земной коры, где господствуют особо высокие температуры и давления и где уже наблюдаются процессы частичного расплавления вещества. Эти процессы называются ультраметаморфизмом (большой вклад внес И.Седергольм). Ультраметаморфизм проявляется в разных направлениях и приводит к разным следствием, например, к мигматитообразованию, гранитизации, реоморфизму и др.

Мигмитизация. Мигматит – смешанная порода, состоящая из 2 частей: одна часть – субстрат, другая – жильный материал (чаще пегматитового или гранитного состава), цементирующий куски субстрата. В настоящее время считается, что жильное вещество мигматитов является продуктом выплавления из вмещающих пород при содействии процессов метасоматоза. Наиболее легкоплавкое вещество, соответствующее по составу гранитным пегматитам, гранитам или гранитоидам, в условиях ультраметаморфизма плавится, ведет себя как жидкая магма и заполняет промежутки между породами субстрата, более основными, а следовательно, и менее легкоплавкими.

Гранитизация – образование гранитной магмы и гранитоидов метаморфическим путем. Большинство ученых считает, что гранитная магма образуется в результате регионального метаморфизма, точнее метасоматоза, и является следствием глубинных процессов ультраметаморфизма.

ЛЕКЦИЯ № 15

Основи геохімії систем. Геохімія екзогенних систем і процесів

1. Понятие гипергенеза и его отличие от других процессов.

2. Физико-химические, биогенные и механические процессы гипергенеза.

3. Выветривание различных типов горных пород.

4. Зона окисления рудных (сульфидных) месторождений.

Гипергенез – изменение горной породы, происходящее на поверхности Земли. В отличие от других геологических процессов, протекающих в глубинах Земли, область гипергенеза охватывает первые десятки и сотни метров земной коры. Эти процессы происходят в незначительном температурном интервале и незначительных давлениях, при высокой концентрации кислорода, углекислоты и воды.

Характерные черты гипергенеза: 1. внешний источник энергии – солнечные лучи. Энергия солнечных лучей определяет температуры в зоне гипергенеза, создает движение атмосферы и гидросферы, обусловливает органическую жизнь и др., т.е. в конечном счете направляет миграцию элементов в этой зоне. 2. Характерен новый мощный фактор – процессы жизнедеятельности живых организмов, в том числе и деятельность человека. Среди основных факторов гипергенеза выделяют:

— температура(процессы гипергенеза происходят в температурном интервале от -75^оС до 85^оС);

— давление (изменяется от 1 атм. – 25 атм. до 6000 атм. в наиболее глубоких частях океана);

— концентрация водородных ионов (рН).Величина рН изменяется от 1 (для сильнокислотных растворов) до 12 (для резкощелочных вод), обычно для природных растворов – 4-9. Отдельные соединения (например, гидроксиды) выпадают из растворов при строго определенной величине рН. Т.о., зная кислотность среды, можно предсказать, какие соединения будут из нее выпадать, какие останутся в растворе и наоборот.

— кислородный потенциал (Еh). Основную роль свободный кислород играет в процессах окисления, при которых элементы могут менять свою валентность, некислородные соединения переходят в кислородные. Кислородный потенциал оказывает большое влияние также на последовательность осаждения тех или иных соединений из растворов. В условиях низкого кислородного потенциала железо будет находиться в закисной форме (окисное – Fe³ , закисное Fe² ) и будет легко мигрировать в растворах, при высоком кислородном потенциале оно перейдет в окисную форму, т.е. будет менее подвижным и выпадать в твердую фазу. Таким образом, в результате окислительного действия кислорода, на земной поверхности из водных растворов ежегодно отлагаются громадные массы железа и марганца.

— коллоидная составляющая вещества (величина частиц до 100 мкм). Коллоидные растворы могут образовываться 2 путями:

1. дисперсионный (способ распыления) – когда кристаллическое вещество подвергается механическому раздроблению, в этом случае коллоидальные частицы можно рассматривать как мельчайшие обломки кристаллов. Этот способ широко распространен в зоне гипергенеза, проявляясь, например, в механическом истирании горных пород и минералов с образованием иловатых частиц;

2. конденсационный способ – заключается в соединении молекулярных частиц до размеров коллоидальных, здесь коллоидальные частицы выступают перед нами как зародыши кристаллов. Этот способ осуществляется в результате самых различных химических реакций, в том числе особенно реакций окисления, восстановления, гидролиза и обменного разложения. Особой склонностью к образованию коллоидальных частиц отличаются вещества с большими комплексными и сложными молекулами. Осаждение коллоидов из растворов происходит от смешения коллоидов различных зарядов, повышения температцры, изменения концентрации. Выпавшие из коллоидных растворов гели со временем теряют воду и могут перейти в скрытокристаллические агрегаты (халцедон, оксиды и гидроксиды марганца и железа и др.);

— организмы и продукты их жизнедеятельности.

Ферсман разделил процессы гипергенеза на следующие типы:

1. собственно гипергенез – изменение кристаллических горных пород и рудных месторождений (выветривание горных пород, зоны окисления сульфидных месторождений и др.).

2. педогенез– почвообразование – совокупность химических, биохимических, минералогических и физических процессов, приводящих к образованию на земной поверхности почвы (граница лито- и атмосферы).

3. сингенез– накопление осадков в водных бассейнах, морях, озерах и др. (илы).

4. диагенез – минералогические, геохимические изменения осадка в условиях его образования (уплотнение осадка и формирование горной породы).

5. катагенез – геохимические минералогические процессы, происходящие на границе разнородных минеральных комплексов, формаций, свит и т.д. (обмен между разнородными твердыми оболочками).

6. галогенез – осаждение солей из солевых растворов, рассолов в природных условиях.

7. гидрогенез– совокупность геохимических и минералогических превращений, вызываемых проникновением водных растворов в литосферу по трещинам и жилам – образование пещер, карста.

8. механогенез – совокупность геохимических процессов, накоплений минералов как результата механического обогащения в природных условиях (образование россыпей).

9. биогенез – совокупность геохимических процессов, вызываемых живым веществом, образование биолитов – продуктов биогеохимических реакций в земной коре.

10. техногенез – совокупность геохимических процессов, вызываемых деятельностью человека.

Например, роль катагенеза в истории элементов меньше, чем роль галогенеза или биогенеза. Неодинакова роль типов и по отношению к различным элементам. Для натрия, магния, хлора особое значение имеет галогенез, для углерода, кальция, фосфора, калия, азота – биогенез.

В собственно гипергенезе различают физическое и химическое выветривание, а также выделяют кору выветривания – верхнюю зону литосферы, сложенную продуктами выветривания горных пород, а в этой зоне обособляется почва – самый верхний слой, тесно связанный с организмами и их остатками. Физическое выветривание состоит в переходе кристаллической массивной породы в рыхлую (осыпи, пески, глины и др.), увеличивается степень дисперсности вещества, а следовательно, его химическая активность, способность к химическим взаимодействиям с окружающей средой (химические реакции, растворение, сорбция ионов и др.).

Факторы физического выветривания:колебания температуры (наиболее способствуют выветриванию), теплопроводность пород, разные коэффициенты объемного расширения, окраска породы, ветер, пыль, корни растений.

Процессы физического выветривания быстрее идут на Севере, в пустынях, на значительных высотах.

Химическое выветривание приводит к тому, что порода становится более высокодисперсной и проницаемой для агентов химического выветриваний.

Агенты химического выветривания:

— вода, кислород, СО_2, организмы

Все процессы химического выветривания магматических и метаморфических пород сводятся к окислению, гидратации, выносу наиболее подвижных катионов, накоплению в остатке наименее подвижных соединений типа SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, MnO₂, TiO₂.

При окислении происходят следующие процессы:

Ионы элементов, имеющие переменную валентность, переходят в ионы с более высокой валентностью. Некислородные соединения (сульфиды и др.) переводятся в кислородные (сульфаты, карбонаты). Происходит разобщение 1-2 валентных катионов от 3-4 валентных. В результате пути тех и других расходятся. Особенно легко в раствор переходят одновалентные (натрий, калий, литий), двухвалентные (кальций, магний, железо). Железо (3), алюминий, кремний в значительных количествах накапливаются на месте и перенос их возможен только механическим путем. Отдельные соединения, например, гидроксиды, выпадают из растворов при строго определенных величинах рН. Особое значение на величину рН растворов оказывают организмы. Они регулируют в водах содержание СО₂, а в качестве продуктов жизнедеятельности дают различные органические кислоты, карбонаты, сероводород и другие вещества, сильно влияющие на рН.

Выветривание осадочных пород отличается от выветривания метаморфических и магматических. Это выветривание, преимущественно, физическое, т.к. породы образуются в условиях близких к условиях гипергенеза.

При выветривании известняков и доломитов большое значение имеет их растворимость в воде, обогащенной СО₂, в результате которой на месте остаются только примеси, существующие в известняке (глина, гидроксиды железа, алюминия – терра росса). Особенно интенсивно этот процесс идет в субтропиках. Подобные процессы можно наблюдать и при карстообразовании. Более значительные изменения при выветривании осадочных пород могут происходить лишь в том случае, если осадочные породы образуются в обстановке, которая по химическим условиям значительно отличается от условий гипергенеза.

Главный продукт выветривания гранита и близких ему по составу пород – глины. Состав глин в какой-то степени отражает состав первичной породы.

Двухслойные – каолинит, диккит, накрит, галлуазит.

Трехслойные – монтмориллонит, бейделлит, иллит, вермикулит.

Трехслойные 1 слой – разновидности хлоритов.

Гипотезы образования глин:

1. Образуются в результате соединения глинозема и кремнезема в коллоидном растворе. Имеют противоположные знаки и соединяются.

2. Образуются из коллоидных растворов, по составу аналогичных составу глин.

3. Образуются при избирательном выщелачивании исходного вещества и перегруппировке оставшегося. Каолинит образуется из КПШ при участии СО₂ и Н₂О. Для галлуазита необходимо, чтобы все основания удалились из первичной породы и частично удалился кремнезем. Для монтмориллонита необходимо, чтобы часть оснований задерживалась. Для образования иллита необходима щелочная среда (в его состав входит К). Вермикулит и хлорит образуются из пород с достаточно большим содержанием железа и магния.

Формирование глин – это первый этап в развитии коры выветривания. При благоприятных условиях (температура и влажность) в коре выветривания формируются бокситы. Выносится кремнезем, накапливаются окислы и гидроокислы алюминии, железа, титана. Глинистые минералы замещаются диаспором, бемитом, гиббситом. Бокситы образуются из любых пород, в том числе и основных. О характере первичной породы можно судить по рассеянным элементам в боксите. Если в боксите много хрома, ниобия – первичная порода была основной, если повышенные концентрации циркония, урана, тория – кислая.

При выходе сульфидной жилы на поверхность образуется зона окисления сульфидных месторождений или зона «железной шляпы». Выше грунтовых вод выделяют зону окисления или зону железной шляпы, которая делится на верхнюю часть (зона выщелачивания) и нижнюю (богатая окисленная зона). Ниже УГВ выделяют зону цементации (вторичного сульфидного обогащения), ниже – зона первичных неокисленных сульфидных руд. В зоне выщелачивания происходит окисление сульфидов и их переход в сульфаты. Они легкорастворимы и опускаются в нижнюю часть – зону окисления, образуя гипс, малахит, азурит, смитсонит, церуссит, хрозоколлу, опал. В зоне цементации воды содержат сероводород и серную кислоту, отсутствует свободный кислород, растворенные сульфаты вступают в реакцию с сульфидами и происходит образование вторичных сульфидов – минералов меди, серебра, золота, свинца и цинка.

1 зона: CuFeS₂ 4O₂=FeSO₄ CuSO₄

2 зона: CuSO₄ 2CaCO₃ 5H₂O=Cu₂CO₃(OH)₂ 2CaSO₃x2H₂O CO₂

малахит гипс

Главным минералом зоны окисления является лимонит.

Зона цементации: FeS₂ CuSO₄ H₂O=Cu₂S Cu₂SxCu₂S FeSO₄ H₂SO₄

Халькозин ковеллин

ЛЕКЦИЯ №16

Геохімія техногнезу і захист природного середовища

1. Геохимия техногенеза, понятие «ноосфера»

2. Техногенная миграция элементов

3. Технофильность и другие показатели техногенеза.

1. Геохимия техногенеза понятие «ноосфера»

Техногенез– совокупность химических и технических процессов, связанных с производственной деятельностью человека и приводящих к перераспределению химических элементов на Земле. Этот термин ввел в науку А.Е.Ферсман. Высшую стадию развития биосферы В.И.Вернадский определил как ноосферу или сферу разума. Это часть планеты, которая охвачена техногенезом и представляет собой особую систему. В.И.Вернадский в 1944 году писал: «Ноосфера есть новое геохимическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой…».

В науках о Земле ноосфера рассматривается как планетарное явление, как особый этап развития планеты, как особая ее оболочка, в которой проявляется деятельность человеческого общества. Изучение геохимии ноосферы и техногенеза представляет теоретическую основу рационального использования природных ресурсов, охраны природы и борьбы с загрязнением окружающей среды.

По современным представлениям масса Земли составляет 5,979х10²¹ т, ежегодно увеличиваясь за счет выпадения на ее поверхности метеоритной пыли. По масштабам многие процессы техногенеза намного превышают природные. Так, ежегодно из недр извлекается много больше металлов, чем выносится с речным стоком (свинца -–почти в 70 раз, хрома – в 35, меди – в 30, фосфора – в 20, железа и марганца – в 10, цинка – в 5, алюминия – в 3 раза). Только при сжигании угля освобождается больше металлов, чем выносится с речным стоком (ванадия – в 400 раз, молибдена – в 35, хрома – в 20 и т.д.).

Т.о., геохимия техногенеза – это раздел геохимии, изучающих роль техногенеза в геохимических процессах миграции, рассеяния и концентрации химических элементов и соединений в зоне гипергенеза, в ее изменении и преобразовании из природного в природно-техногенное состояние, в образовании новых природно-техногенных систем, комплексов и территорий с различными геохимическими свойствами и параметрами поверхностной геохимической среды.

В 20 веке техногенез стал главным геохимическим фактором на поверхности Земли. В ноосфере происходит грандиозное перемещение атомов, их рассеяние и концентрация. Ежегодно в мире перемещаются миллиарды тонн угля, нефти, руд и стройматериалов. В течение немногих лет рассеиваются МПИ, накопленные природой за миллионы лет. С продукцией сельского хозяйства и промышленности атомы мигрируют на огромные расстояния. Только с экспортом и импортом зерна в мире ежегодно мигрируют миллионы тонн калия, сотни тысяч тонн фосфора и азота.

Самое заметное влияние человека на природу выражается в вырубке лесов, изменении водного режима поверхности (осушение, орошение, создание искусственных водоемов, изменение русел и направления речного стока, атмосферный условий в городах и промышленных центрах), видоизменении растительных и животных биоценозов, извлечение из недр громадных количеств полезных ископаемых. При этом изменяется круговорот элементов в ландшафтах, в них накапливаются многие токсичные вещества, которые губительно воздействуют на плодородие почв и живые организмы. Хлористые, сернистые, азотные, фосфорные и другие соединения, поступающие в атмосферу и биосферу в колоссальных количествах, изменяют геохимическую среду, ее кислотность, газовый и биогеохимический режим и др.

Ноосфере свойственны и механическая, и физико-химическая, и биогенная миграция, но главную роль играет техногенная миграция.

Техногенная миграция элементов отличается от других типов миграции тем, что она происходит не по естественным (природным), а по социально-экономическим зонам. Вследствие этого все в большей степени нарушаются естественные соотношения и равновесия в биосистемах, что приводит к резкому перераспределению химических элементов.

Мощность производства в мире удваивается каждые 14-15 лет. Поэтому главное существенное отличие ноосферы от биосферы – огромное ускорение миграции.

Выделяют 2 группы процессов техногенеза:.

1. Эта группа унаследована от биосферы, к ней относятся биологический круговорот, круговорот воды, рассеяние элементов при отработке месторождений, распыление вещества и другие. При их изучении можно использовать понятия и методы, разработанные для анализа природных процессов.

2. Эта группа находится в резком противоречии с природными условиями. Так, характерное для ноосферы металлическое состояние железа, никеля, хрома, ванадия и других элементов не соответствует физико-химическим условиям земной коры. Во всем большем количестве в ноосфере изготавливаются химические соединения, никогда в биосфере не существовавшие и обладающие свойствами, не известными у природных материалов (искусственные полимеры, лекарства, краски, сплавы и др.). Новым для земной коры является и производство атомной энергии, радиоактивных изотопов, сверхчистых веществ.

Техногенная деятельность человека привела к резкому изменению миграционных потоков химических элементов. В 1915 году В.И.Вернадский подсчитал, что в античную эпоху использовалось лишь 19 элементов, в 18 веке – 28, в 19 – 50, а в начале 20 – 60, а в наши дни в процессы производства и потребления вовлечена вся таблица Менделеева. По вине человека в биосферу поступает все большее количество чуждых ее элементов, в том числе токсичных – свинец, хром, мышьяк, ртуть, кадмий и др. Началось также искусственное получение и частичное использование отсутствующих элементов – Pu, Np, Cf и других. Характерная общая тенденция этого процесса – в начале использовались преимущественно природные вещества – минералы, в том числе самородные элементы (сера, золото и другие). Позднее начался синтез новых соединений элементов, а также получение их в чистом виде (металлургия железа, свинца, цинка и др.). В 20 веке началось использование изотопов.

В настоящее время известно около 4,5 млн. химических соединений, в том числе более 60 тыс. неорганических соединений. Ежедневно химиками синтезируются около 200 новых веществ. В связи с этим возникла необходимость систематизации факторов воздействия человека на окружающую среду.

Количество добываемых элементов неодинаково. Так, мировая ежегодная добыча углерода измеряется миллиардами тонн, железа – сотнями миллионов, меди – миллионами, ртути – тысячами, платины – десятками тонн. Эти различия обусловлены следующими причинами.

1. Важное значение имеют свойства элементов и технология получения. Алюминий и титан до 20 века практически не использовались, так как технология их извлечения из минералов была слишком сложной и дорогой.

2. Большую роль играет способность элемента к концентрации в земной коре, т.е. к образованию месторождений. Например, ртуть образует месторождения с большими запасами, и этот редкий металл использовался еще в древности. У индия кларк выше, чем у ртути, но он рассеян и его практическое применение началось лишь в 20 веке.

3. Распространенность элементов. Как бы золото ни было ценно для человечества, его добыча никогда не сравняется с добычей железа, так как кларк железа в 10 миллионов раз больше. Кремний и германий – химические аналоги, они похожи друг на друга. Но кремний – второй по распространенности элемент, а германий – редок. Поэтому – кремний – основа строительства (кирпич, бетон, цемент и др.), а германий добывается в ничтожных количествах. Исключительная роль железа связана не только с его свойствами, но и с большим кларком.

Поэтому добычу элементов рационально измерять в единицах кларков. Эту величину называют технофильностью– Т. Она равна отношению ежегодной добычи элемента D к его кларку в земной коре K:

Т=D/К

Например, (по Мейсону, 1960) для железа она равна 6,6х10⁷, марганца – 6х10⁷, серебра – 1,1х10⁹.

Следовательно, в единицах кларков человечество извлекает из недр железо и марганец, медь и серебро с равной интенсивностью, пропорционально их распространенности в земной коре. Технофильность их одинакова. Многие химические элементы с разными кларками и размерами добычи обладают одинаковой или близкой технофильностью – кадмий и ртуть, уран и молибден, титан и цирконий. Технофильность можно рассчитать для отдельных стран, всего мира, она динамична во времени.

Техногенез ведет к уменьшению геохимической контрастности ноосферы (по сравнению с биосферой и земной корой).

При техногенезе накапливаются наиболее технофильные элементы – человечество «перекачивает» на земную поверхность из глубин элементы рудных месторождений. В результате, по сравнению с природным ландшафтом техногенный ландшафт обогащается свинцом, ртутью, медью, сурьмой и другими элементами. Из недр ежегодно извлекается больше химических элементов, чем вовлекается в биологический круговорот: кадмия – более, чем в 160 раз, сурьмы – 150, ртути – 110, свинца – 35, фтора – 15, урана – 6 раз.

Отношение технофильности элемента (с учетом содержания его в углях) к его биофильности (на суше) называется деструкционной активностью элементов техногенеза,которая характеризует степень опасности элемента для живых организмов.

Деструктивная активность элементов техногенеза – отношение технофильности элементов с учетом содержания его в углях и его биофильности (на суше). Она характеризует степень опасности элемента для живых организмов.

Биофильность– кларк концентрации элементов в живом веществе

Для ртути – nх10⁴ до nх10⁵

Кадмия и фтора — nх10³

Сурьмы, урана, свинца — nх10²

Селена, бериллия, бора, олова — nх10

Для остальных – меньше 1, отсюда следует, что ртуть – самый опасный элемент.

Количество элемента, выводимого ежегодно из техногенного потока в природный называется техногенным геохимическим давлением, отношение его к единице площади – модулем техногенного геохимического давления, измеряемым в т/км².

Коэффициент техногенной трансформации – соотношение поступления элемента в техногенный и природный ландшафты.

Показатель пылевой нагрузки – соотношения количества пыли в техногенном и природном ландшафте.

Модуль антропогенного поступления – поступление вещества с атмосферными осадками и пылью.

В целом, техногенное воздействие человека на биосферу можно сгруппировать по следующим направлениям:

1. Перераспределение миграционных потоков и концентраций химических элементов. Высокой технофильностью обладают Hg, Cd, Pb, As, Mo, Cr, а также Cl, Ca, S, P и другие элементы. Отмечается, что наибольшие изменения произошли в круговороте таких элементов, как C, S, P, Pb, Cu, Zn, Hg, Ag.

2. Появление новых типов круговоротов. Например, человек, сжигая ископаемое топливо, древесину, другие горючие материалы, вырубая девственные леса, за счет этого существенно повышает поступление СО и СО₂ в атмосферу, их дополнительный приток может составить 11-14% от нормального.

3. Изменение земной поверхности и земных недр (создание породных отвалов, водохранилищ, каналов, туннелей и др.). Создание новых ландшафтов.

4. Усиление образования живого вещества. При этом повышение биологической продуктивности, в основном, достигается за счет мобилизации внутренних ресурсов ландшафтов и экосистем (распашка почв, осушение, орошение и др.) и химизацией как растениеводства, так и животноводства.

5. Активизация энергетических процессов. По данным А.И.Перельмана (1975) первобытный человек ежегодно расходовал 8х10³-12х10³ Дж, а в настоящее время – около 8х10⁵Дж. Кроме этого повышается работоспособность используемой энергии, появляются новые ее виды.

6. Возрастание количества механически извлекаемого материала литосферы. Ежегодно добывается около 100 млрд.т минерального сырья и каустобиолитов, что в 3-4 раза больше массы материалов, выносимого с речным стоком в океан. Горные и строительные работы перемещают не менее 1 км³ горных пород, что соизмеримо с денудационной работой рек.

7. Для ноосферы характерно появление огромного количества веществ, ранее в биосфере отсутствующих – в первую очередь, это чистые металлы, которые в самородном состоянии встречаются в природе крайне редко. Происходит «металлизация» биосферы. Во-вторых, если в природе известно всего около 3000 различных минералов и их разновидностей, то человеком в лабораторных условиях и в промышленных масштабах получено около 3 млн. различных химических соединений, что в 10³ больше их природного количества. Некоторые из них (например, диоксины) очень токсичны даже в малых дозах. В-третьих, в связи с развитием ядерной энергетики для ноосферы характерно появление трансурановых элементов и большого количества радионуклидов, что создает угрозу радиоактивного заражения огромных территорий.

8. Ноосфера и техносфера выходят за естественные пределы биосферы в связи с развитием космической техники и космонавтики. Возникли предпосылки для создания искуственных биосфер на других планетах, поэтому ноосфера в будущем станет особой областью Солнечной системы.

Размеры техногенных геохимических аномалий изменяются в широких пределах.

Глобальные аномалии охватывают весь земной шар (повышенное содержание СО2 в атмосфере в результате сжигания угля и нефти, накопление стронция после ядерных взрывов).

Региональные аномалии – распространяются материки, страны, зоны, области (применение минеральных удобрений, ядохимикатов и др.).

Локальные аномалии – связаны с конкретным рудником, заводом, городом и др. (повышенное содержание металлов в почвах и водах вокруг металлургических комбинатов и др.).

Техногенные аномалии делятся на литохимические (в почвах, породах), гидрогеохимические (в водах), атмогеохимические (в атмосфере), биогеохимические (в организмах). По влиянию на окружающую среду техногенные аномалии делятся на 3 типа:

1. Полезные аномалии, улучшающие окружающую среду. К ним относятся повышенные содержания кальция в районах известкования кислых почв, добавка NaI и KI к поваренной соли в районах развития эндемического зоба, фторирование питьевой воды в городах с распространением кариеса, применение молибдена, бора, цинка и других микроудобрений, подкормки домашних животных кобальтом и др.).

2. Вредные аномалии, ухудшающие окружающие среду.

3. Нейтральные аномалии, не оказывающие влияния на качество окружающей среды.

Список рекомендованной Литературы

1. Сауков А.А. Геохимия – М: Недра, 1975. – 480 с.

2. Перельман А.И. Геохимия. – М: Высшая школа, 1989. – 528 с.

3. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. Учебник. – М: Логос, 2000. – 627 с.

4. Тугаринов А.М. Общая геохимия. – М: Атомиздат, 1973. – 288 с.

5. Краткий справочник по геохимии – М: Недра, 1977. – 184 с.

6. Барабанов В.Ф. Геохимия. – М: Недра, 1985. – 423 с.