Скачать 0.84 Mb.
|
16. Геохимия экзогенных процессов. Экзогенными называют следующие процессы:
Подробно эти процессы рассматриваются в науке Литология. Здесь же мы рассмотрим главные геохимические особенности этих процессов. 16.1. Выветривание. Выветривание – это совокупность процессов механического и химического преобразования пород и минералов под действием экзогенных факторов (свободный кислород, вода и растворенные в ней вещества, колебания температуры и др.) Различают физическое и химическое выветривание. Физическое выветривание – это механическое разрушение пород и минералов. Количественно оно всегда преобладает и наиболее интенсивно протекает в районах с сухим жарким климатом. Физическое выветривание не меняет химизма исходных пород и минералов за исключением того, что возрастает окисленность элементов переменной валентности. Химическое выветривание – это химическое разложение минералов выветриваемых пород. Устойчивость породообразующих силикатов к химическому выветриванию можно описать последовательностью обратной ряду Боуэна. В отношении других минералов можно отметить, что более устойчивыми являются кислородсодержащие минералы катионов высокой валентности (рутил T2O2, корунд Al2O3, циркон Zr[SiO4], кварц SiO2 и др.). Наименее устойчивыми являются сульфиды. Главными реакциями химического выветривания являются: гидролиз, гидратация, окисление, карбонатизация. Гидролиз минерала – это реакция его разложения под действием протонов Н+ молекул воды. Протоны как бы выталкивают более слабые катионы из структуры минерала, занимают их место, но тут же, прилипая к ближайшим кислородам, превращаются в ОН-группы. Например, гидролиз КПШ описывается реакцией: 4 * К [Al Si3O8] + 22H2O + 4 * CO2 = Al4 [Si4O10] (OH)8 + 8 * Si (OH)4 КПШ каолинит ↓ 8 * SiO2 * 16 H2O (опал) Эта реакция помимо гидролиза КПШ демонстрирует также гидратацию и карбонатизацию продуктов разложения КПШ. В условиях тропического климата гидролизу подвергается и каолинит по реакции: Al4 [Si4O10] (OH)8 + 10 * H2O = 4 * Al (OH)3 + 4* Si (OH)4 (или 4 * SiO2 * 8 * H2O). В условиях наиболее полного (глубокого) гидролиза в продуктах оказываются гидроксиды металлов, что и наблюдается в условиях тропиков. Гидролиз, сопровождаемый окислением железа и серы, можно продемонстрировать реакциями химического выветривания пирита: 2 * FeS2 + 2 * H2O + 7 * O2 = 2 * FeSO4 + 2H2SO4 ; FeSO4 + H2O + O2 = Fe (OH)3 + H2SO4 В итоге, в результате химического выветривания образуются глинистые минералы, гидрокарбонаты, опал, гидроокислы металлов, сульфаты и др. Гидролиз, карбонатизация, гидратация сопровождают разложение диопсида: CaMg [Si2O6] + 6 * H2O + 4 * CO2 = Ca (HСO3)2 + Mg (HСO3)2 + 2 * SiO2 * 4H2O 16.2. Перенос, осаждение и дифференциация продуктов выветривания. Продукты выветривания переносятся в бассейны осадонакопления водой, ветром, льдом, силой тяжести. Главным является водный перенос, характерный для зон гумидного климата. Продукты физического выветривания переносятся в виде твердых частиц волочением и во взвешенном состоянии. Продукты химического выветривания переносятся: 1) в истинных (ионных) растворах; 2) молекулярных растворах; 3) коллоидных растворах; 4) в виде растворимых металл-органических комплексов; 5) в сорбированном состоянии (на глинистых минералах, органических веществах, на коллоидных частицах). Растворимость элементов в водных растворах можно оценить по величине ионного потенциала иона ИП = Wi / Ri, где Wi – валентность иона, Ri – его радиус. Катионы, у которых ИП ‹ 3, легко переходят в ионные растворы в природных водах. Это K, Na, Ca, Mg, Fe2+, Li, Rb, Cs, Sr, Ba, Mn, Cu, La и др. Катионы, для которых 3,0 ‹ ИП ‹ 12, образуют соединения нерастворимые в воде и они либо остаются в зонах выветривания в виде оксидов, гидроксидов, либо мигрируют в иных формах. Это – Fe3+, Al, Mn4+, Ti, Si, Sn, Zr, Be и др. Катионы, для которых ИП › 12, соединяясь с кислородом, образуют комплексные ионы растворимые в воде. Это – S, P, C, B, N, Mn7+, U6+, V5+. Они мигрируют в истинных растворах в виде комплексных ионов SO2-4, PO3-4, CO2-3, HCO-3, BO3-3, NO-3, MnO-4, UO2+2, VO+2. Главным конечным пунктом сноса продуктов выветривания является мировой океан, где они и осаждаются. В процессе переноса и осаждения продуктов выветривания они подвергаются механической и химической осадочной дифференциации. Механическая дифференциация заключается в разделении частиц по размеру, удельному весу, форме. Чем меньше размер частиц и интенсивнее динамика водного потока, тем дальше частицы уносятся от мест выветривания. Поэтому осаждаться они будут в следующей последовательности: глыбы → брекчии → конгломераты → гравий → песок → алевриты → пелиты. Дифференциация по удельному весу переносимых частиц заключается в том, что чем больше удельный вес частиц, тем меньше дальность их переноса и осаждаться они будут в более грубозернистых механических осадках. Следствием этого является образование россыпей тяжелых минералов (d › 4 г/см3) в песках, гравии и даже в конгломератах. Образуются россыпи золота, платины, циркона, рутила, ильменита, титанита, касситерита и др. Дифференциация по форме заключается в том, что при всех прочих равных условиях раньше других осаждаются изометрические зерна, затем удлиненные зерна, а листоватые, чешуйчатые, пластинчатые зерна уносятся дальше всех и поэтому осаждаться могут с более тонкими осадками. Например, мелкие чешуйки слюды в глинистых осадках. Химической дифференциации подвергаются продукты химического выветривания. Она заключается в том, что они осаждаются в порядке, обратном их растворимости. Осадочная химическая дифференциация отражена следующей схемой (по Пустовалову): п е р е н о с
Гумидный тип литогенеза Аридный тип литогенеза Образующиеся при химическом выветривании оксиды железа и алюминия нерастворимы в воде и поэтому формируют осадки уже в зонах выветривания (например, в корах выветривания), либо сносятся механическим путем в тонкодисперсном виде в ближайшие болота, озера и тоже остаются на континенте. Но большая часть этих оксидов в виде коллоидных растворов достигает морей, океанов. На границе река-море коллоидные растворы разрушаются под воздействием ионов морской воды, частички слипаются, укрупняются и разносятся в виде мути по шельфу и далее по всей акватории. В застойных участках шельфа они осаждаются и, накапливаясь, образуют месторождения железных руд и бокситов. Оксиды марганца (Mn4+) тоже нерастворимы за исключением Mn2+ (Mn (HCO3)2 растворим в воде) и Mn7+ (ион MnO-4 растворим в воде). Поэтому часть оксидовMn остается на континенте, но большая часть достигает морей в коллоидных растворах, которые сразу разрушаются, частички слипаются и разносятся. В застойных прибрежных участках они могут дать месторождения. Эти месторождения Mn и Fe, располагаясь на шельфе, находятся в кислородной зоне Мирового океана. Кремнезем SiO2 несколько более подвижен, чем Fe, Mn, Al, т.к. обладает заметной растворимостью и в ионной и молекулярной формах. Переносится он и в коллоидных растворах. Попадая в Мировой океан, кремнезем остается в растворе. Щелочная морская вода и коллоидные его частицы переводит в раствор. Осаждается кремнезем главным образом биогенным путем. Например, оболочки клеток диатомовых водорослей сложены опалом. После отмирания водорослей на дне накапливаются кремнистые илы. Они распространены на шельфе, также на континентальном склоне и в ложе океана. На края шельфа и в верхней части континентального склона, т.е. на границе кислородной (окислительной) и углекислотной (восстановительной) зон океана, разносимые по акватории тонкие частицы гидрооксидов Fe3+, в осадке с периферии начинают восстанавливаться (т.е. Fe3+ → Fe2+) и переходить в форму Fe(HCO3)2, которая растворяется, поставляя в среду осадка ионы Fe2+. Эти ионы Fe2+ вместе с органогенным кремнеземом и другими компонентами осадка порождают силикат железа – глауконит. В нем ионы Fe3+ преобладают над Fe2+, и это маркирует место его образования на границе шельфа и континентального склона. У этой же границы, но чуть ниже по континентальному склону железо связывается в другом силикате – шамозите, в котором уже ионы Fe2+ преобладают над Fe3+. Вмещающими для глауконита, чаще всего, являются песчаные осадки, а для шамозита – алевритовые. Еще ниже, в средней части континентального склона, т.е. в восстановительной (углекислотной) зоне, ионы Fe3+ совсем исчезают и в осадках, обогащенных железом, при их диагенезе образуется карбонат двухвалентного железа – сидерит в виде пластовых залежей или конкреции в глинистых породах. Начиная с зоны образования сидерита и глубже, т.е. на нижней половине континентального склона и в океаническом ложе господствуют глинистые осадки, т.е. самые тонкие осадки, местами сменяемые мергелями, органогенными известняками, доломитами. На этом заканчивается ряд осадков, образующихся в условиях гумидного литогенеза. А в аридном типе литогенеза с известняков и доломитов все только начинается, но карбонаты здесь другие, они - хемогенно-осадочные и образуются вследствие упаривания морской воды в мелководных заливах, лагунах морей в аридном климате. Сначала осаждается кальцит, затем доломит. Порядок осаждения здесь регулируется ионной растворимостью, а это значит – концентрацией ионов в воде. Концентрация же обуславливается степенью упаривания морской воды. Поэтому с увеличением степени упаривания последовательно осаждаются: гипс, ангидрит – галит NaCl – сильвин KCl – карналлит КCl * MgCl2 * 6H2O – бишофит MgCl2 * 6H2O и др. 16.3. Диагенез. Диагенез – это совокупность процессов, происходящих в осадке и превращающих его в породу. Он начинается сразу после осаждения. Движущей силой диагенеза является физико-химическая неравновесность различных компонентов осадка друг к другу, к среде и к изменениям химизма среды. Осадок – смесь разных по восстановленности-окисленности компонентов, по щелочности-кислотности компонентов, по растворимости компонентов и по другим параметрам. Поэтому возникают силы, приводящие компоненты осадка в равновесие друг с другом. Например, в осадке имеются окислы Fe, Mn, которые неравновесны с органическим веществом осадка, т.к. оно представляет собой восстановленную форму по углероду и водороду. Органическое вещество осадка неравновесно и с иловой водой осадка, т.к. в ней изначально есть свободный кислород, создающий окислительную среду. Иловая вода осадка стремится придти в химическое равновесие с компонентами осадка и поэтому, стремясь достичь насыщения, она будет растворять (до насыщения) компоненты осадка. Более того, иловая вода будет частично отбирать у глинистых минералов, коллоидных частиц, частиц органики, принесенные ими в осадок химические элементы в сорбированном виде, т.е. будет стремиться придти в равновесие и по этим элементам. Обобщая, можно сказать, что движущей силой диагенеза является стремление системы (осадка) понизить свою энергию Гиббса путем выравнивания химических потенциалов химических элементов всех компонент осадка и среды, т.е. каждый химический элемент стремится, чтобы его химический потенциал в каждом компоненте осадка и в среде был одинаковым и этим самым внести свой вклад в понижение энергии Гиббса системы осадка в целом. Важную роль в диагенезе играет органическое вещество осадка, которое в своем стремлении уравнять химические потенциалы своих химических элементов со средой и другими компонентами осадка, начинает разлагаться, поглощая из среды кислород и выделяя в нее CO2, H2S, H2O и органические кислоты (при неполном разложении). Поэтому среда будет меняться и по химизму, и по Eh, pH. Это заставит осадок вновь устранять неравновесность среды и компонент осадка. Диагенез длится десятки-сотни тысяч лет, и за это время в осадке успевают произойти большие изменения, образуются новые (аутигенные) минералы, которые сцементируют частицы осадка и сделают его породой. Выравнивания химических потенциалов химических элементов в осадке сопровождается следующими процессами:
СаСО3 (раковина) + СО2 + Н2О → Са(НСО3)2 Морская вода – это ненасыщенный раствор и способна растворять. Именно она и пропитывает осадок. Растворению способствует СО2, поступающий от разложения и окисления ОВ осадка.
4СН2О + SO4 → H2S + 4 * CO2 + 3 * H2 или SO2-4 + 2 * C4 + H2 → 2 * CO2 + H2S. В 1 г ила – до 1000000 бактерий.
2 * Fe2O3 + C → 4 FeO + CO2; FeO + 2CO2 + H2O → Fe(HCO3)2 → FeCO3 + CO2 + H2O Подобным же образом восстанавливаются ионы Mn4+, V5+, U6+ и др. до состояний Mn2+, V3+, U4+, причем вследствие этого марганец повышает свою подвижность, а V, U - понижают ее. В верхней зоне осадка глубиной от п * 1 см до п * 10 см среда обычно окислительная, а глубже – восстановительная. Восстановлению химических элементов в осадке могут помогать и бактерии, разлагающие ОВ и поставляющие С, Н, необходимые для восстановительных реакций, отмеченных выше.
Диагенез – это длительная стадия. Она охватывает десятки-сотни тысяч лет. За это время указанные минералы успевают подвергнуться гидролизу (разложению), а продукты гидролиза – претерпеть гидратацию, карбонатизацию. Нередко бывает, что в осадок поступает свежий вулканический материал, который не проходил стадию выветривания. Такой материал в диагенезе претерпевает более интенсивные преобразования реакциями гидролиза, гидратации и карбонатизации.
Зона диагенеза чаще всего распространяется до глубин 300-500 м. Иногда она заканчивается на глубине уже 80 м, а иногда протягивается до глубины 1200 м. При лавинной седиментации со скоростью 1000мм/1000лет средняя продолжительность диагенеза составляет 300-500 тыс. лет, а в целом диапазон охватывает от 80 тыс. лет до 1,2 млн. лет. Глубина диагенетических преобразований напрямую зависит от длительности диагенеза, а длительность связана обратной зависимостью со скоростью осадконакопления. Поэтому, чем меньше скорость осадконакопления, тем интенсивнее диагенез и меньше рассеянного ОВ сохранится в породе. Наоборот, чем больше скорость осадконакопления, тем слабее диагенез и тем больше рассеянного ОВ сохранится в породе. Диагенез наиболее интенсивно протекает в глинистых осадках. В верхнем слое илистого осадка содержится 80-90% воды. На глубине 80 м остается 40% воды, а на глубине 1200 – 20% воды. Эти проценты означают и пористость осадка. Видно, что с глубиной она уменьшается и осадок уплотняется. Температура на подошве зоны диагенеза может достигать 30-500С. В песчаных осадках диагенез протекает слабо, т.к. они бедны ОВ. Пески почти не уплотняются (т.к. зерна касаются друг друга и их трудно дополнительно сблизить). Аутигенное минералообразование в песчаных осадках определяется главным образом взаимодействием захороненных в осадке морских вод и поступающих в песчаные пласты иловых растворов (элизионных вод) из нижележащих уплотняющихся глинистых осадков и пород. Растительное ОВ в диагенезе превращается в торф. 16.4 Катагенез. Катагенез – это стадия глубинного преобразования осадочных пород под действием повышенных температур, давлений и подземных минерализованных вод. Зона катагенеза протягивается до глубины 5 км. Температура у кровли зоны – 30-500С, у подошвы – 150-2000С, давление от первых сотен бар до 1-2 кбар. Длительность – от сотен миллионов лет до 1-1,5 млрд. лет. Катагенез делят на две стадии, которым отвечают разные по глубине зоны пород: 1) ранний; 2) поздний (глубинный). Ранний катагенез охватывает толщу пород до глубины 2-3 км. Здесь температура возрастает до 1000С, давление – до 0,8 кбар, пористость снижается от 20% до 15%. Происходит уплотнение пород, отжатие воды (иллюзионный процесс). Продолжаются процессы гидролиза силикатов, в результате которых они превращаются в глинистые минералы. Полевые шпаты – в смектиты (монтмориллонит) в щелочной среде, а в кислой среде – в каолинит. Мусковит в щелочной среде переходит в гидромусковит, а в кислой – в каолинит. Биотит в щелочной среде переходит последовательно в гидробиотит – вермикулит – глауконит – монтмориллонит, а в кислой среде – в хлорит → каолинит. По вулканическим пироксенам, амфиболам развиваются хлориты. Вулканическое стекло (пепел) превращается в хлориты → смектиты, а стекла кислого состава – в цеолиты. Этот гидролиз, высвобождая щелочные элементы, увеличивает рН поровых вод (рН › 7), среда становится щелочной. Рост температуры увеличивает растворимость и растет минерализация вод от 1-5 г/л вверху зоны до 200 г/л внизу (3 км). Гидрокарбонатные воды с глубиной сменяются гидрокарбонатно-сульфатными вследствие высаживания части карбонатов. Аморфные диатомиты, трепелы превращаются в опоки вследствие уплотнения, но остаются опаловыми, а по опалу развивается кристобалит и халцедон. Торф переходит в бурый уголь. За счет животного ОВ начинают формироваться нефтяные углеводороды, но еще в незначительном количестве (сотые доли процента от содержания ОВ). Глинистые породы могут играть роль манометра через свою плотность, которая у них линейно увеличивается от 1,3 г/см3 (на глубине 80 м) до 2,0 г/см3 (на глубине 3 км), а углистое вещество может играть роль термометра, т.к. содержание Сорг в нем линейно увеличивается от 60% на глубине 80 м до 70% на глубине 2,5 км, что отвечает увеличению температуры среды от 400С до 1000С. Глубинный (поздний) катагенез протекает на глубинах 2,5-5 км. Температура здесь растет от 1000С до 2000С, давление – от 0,8 кбар до 1,5 кбар. Пористость уменьшается от 15% до 2%. Плотность глинистых пород увеличивается до 2,6 г/см3. Подземные воды в зоне являются высокоминерализованными (более 300 г/л) и становятся сульфатными (после выпадения карбонатов), глубже они становятся сульфатно-хлоридными, а еще глубже – хлоридными (после выпадения сульфатов гипса, ангидрита в твердую фазу). Поры заполняются аутигенными цементирующими минералами (кальцит, доломит, кварц, ангидрит и др.). Происходит регенерация кварцевых зерен в песчаниках с зарастанием пор кварцевым цементом (регенерационным). Развивается процесс гидрослюдизации (иллитизации) и хлоритизации монтмориллонита, но не в больших масштабах. Структура иллита более плотная, чем у монтмориллонита и это стимулирует процесс гидрослюдизации по схеме: 3KAl2 [Si4O10](OH)2 * nH2O → 2KAl2[AlSi3O8](OH)2 (иллит) + 6 * Si(OH)4 + K+ Высвобождаемый кремнезем вместе с излишками порового раствора выжимается из уплотняющихся глин в соседние песчаные породы, где образует кремнистый цемент. Этот кремнезем цементирует и сами глинистые породы, превращая их в аргиллиты. Карбонатные породы перекристаллизовываются в мраморы. Исчезает опал. Бурый уголь переходит в каменный уголь и содержание углерода в них повышается до 80%. Глубинный катагенез является главной фазой нефтеобразования из рассеянного животного ОВ в интервале температур 60-1500С. 16.5. Метагенез. Он протекает на глубинах 5-10 км при температурах 200-3000С и давлении 2-3 кбар. Пористость практически исчезает вследствие перекристаллизации всех пород. Глинистые минералы трансформируются в хлорит и серицит. Глинистые породы переходят в глинистые сланцы и филлиты, песчаники – в кварцитовидные песчаники. Халцедон замещается кварцем. Появляются K-Na-ПШ (микроклин, альбит, олигоклаз, эпидот, цоизит и др.). Каменный уголь переходит в антрацит (С ≥ 95%). Исчезновение глинистых минералов является границей перехода метагенеза в метаморфизм. |
Учебное пособие по курсу «Лыжный спорт» Техника и методика обучения классическим лыжным ходам. Учебное пособие по курсу «Лыжный спорт» /фгбоу спо «бгуор». Брянск, 2014 | Учебное пособие к курсу “Upstream” Уровни А2―В1 Издательство «мгимо-университет» Учебное пособие предназначено для студентов 2 курса факультета мэо, которые изучают английский как второй иностранный язык | ||
Учебное пособие включает материалы лекционных занятий по курсу «Социология... Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения всех специальностей, кроме специальностей социально-экономического... | А. Л. Темницкий Социологические исследования Учебное пособие предназначено для студентов и аспирантов высших учебных заведений, заинтересованных в исследовательском воплощении... | ||
Учебное пособие по курсу «Философия науки» Литература, карточка обеспеченности учебной литературой по курсу библиотекой вгпу | Учебное пособие по курсу «Управление качеством» (практикум) Учебное пособие предназначено для студентов экономических специальностей, разработано на основе государственных стандартов по специальностям... | ||
Учебное пособие по курсу “Технология приборостроения” Москва,1998 | Психология Учебное пособие Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения и обучающихся в сокращенные сроки | ||
Учебное пособие М.: Руссобит-М, 2001. 1 Cd-rom математика. 5 класс.... | Учебное пособие Тамбов 2002 г. Авторы составители: Кузьмина Н. В,... Учебное пособие «Создание Web-сайтов» предназначено для слушателей курсов повышения квалификации на базе Тамбовского рц фио по программе... | ||
Учебное пособие представляет собой материалы к курсу «Немецкий язык» Материалы к курсу «Н язык». Казань: Казанский государственный университет, 2009. 40 с | Учебное пособие «Желтухи у новорожденных и детей раннего возраста» Учебное пособие предназначено для послевузовского образования врачей: педиатров и общей практике | ||
Рекомендации по выполнению и защите. Учебное пособие Настоящее учебное пособие обсуждено и одобрено учебно-методической комиссией факультета психологии 17 мая 2001 года | Учебное пособие по политологии. Владикавказ: 2015 г Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной формы обучения направления "бакалавр", преподавателей, аспирантов | ||
Учебное пособие Омск-2003 удк 5(075) ббк 20я73 Л 83 Сборник заданий по курсу “Концепции современного естествознания” : Учеб пособие Омск: Изд-во Омгту, 2003. 68с | Учебное пособие Печатается по решению Учебно-методической комиссии... Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих дополнительные разделы сейсморазведки |