Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Введение в геохимию: Учебное пособие по дисциплинам "Общая геохимия" и "Прикладная геохимия"

Голосов: 1

В пособии приведены общие сведения о предмете "Геохимия", его связи с другими дисциплинами. Освещена история развития геохимии как самостоятельного направления геологической науки. Рассмотрены вопросы геохимической классификации элементов, состава Земли и планет Солнечной системы. Приведена информация о методиках определения абсолютного возраста пород, геохимии изотопов. Дано краткое описание геохимии эндогенных и экзогенных процессов, приведены сведения о геохимии ноосферы, затронуты проблемы техногенеза и вопросы практического применения геохимии. Предназначено для подготовки бакалавров и магистров геологии. Может быть рекомендовано для самостоятельной работы студентам других специальностей, а также тем, кто интересуется вопросами геохимии. Электронная версия пособия размещена на сайте Апатитского филиала МГТУ (<a href="http://af.mstu.edu.ru" target="_blank">http://af.mstu.edu.ru</a>).

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    разновидностей данного минерала, присущих каждой метаморфической фации:
а) актинолит – фация зеленых сланцев, б) роговая обманка с примесью
эденитовой молекулы – эпидот-амфиболитовая фация, в) обыкновенная
роговая обманка – амфиболитовая фация, г) гастингсит – гранулитовая фация.
     Общая тенденция эволюции амфиболов при повышении степени
метаморфизма заключается в замещении кремния алюминием. По-видимому,
остальные превращения носят характер компенсационного изоморфизма.
Метаморфизм влечет за собой повышение количества щелочей и понижение
количества двухвалентных металлов шестерной координации. Таким образом,
изменения химизма амфиболов при повышении степени метаморфизма
проявляются в повышении количеств К, Na, Al, Ti и в понижении количеств Si,
(Mg, Fe), (ОН) и Fе3+. Также, как и у биотитов, эти изменения химизма
амфиболов достаточно стабильны и позволяют определять термодинамическую
обстановку по концентрациям ряда элементов.
     Подобным же образом ведут себя и другие породообразующие минералы
(гранаты, калиевые полевые шпаты, кальцит и т. д.).
     Эти примеры можно было бы продолжать. Приведенные выше и иные
подобные закономерности положены в основу геотермометров (Powell, 1985 H-B
Holland, Blundy, 1994; Фонарев и др, 1991) и геобарометров (Perkins, Newton,
1981; Фонарев и др, 1994), а также геотермобарометров (Аранович, Подлесский.
1989; компьютерная программа TPF ИЭМ РАН, версия 7.0, авторы
В.И. Фонарев, А.А. Графчиков, А.Н. Конилов, 1991). .
     Для     термобарометрического       анализа     используются    составы
предположительно равновесных минералов. Принимается, что центральные
части зерен граната равновесны с центральными частями контактирующего
с гранатом клинопироксена (призматических зерен) или же с центральными
зернами клинопироксена из его скоплений, вокруг которых развивается
гранатовая кайма. Эти парагенезисы могут отражать раннюю стадию
эклогитизации метабазитов. Оценить максимальные Т и Р параметры часто
затруднительно из-за интенсивно проявленных декомпрессионных процессов,
изменивших состав раннего, наиболее натрового клинопироксена.
     Таким образом, изученные химически породообразующие минералы
метаморфических пород подтверждают правило о том что ведущие элементы
земной коры Si, Al, Fe, Mg, Na, К, Ti и другие меняют свои концентрации
в минералах в зависимости от температур и давлений при метаморфизме.
     Естественно, что в процессе метаморфизма происходит перераспределение
не только ведущих элементов земной коры. В зависимости от степени
метаморфизма в минералах изменяется содержание многих редких элементов,
что также ведет к значительному общему геохимическому эффекту. Так,

                                    101


например, в роговых обманках амфиболитовой и эпидот-амфиболитовой фаций
по сравнению с роговыми обманками (гастингситами) гранулитовой фации
содержание Cr, Ni и Со значительно выше.
     Аналогичные результаты получены для многих породообразующих
минералов. Согласно этим данным, редкие элементы изменяют при
метаморфизме свои концентрации в следующих минералах: плагиоклазах
(Ва, Sr, Rb), биотитах (Ge, Y, Mn), гранатах (Ge, Y, Mn), пироксенах (Ti, Al).
     Приобретает большую важность следующий аспект метаморфизма:
являются ли отмеченные выше многочисленные факты изменения
химического состава, как отдельных минералов, так и минеральных систем
результатом перераспределения химических элементов в пределах каких-то
ограниченных в пространстве геологических тел (пласты, пачки, массивы)
или они являются отражением более широкого процесса, отражением общей
дифференциации вещества литосферы?
     Иными словами, имеет ли метаморфизм локальное значение или же он
является одним из процессов, обусловливающих дифференциацию вещества
в планетарных масштабах. Следует иметь в виду, что некоторые
исследователи пытаются переносить данные об изменении в процессе
метаморфизма состава минералов на породу в целом, полагая, что
метаморфические преобразования пород сопровождаются существенным
изменением их химического состава.
     Этот вопрос целесообразно рассмотреть подробнее. Действительно, одной
из важнейших проблем геохимии метаморфизма является проблема
сохранности состава пород. Эта проблема, а также тесно связанный с ней
вопрос о достоверности петрогеохимических реконструкций, обсуждаются
достаточно давно. Некоторые исследовател полагают, что метаморфические
процессы изохимичны (это не относится к Н2O и СО2), при этом не
исключается возможность незначительной миграции элементов, как правило,
внутри отдельных слоев пород. Более широкое трактование принципа
изохимичности допускает миграцию элементов в пределах замкнутого объема
метаморфических толщ. В противовес этому значительная группа
исследователей настаивает на аллохимичности метаморфических процесов.
     Допуская, что в ряде случаев подобные преобразования пород
действительно идут с изменением химизма, авторы настоящей работы, тем не
менее, полагают, что существует множество ситуаций, когда региональные
метаморфические процессы не приводят к существенному преобразованию
первичного состава, как убедительно показано, к примеру, В.П. Петровым
и В.А. Макрыгиной. Более того, в случае, если метаморфические процессы
имеют аллохимическую направленность, это отражается в составе пород, то

                                     102


есть узнается, а следовательно, может быть учтено. Тем не менее, по мнению
авторов настоящего учебного пособия, склоняющихся к изохимичности
регионального метаморфизма относительно содержания главных петрогенных
элементов, не следует возводить в абсолют ни один из названных принципов,
как не следует распространять убедительные доказательства изохимичности
или аллохимичности метаморфизма, полученные в конкретных районах и для
определенных типов пород, на все без исключения метаморфизованные
объекты.
     В современной геохимии используется несколько способов доказательств
сохранности состава пород при метаморфизме. Наиболее точным из них
считается исследование характера изменения состава пород в зональном
метаморфизме, при наличии зон, занимающих секущее положение по
отношению к толщам метаморфитов. Признавая бесспорную достоверность
данного метода, необходимо отметить, что невозможность учета в полном
объеме первичных латеральных вариаций состава пород, особенно
метаосадочных, не позволяет и его считать абсолютно надежным. Кроме того,
несмотря на то, что полученные для конкретных обнажений данные об
изохимическом характере метаморфизма могут отличаться высокой
достоверностью, они не позволяют исключить вероятность подобных
изменений в соседних обнажениях в пределах этой же структуры.
     Тем более, такие выводы некорректно переносить на другие объекты, для
которых возможность применения данного метода отсутствует.
     Исходя из изложенного, доказательства изохимического характера
метаморфизма в конкретных районах важны, не столько потому, что могут
являться аргументом в пользу предположения о допустимости использования
принципа сохранности состава в конкретном районе, а скорее в том плане, что
показывают принципиальную возможность сохранности состава пород при
региональном метаморфизме. Далее это допущение необходимо проверять,
причем тестированию должны подвергаться все без исключения исследуемые
метаморфиты. Для этой цели целесообразно использовать различные
геохимические методы.
     Необходимо отметить, что геохимические методы, являясь менее точными
по сравнению с геологическими наблюдениями, сами по себе не могут дать
однозначного ответа на вопрос о сохранности первичного состава пород. Они
лишь с той или иной степенью достоверности определяют вероятность
подобного вывода, причем она тем выше, чем более многоаспектной, то есть
геологически комплексной, была проверка данного предположения.
     Изложенное следует иметь в виду при использовании геохимических
методов для целей реконструкции первичной природы пород, то есть для

                                    103


«снятия метаморфизма» и попыток установления ее дометаморфического
облика. По существу, большинство методов реконструкции, применяемых
сегодня в геохимии, сводятся к решению данной задачи, и их отличие состоит
лишь в том, какой базовый материал был заложен в исследования, сколь
многоступенчата была данная проверка и насколько надежны геохимические
методики реконструкций, примененные в работе.
     Большинство петрогеохимических методик распознавания протоприроды
метаморфитов базируется, как правило, на сопоставлении определенным
образом выбранных параметров химического состава метаморфитов
и эталонных выборок неметаморфизованных пород. Характерным недостатком
этих методик является перекрытие областей, занимаемых породами разных
групп в признаковом пространстве, что вносит элемент неопределенности при
распознавании протоприроды метаморфитов. Это необходимо учитывать при
последующей       реконструкции    условий    формирования     протолитов
докембрийских комплексов.
     Важно также отметить, что большинство петрогеохимических методик,
наиболее часто применяемых для целей реконструкции обстановки
образования протолитов докембрийских комплексов, разрабатывалось
изначально, как правило, для диагностики условий формирования
фанерозойских образований. Поэтому их механический перенос на объекты
докембрия зачастую приводит к возрастанию неопределенности результатов.
Это может быть связано как с неустойчивостью некоторых признаков в ходе
регионального метаморфизма, так и эволюционной специфичностью
докембрийского этапа развития Земли, отраженной в виде отличий химических
составов образований фанерозоя и докембрия, как это было показано нами,
к примеру, для островодужных комплексов различных геологических эпох.
     Поэтому авторы полагают, что при проведении параллелей между
докембрийскими и фанерозойскими породными ассоциациями, генетически
связанными с определенными режимами, целесообразно исходить из
предположения о специфичности докембрийского периода развития планеты,
с одной стороны, и некоторой общности в характере реализации
геодинамической обстановки на всем протяжении геологической истории,
с другой, сформулированного как положение о гомологичных рядах
геодинамических режимов.
     Поскольку петрогеохимические особенности часто анализируются для
первично вулканических пород, охарактеризованных в литературе наиболее
детально, одной из задач, стоящих перед теми, кто занимается
петрогеохимическими реконструкциями, является повышение степени
разрешающей способности методики, определяющей условия эндогенных

                                   104


режимов и обстановки породообразования. Для этой цели может служить также
привлечение данных, как по метамагматическим, так и по метаосадочным
породам.
      Проблема воды и водных растворов до сих пор считается одной из
кардинальных проблем метаморфизма. В связи с этим исключительный интерес
представляют данные П. Эскола о дегидратации метаморфических пород при
прогрессивном метаморфизме. В докембрии Феноскандии было определено
содержание H2O в породах трех фаций. При этом были получены следующие
величины: в фации зеленых сланцев – 3,15 %, амфиболитовой фации – 0,33 %,
гранулитовой фации – 0,35% H2O.
      Таким образом, гранулиты в процессе своего метаморфизма потеряли
около 3 % воды. Для того чтобы представить масштаб процесса дегидратации,
следует напомнить, что 1 % водных растворов составляет в 1 км3 гнейса около
2,7 107 т.
      В эклогитовой фации содержание воды ничтожно. Она является
глубинной границей зоны растворения, а главным источником растворенного
вещества для межгранулярных растворов служат породы гранулитовой
и амфиболитовой фаций. Таким образом, поставщиком воды, мигрирующей
при метаморфизме в верхние коровые горизонты, представляются глубинные
зоны земной коры, в которых развивается метаморфизм высокой степени.
      Все изложенное относится к региональному метаморфизму. Что же
касается иных метаморфических процессов, таких, к примеру, как
ультраметаморфизм или гранитизация, то их роль в миграции вещества
бесспорна.
      Геохимический эффект гранитизации очевиден. Как было убедительно
показано H.М. Судовиковым, Д.С. Коржинским, Г. Рамбергом, огромные массы
относительно легко подвижных компонентов (в первую очередь таких, как Si,
К, H, О, и в меньшей степени Na) мигрируют из глубинных зон литосферы
в более высокие горизонты.
      Следует подчеркнуть, что геохимическая дифференциация осуществляется
далеко не только в результате циркуляции межгранулярных растворов. Не
меньшую, если не большую, роль играет палингенезис (анатексис),
т. е. выплавление магмоподобных расплавов в результате ультраметаморфизма,
но количественное сравнение этих процессов еще не проведено.
      Возникающие при ультраметаморфизме магматические расплавы
гранитоидного состава (как наиболее легкоплавкие) поднимаются в верхние
коровые горизонты и также приводят к миграции огромных количеств
гранитофильных элементов. Миграция элементов в процессе гранитизации и их
перемещение при интрудировании анатектических магматических масс

                                    105


приводят к весьма значительному геохимическому эффекту. Достоверно
оценить этот эффект мы пока не имеем возможности, так как точных
количественных данных по процессам гранитизации нет.
     Однако можно представить их планетарные масштабы, если учесть данные
по     пространственному      расположению      геоизотерм   и  геоизобар,
соответствующих давлениям и температурам начала гранитизации
и палингенезиса (анатексиса).
     В геохимическом отношении чрезвычайно важно выяснить механизм
миграции различных веществ в виде молекул, атомов и ионов. Вопросы
миграции элементов в жидком состоянии при метасоматических процессах
особенно детально были рассмотрены Д.С. Коржинским, который считал, что
межгранулярная жидкость служит той средой, в которой происходит миграция
вещества при метасоматозе.
     В зависимости от динамики среды выделяются два типа метасоматоза:
диффузионной и инфильтрационный.
     При диффузионном метасоматозе поровые растворы остаются
неподвижными. Это явление имеет место при отсутствии перепадов давления.
При этом ведущим фактором (метаморфизма) метасоматоза выступает
концентрация растворенного вещества: элементы (ионы, атомы, молекулы)
мигрируют через неподвижные поровые растворы в сторону понижения
концентации.
     При инфильтрационном метасоматозе миграция элементов происходит
путем     транспортировки       их    движущимся      поровым   раствором.
Инфильтрационный метасоматоз не имеет места при отсутствии более или
менее значительных перепадов давления, обусловливающих течение
жидкостей. Поэтому фильтрационная миграция происходит обычно в зонах
дробления, рассланцевания, по микротрещинам и зонам тектонических
нарушений.     Эти     условия,    естественно,    определяются  влиянием
дислокационного метаморфизма и тектонических деформаций на ускорение
процессов метаморфизма вообще и метасоматоза в частности.
     Важно подчеркнуть, что при миграции вещества во время
метасоматических процессов не все элементы обладают одинаковой степенью
подвижности. Д.С. Коржинский впервые ввел понятие о дифференциальной
подвижности компонентов при метасоматозе и установил следующий ряд их
подвижности (подвижность падает слева направо):
Н2О, СО2, S, SО3, К2О, Na2О, F, CaO, O2, FeO, P2O5, BaO, MgO, SiO2, А12O3,
Fe2O3, ТiO2.



                                   106


     Приведенный ряд элементов и их соединений ни в коем случае не является
догмой. Подвижность элементов зависит от многих причин и меняется
в зависимости от конкретной геологической обстановки.
     В результате дифференциальной подвижности элементов при
диффузионном и инфильтрационном метасоматозе растворенные вещества
перемещаются на разные расстояния, что приводит к возникновению так
называемой метасоматической зональности. Эта зональность определяется
также сменой обстановки, в результате чего из раствора выпадает тот или иной
компонент. Зоны такой смены обстановки принято называть барьерами.
Барьеры можно подразделить на следующие виды.
     Геохимические барьеры. В гидротермальных системах барьеры образуются
в результате понижения температуры, давления, смешения глубинных
восходящих растворов с подземными водами верхних структурных этажей,
влияния вмещающих пород и действия многих других факторов.
     Термодинамические барьеры. Гидротермальные процессы развиваются
в широком интервале температур (сотни градусов) и давления, поэтому
в гидротермальных системах термодинамические барьеры играют большую
роль. Во многих концепциях гидротермального рудообразования ведущее
значение придается понижению температуры (А.Е. Ферсман и др.).
     Окислительные     и   восстановительные       барьеры.   Окислительно-
восстановительные реакции играют важную роль в гидротермальных системах.
Это кислородные, углеродные, углеводородные, сероводородные, водородные
и иные барьеры.
     Кислые и щелочные барьеры. Д.С. Коржинский наметил три главных типа
рудоотложения, вызванных изменением щелочно-кислотных условий:
     1. Рудоотложение на кислом барьере при понижении рН щелочных
растворов, их нейтрализации.
     2. Рудоотложение на щелочном барьере при повышении рН кислых
растворов, их нейтрализации.
     3. Рудоотложение при нейтрализации кислых растворов в стадию
осаждения в результате фильтрационного эффекта.




                                    107


         ГЛАВА 11. ГЕОХИМИЯ ЭКЗОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

    Экзогенные процессы происходят на поверхности Земли и в самых верхних
частях литосферы. Они обусловлены энергией солнечной радиации, явлениями
рельефообразования, силой тяжести, влиянием атмосферы и гидросферы,
климатическими условиями и жизнедеятельностью организмов. Основные
процессы    –    выветривание,   перемещение    продуктов    выветривания
и образование осадочных пород и некоторых типов полезных ископаемых.

     11.1. ПРОЦЕССЫ ВЫВЕТРИВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И МИНЕРАЛОВ

     Процессы выветривания представляют собой сложный комплекс явлений,
состоящих из механической дезинтеграции и химического преобразования
вещества, в основном разложения и превращения более сложных соединений
в более простые, менее окисленных в более окисленные и часто в более
растворимые.
     Процессы выветривания в основном зависят от степени влажности
и температуры и связанного с ними развития растительности, продукты
разложения которой во влажном, жарком или прохладном климате образуют
почвенные кислоты (гуминовые и фульвокислоты), активно участвующие
в химических процессах выветривания.
     Глубинные минералы и слагаемые ими породы в условиях земной
поверхности становятся неустойчивыми и стремятся перейти в более
устойчивые соединения в данных физико-химических условиях.
     Начинается новый цикл миграции химических элементов, резко отличный
от их миграции в эндогенных условиях, новые формы соединений, новые
сочетания химических элементов.
     Согласно Г. Тиррелю, процессы разложения горных пород и минералов
состоят из растворения, окисления, гидратации и карбонатизации. Таким
образом, химическими агентами выветривания служат вода как растворитель
и оказывающая гидролизующее действие; О2 и небольшие количества О3 и Н2О2
(результат грозовых разрядов) и СО2, с Н2О дающая Н2СО3.
     Скорость выветривания зависит от ряда факторов. Одним из наиболее
важных является химический состав выветривающейся породы. Почти
мономинеральные уртиты, состоящие на 90 % из нефелина, или дуниты,
состоящие почти целиком из легко разлагаемого оливина, выветриваются
много быстрее, чем породы, кроме этих минералов содержащие полевой шпат,
роговую обманку и др.



                                   108


    Очень легко выветриваются известняки, которые в водах, содержащих
углекислоту, медленно растворяются, образуя легко растворимый бикарбонат
кальция. Насыщенные углекислотой водные растворы в толще известняков,
растворяя их, образуют карстовые пустоты.
    Если среди крутопадающих пластов сланцев или кварцитов залегает пласт
известняка (мрамора), на местности это выражается углублением за счет
удаления более легко выветрившегося известняка. Аналогичную картину
можно наблюдать для пластовой интрузии уртита, зажатой между нефелино-
полевошпатовыми породами – на месте более легко выветриваемого уртита
часто образуется углубление.
    Наиболее трудно выветриваемыми минералами являются циркон, рутил,
корунд, шпинель, касситерит; с трудом выветриваются гранат, ильменит,
магнетит, монацит.
    Пироксены выветриваются легче полевых шпатов, а в группе полевых
шпатов натровые плагиоклазы выветриваются труднее кальциевых и труднее
калиевого полевого шпата.
    Альмандин более устойчив, чем кальциевые гранаты. Железистые слюды
выветриваются легче магнезиальных, а биотит легче мусковита. Их
выветриванию способствует листоватая структура слюды.
    Сравнительно легко выветриваются сульфиды, причем разные по-разному,
и скорость их зависит от их парагенезиса с другими сульфидами, потому что
при этом возникают гальванические пары, и в присутствии определенных
сульфидов некоторые относительно устойчивые сульфиды начинают особенно
быстро разлагаться и окисляться.
    Легче других выветриваются карбонаты и среди них особенно легко
кальцит.
    Процесс выветривания главнейших породообразующих минералов
происходит стадийно, т. е. из первоначального минерала не сразу образуются
конечные продукты его разложения, а согласно принципу Оствальда образуется
ряд промежуточных соединений. Неустойчивые промежуточные соединения
были названы А. Е. Ферсманом мутабильными.

                 11.2. ПЕРЕНОС И ОСАЖДЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

    Вещества, подвергшиеся выветриванию, как химическому, так
и механическому, в виде обломков, тонкой взвеси и растворов вещества
переносятся поверхностными водами на большие расстояния, в главной своей
массе достигая морских бассейнов.


                                   109


     Перенос ветром (для песков пустыни это очень существенный фактор)
происходит в отличие от водных растворов только механически и с точки
зрения геохимических процессов не представляет для нас интереса. Кроме того,
в количественном отношении его роль намного меньше, чем переноса в водной
среде, особенно талыми водами и потоками, образовавшимися в результате
сильных дождей.
     Перенос водным путем. В зависимости от формы переноса Н.М. Страхов
выделяет четыре различные группы веществ:
     К первой группе речного стока относятся легко растворимые соли –
хлориды и сульфаты: NaCI, KC1, MgSО4, MgCl2, CaSO4, СаCl2. Они
присутствуют в речных водах только в виде истинных ионных растворов
и никогда не образуют коллоидных растворов и механических взвесей.
     Ко второй группе компонентов речного стока относятся карбонаты
щелочноземельных металлов – СаСОз, MgСОз, Na2СОз, а также кремнезем
SiO2. СаСОз находится преимущественно в виде бикарбонатных ионов. При
резком усилении механической денудации (в горных районах) появляется
взвешенный кальцит. Подобным образом, по-видимому, переносится и SiО2. По
последним данным, кремнекислота транспортируется в виде, главным образом,
истинного раствора, в резко недосыщенном состоянии.
     К третьей группе компонентов речного стока относятся соединения
железа, марганца, фосфора, а также некоторых редких элементов (V, Cr, Ni, Co,
Сu и др.). Для них характерна малая растворимость соединений в воде, поэтому
наряду с истинными растворами они образуют также коллоидные растворы.
Бо′льшая доля растворенного железа мигрирует как золь Fe (OH)+3,
защищенный коллоидным органическим веществом или золем SiО2.
Коллоидные системы образуют также железоорганические соединения (гуматы
железа). Из перечисленных элементов наиболее растворимые соединения дает
фосфор.
     К четвертой группе компонентов речного стока относятся кварц,
силикатные и алюмосиликатные минералы. Растворимость этих веществ в воде
ничтожно мала и часто равна нулю. Они переносятся в реках и временных
потоках двумя способами: в виде тонкой взвеси и волочением по дну более
грубозернистого материала. При этом распределение минералов происходит
неодинаково. Глинистые минералы – каолинит, гидрослюды, монтмориллонит,
а также цеолиты переносятся преимущественно во взвешенном состоянии, так
как могут расщепляться на мелкие чешуйки. Кварц, полевой шпат и минералы
тяжелой фракции переносятся путем волочения по дну, как и крупные обломки
горных пород.


                                     110



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика