Геохимия гипергенных прпоцессов

9.1. Гипергенез – свойство наружных частей нашей планеты. Это сложные физические и химические взаимоотношения литосферы, гидросферы и атмосферы и особая роль здесь принадлежит кислороду и коллоидным процессам.

В гипергенезе начинают проявляться новые мощные факторы – жизненные процессы и техническая деятельность человека.

9.2. Чрезвычайная характерная черта гипергенеза – источник энергии геохимических процессов: солнечная энергия (лучевая) – определяет t⁰C зоны гипергенеза, создает движение атмосферы и гидросферы, обуславливает органическую жизнь, в конечном счете направляет миграцию элементов в этой зоне.

9.3. Основные факторы гипергенеза: а) t⁰C; б) Р_атм; в) концентрация водородных ионов; г) кислородный потенциал; д) коллоидное состояние вещества; е) организмы и продукты их жизнедеятельности.

О первых четырех факторах уже очень детально говорилось в предыдущих разделах. Их можно лишь упомянуть, а вот 2 последних – это наиважнейшие.

9.4. Все сказанное ранее о геохимии магматизма, метаморфизма, гидротермальных процессах остается в силе. Все применимо и к гипергенным процессам.

- t⁰C: колебания не велики; не более 160⁰С (от -75⁰С до +85⁰С), но скачки очень быстрые в отличие от всех других зон (мерзлота и т.д.); температура определяет скорость химических реакций, движение почвенных растворов, круговорот воды, т.е. определяет миграцию «Э».

- Р_атм: изменяется от долей атмосферы до 500-600 атм в глубоких частях океанов. Роль «Р» меньше, чем t⁰C, но ее надо учитывать. Например, даже незначительное снижение «Р» может вызвать миграцию газов из горных пород, минералов, воды.

- концентрация водородных ионов: гипергенез проходит на границе нескольких геосфер, преимущественно в водных растворах и рН играет здесь особую роль. Величина рН изм. в пределах: от 1 (сильнокислотные растворы) до 12 (резкощелочные воды). Обычно в природных растворах рН=4-9, а рН=7 – это нейтральные воды. Зная рН можно предсказывать какие соединения будут выпадать, какие останутся в растворе.

Морская вода: рН=7-8 и следовательно в ней могут быть только элементы, гидраты которых выпадают при большой величине, а это Mg, Ca, K, Na, и др.

- кислотный потенциал: с глубиной содержание Q₂ падает и следовательно кислородный потенциал так же снижается. Можно говорить о кислородной поверхности, выше которой идут процессы окисления, ниже – восстановления. Эта глубина – величина переменная.

9.5. Коллоидное состояние вещества: именно в зоне гипергенеза взаимоотношения твердой жидкой и газообразной фаз создают благоприятные условия для образования высокодисперсных форм состояния вещества. Коллоидные частицы имеют размеры: диаметр 10^-5 – 10^-7 см (1000-10Å), их называют ультрамикронами и различают их только под микроскопом. Частицы меньше 10 Å относятся к молекулярно- или ионно-дисперсным системам. Это молекулярные и ионные растворы. Следовательно, коллоидная форма является промежуточной между кристаллическим состоянием и истинным раствором.

9.6. Дисперсная фаза может быть неорганической и органической, но средой является главным образом – вода. Коллоидные растворы называют золями: если растворитель вода – гидрозолями. При выпадении гидрозолей (коагуляции) образуются гели.

9.7. Два свойства коллоидных частиц имеют особое значение: а) заряд частиц; б) большая поверхность по сравнению с объемом.

Заряд может меняться в зависимости от того, какой ион присоединяется к частице. Очень важно: коллоиды имеют очень большую удельную поверхность, которая сильно растет по мере увеличения дисперсности вещества. Удельная поверхность коллоидных частиц в тысячи и млн. раз больше, чем у видимых глазом кристаллов. Следовательно, в коллоидных растворах будут особенно резко проявляться силы, связанные с размером поверхности и, прежде всего, адсорбции – поглощение коллоидным веществом из раствора тех веществ, которые уменьшают поверхностную энергию коллоида. Адсорбция - поглощение поверхностным слоем, абсорбция – поглощение вещества всей массой сорбента. Их трудно различать и поэтому часто употребляется термин – сорбция.

Сорбция – притягивание ионов одного знака ионов другого знака: катионы (+) притягивают анионы (-) и наоборот. Широко используются сорбционные свойства глин (знак -), особенно в земледелии, да и в генезисе некоторых полезных ископаемых (например, меди). Пример: элементы As, Zn, Cu, Hg, Pb – это яды для растительного и животного мира и если бы они не сорбировались на путях миграции и не терялись на путях к водоемам, то жизнь бы давно замерла.

9.8. Коллоидные растворы образуются двумя способами: а) дисперсионным – механическое раздробление горных пород, коллоидные частицы здесь выступают как обломками кристаллов и б) конденсационным, - соединением молекулярных частиц до размеров коллоидных, т.е. до 10^-5 - 10^-7 см. Здесь коллоидные частицы могут рассматриваться как зародыши кристаллов.

9.9. Особая склонность к образованию коллоидных частиц у веществ с большими сложными молекулами. Такими являются большинство органических соединений, да и среди неорганических их тоже много. Способствует образованию коллоидных частиц и слабокислая и слабощелочная среда в гипергенезе.

9.10. Огромные массы коллоидных частиц перемещаются постоянно речными водами (глины, гумусовые вещества, кремнезем, гидраты железа, марганца, алюминия, Са, Mg и др.). Процесс каогуляции особенно активно проходит в зоне впадения рек в моря и океаны.

9.11. Классификация процессов гипергенеза (наиболее полная предложена А.Е. Ферсманом):

9.11.1. Собственно гипергенез – изменение кристаллических пород;

9.11.2. Педогенез - почвообразование;

9.11.3. Сингенез - накопление осадков на дне водоема;

9.11.4. Диагенез - изменение осадков на месте накопления;

9.11.5. Катагенез - совокупность физических и химических процессов на границах разнородных комплексов, свит, пород;

9.11.6. Галогенез - осаждение солей из соленых растворов;

9.11.7. Гидрогенез - проникновение водных растворов в литосферу по трещинам с образованием пещер, карстов и т.д.

9.11.8. Механогенез - образование минеральных скоплений в результате механического обогащения – россыпи.

9.11.9. Биогенез - совокупность геохимических процессов, вызываемых живым веществом;

9.11.10. Техногенез - совокупность геохимических процессов вызываемых технической деятельностью человека – инженерной, горнортехнической, химической, сельскохозяйственной.

9.12. Гипергенез горных пород (Г.П.). Гипергенез Г.П. проходит с момента кристаллизации пород и попадания их в условия действия свободных кислорода, угольной кислоты, жидкой воды. В условиях земной поверхности эти процессы обычно называют выветриванием, но следует иметь ввиду, что этимологический смысл слова «выветривание» (действие ветра) очень мало соответствует содержанию, сути процесса. Но термин прижился и очень часто применяется.

9.12.1. Выделяют физическое и химическое выветривание. Выделяют кору выветривания – верхнюю зону литосферы, сложенную продуктами выветривания, а в этой зоне обособляется почва – самый верхний слой, связанный с организмами и их остатками.

9.12.2. Физическое выветривание – переход кристаллической породы в рухляковую (осыпи, пески, глины и т.д.), при этом увеличивается степень дисперсности вещества, следовательно увеличивается его химическая активность, способность к химическому взаимодействию с окружающей средой (химические реакции, растворение, сорбция ионов и т.д.).

Факторы физического выветривания: колебания t⁰C, теплопроводность пород, разные коэффициенты объемного расширения минералов, различия в окраске и т.д. Образуются мелкие трещинки и, следовательно, постепенно порода разрушается, диспергируется. В северных районах процессы физического выветривания идут быстрее, опережают химические процессы.

Кора выветривания отличается по характеру соотношений дисперсной фазы и дисперсионной среды от других геосфер. В литосфере дисперсионная среда твердая, дисперсная фаза газообразная и жидкая (включения в минералах); в гидросфере дисперсионная среда жидкая, а дисперсная фаза твердая и газообразная; в атмосфере дисперсионная среда газообразная, а дисперсная фаза твердая и жидкая. В коре выветривания все выглядит иначе: здесь границы между средой и фазой не всегда ясны. Например, песок – дисперсная среда твердая (она преобладает над жидкой и газообразной). А вот для наносов, наоборот дисперсная среда жидкая.

9.12.3. Химическое выветривание заключается в преобладании таких основных минералов пород, как кварц, карбонаты, силикаты и алюмосиликаты. С ними взаимодействуют элементы атмосферы: О₂, О₃, СО₂, N, Ar и др., а самое главное – вода. Без воды химическое выветривание или не идет или идет в сильно замедленном темпе. Вода вступает в реакции с продуктами физического выветривания. Образуются каолин, гидраты (они не растворяются и остаются на месте), если образуются карбонаты, то они чаще всего уносятся Н₂О.

В процессах химического выветривания исключительно велика роль кислорода (и озона). Она сводится к переводу низковалентных элементов семейства железа в высоковалентные. Велика роль СО₂, которая соединяясь с щелочами и основаниями образует растворимые карбонаты, а действуя в водном растворе на простые силикаты она вызывает расщепление их на SiO₂ и карбонаты.

9.12.4. В почвах, наиболее изученных продуктов выветривания, присутствуют в тех или иных количествах очень многие известные химические элементы. Основной их источник – материнские породы, хотя иногда они попадают в почву из атмосферы (йод, бор, фтор, селен, мышьяк и др.).

9.13. Гипергенез сульфидных месторождений.

Гипергенез сульфидных месторождений существенно отличен от гипергенеза горных пород. Здесь роль О₂ резко увеличивается. Образование сульфидных месторождений проходило когда-то при наличии свободного Н₂S, а в зоне гипергенеза при наличии О₂ и углекислоты сульфиды становятся неустойчивыми и заменяются инертными минералами: сульфаты, карбонаты, окислы, иногда самородные металлы.

9.13.1. Реакции окисления сульфидов экзотермические, т.е. идут с выделением тепла. Имеются случаи бурных процессов подземного окисления пирита в рудниках, т.н. подземных колчеданных пожаров, когда t⁰С >>> до 300⁰ и более ⁰С. Выделяются удушливые газы. Это очень опасно.

Пирит обычно при окислении переходит в Н₂SO₄ и FeSO₄ Нагревается вода в рудниках – до 100⁰С. Она хорошо растворяет другие соединения, образуя своеобразные минералы: мелантерит – FeSO4∙7Н₂О, эпсомит – МgSO₄∙7Н₂О, пизанит – (Fe, Cu)SO4∙7Н₂О и др.

Основной объем О₂ приносится нисходящими поверхностными водами. Очень важно: состав газов растворенных в водах существенно отличается от атмосферного. В 1 литре дождевой воды содержится 25-30 см³ газа в котором О₂≈60% и СО₂≈10% (а в атмосфере как мы знаем О₂≈23%, N₂≈76% и СО₂≈0,03%. Вода проходя через почву еще более обогащается СО₂. Однако в активности СО₂ уступает О₂. Сначала сульфиды окисляются до сульфатов, затем сульфаты под воздействием СО₂ превращаются в карбонаты.

9.13.2. Зоны окисления разнообразны по своему характеру, что связано с рядом региональных и локальных факторов:

а) региональные факторы: климат, морфолого-тектонические особенности, металлогения и химсостав вод;

б) локальные факторы: минеральный состав, структурные и текстурные особенности, условия залегания пород на месторождении. Окисление более активно в карбонатно-жильной массе, чем в кварцевой (карбонаты легче растворимы и более проницаемы для растворов).

Наиболее часто идет окисление таких сульфидов:

галенита: PbS+2O₂=PbSO₄

сфалерита: ZnS+2O₂=ZnSO₄

халькопирита: CuFeS₂+4O₂=CuSO₄+FeSO₄

пирита: 2FeS₂+7O₂+2H₂O=2FeSO₄+2H₂SO₄

Сульфатная стадия для большинства металлов не является конечной. Даже наиболее трудно растворимый сульфат - РbSO₄ (англезит) под действием углекислоты переходит в карбонат РbCO₃ (церуссит), который еще менее растворим и поэтому более устойчивый в зоне окисления. Для других металлов эти процессы идут легче.

9.14. Биогеохимические процессы.

До сих пор рассматривались неорганические процессы миграции «Э», их концентрация и расселение. Но в зоне гипергенеза чрезвычайно большое значение приобретают биогеохимические процессы, связанные с жизнедеятельностью организмов. В магматических и постмагматических процессах миграции «Э» осуществляется за счет энергии глубоких частей Земли (остаточная теплота, радиоактивный распад, а в биохимических процессах – космическая энергия солнечных лучей. Энергия улавливается и аккумулируется сложным механизмом хлорофилловых зерен зеленых растений, откуда она попадает во все другие организмы, в т.ч. и такие, которые сами солнечную энергию использовать не могут. Оболочка, в которой распространены организмы, называется биосферой ввел К. Зюсс в 1875 г., но особое значение биосферы показано В.И. Вернадским, он и есть создатель новой ветви геохимии – биогеохимии.

9.14.1. Распространенность биосферы уникальна: только в жерлах вулканов нет жизни.

Нижняя граница биосферы в океанах совпадает с поверхностью дна, а на суше по В.И. Вернадскому должна лежать выше областей, где господствуют горячие пары воды и t⁰ не ниже 100⁰С, по глубине это 3-4 км. Бактерии живут, до 100⁰С, споры грибов выдерживают до 140⁰С, есть виды микробов живущие и до 180⁰С.

Верхняя граница биосферы не установлена, но, по-видимому, она должна определятся наличием воды и количеством коротковолновых излучений. Скорее всего, это 30-50 км высоты в атмосфере. Существование озонового экрана предохраняет организмы от губительных коротковолновых излучений. Конечно, все сказанное не относится к человеку. Он начинает жить уже на высоте 200-300 и более км.

Общая масса ОВ по В.И. Вернадскому составляет п∙10¹⁴ т или 0,001% веса земной коры (3∙10¹⁹ т). Большая часть ОВ находится в океане в форме планктона.

Размеры организмов от нескольких тонн – деревья, млекопитающие до мельчайших микроорганизмов – по размерам близких молекулам, а вес ≈ п∙10^-11г. Но число последних огромно: они показатели рассеяния органической материи.

Организмы отличаются от неорганической материи тем, что аккумулируют солнечную энергию, через живую материю проходят большие кол-ва «Э» и поэтому роль ОВ в верхних частях планеты огромна.

Подсчеты показывают, что в течении 13 лет организмы пропускают через себя такое количество углерода, которое в 10 раз превышает его содержание в земной коре. А ведь эти процессы идут более 1 млрд.лет.

«Э», входящие в состав ОВ образуют сложнейшие соединения. Покинув ОВ после отмирания они переходят в наименее активную, т.е. устойчивую форму. Так проходит свой путь углерод зеленых растений. Последние захватывают его из атмосферы в результате фотосинтеза преобразуют в сложные соединения, а затем обратно в виде СО₂ выпускают на свободу. Другая часть «С» скапливается в виде сапропелитов, каменного угля, нефти, а затем опять в форму СО₂ переходит в атмосферу. Такой же путь проделывают очень многие «Э», но для геологов-нефтяников важнейшим является круговорот углерода.