Внешние факторы миграции элементов

Эти факторы охватывают физические и физико-химические явления (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Соотношение внешних факторов миграции элементов в Земной коре.

Физические факторы выражены во влиянии главным образом гравитационного, в незначительной мере, электромагнитного и радиационного полей. Физико-химические факторы, включают: наличие простых и комплексных ионных или коллоидных форм растворов; режимы рН, Еh, температуры и давления; диффузионные или фильтрационные условия массообмена, реализацию принципа Ле-Шателье.

Можно выделить три аспекта влияния гравитационного фактора - исторический, пространственный и биологический. С исторических позиций неоспоримо определяющее значение гравитации во время образования планет (аккреции). Когда слипались частицы протопланетного вещества за счет силы тяжести происходила концентрация масс. Так, основная гравитирующая масса Солнечной системы оказалась сосредоточена в Солнце. В планетах Солнечной системы, приближенных к центру масс, концентрировались тяжёлые элементы, а в удаленных - лёгкие. Дальше от Солнца улетели самые лёгкие элементы. Не случайно самые дальние планеты Солнечной системы состоят из льда, метана и аммиака. В какой-то мере этому способствовал солнечный ветер.

Относительно плотными являются планеты Земной группы - Земля, Луна, Венера, Марс и его спутники. Они отличаются тем, что за счет гравитации у них есть ядро, состоящее из металлических расплавов или гидридов тяжелых металлов (Fe-Ni – для Земли). У разных планет состав ядра различен. Вокруг ядер у планет есть плотная мощная твердая мантия. Самой внешней и тонкой оболочкой являются коры. Коры есть у всех планет земного типа. Также у всех планет имеется определенный состав атмосфер (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Состав атмосфер планет Солнечной системы /Портнов, 2002, Войткевич,1977/

Центр гравитирующей массы на планете Земля – ядро. Его окаймляет тяжёлая мантия. Мантия и мантийные породы сложены наиболее плотными породами ультраосновного состава. Земная кора, самая дальняя от этой гравитирующей массы сложена лёгкими породами – метаморфическими (гнейсами, мигматитами), в меньшей мере интрузивными и эффузивными породами (гранитами, липаритами, базальтами) и осадочными отложениями (рис. 2.7). Для Земной коры характерны алюмосиликатные соединения.

Рис. 2.7. Глубинные геосферы Земли /Соколов и др.,2002/.

Гравитация обусловливает перераспределение веществ в приповерхностных явлениях. Она выражается в вязком течении горных массивов и породных масс, оползнях, движении ледников, течении водных потоков. Такие подвижки часто определяют сейсмические и оползневые деформации. Когда мощность ледника достигает 2-3 км, когда горный массив имеет высоту 3-5 км, они интенсивно сползают. Гляциологи, изучая особенности снежного покрова, строение и жизнь ледников, выделяют неподвижные и двигающиеся ледники. Быстро двигающиеся ледники имеют водно-глиняную подложку. Большое количество дождей способно вызвать движение таких ледников, вода также может разжижать грунт.

Большие массы веществ перераспределяются в жидкой форме. В физике потоков выделяют два типа жидкостей – ньютоновские и неньютоновские. Ньютоновские жидкости – это водные и другие растворы и расплавы металлов, которые не изменяют своей вязкости при изменении внешнего давления. То есть они практически мгновенно передают внешнее давление. На этом принципе построены все поршневые и эрлифтные насосы. Данные жидкости подчиняются гидравлическим законам.

Неньютоновская жидкость отличается тем, что при росте внешнего давления она резко уменьшает свою вязкость и разжижается, а при падении давления ее восстанавливает. Оползни, потоки, плывуны и ледники относятся к именно такому типу жидкостей. Большое количество воды также может снизить вязкость неньютоновской жидкости. В результате она может течь при том же гравитационном давлении. Можно также сейсмическим ударом разжижать вещество таких жидкостей и приводить в движение некоторые типы грунтов горных пород (глины, каменные соли, серпентиниты).

На растворимость компонентов влияют температура, давление, кислотно-щелочные (рН) и окислительно-восстановительные (Еh) параметры растворов. Рассмотрим их на примере приповерхностных условий Земли (обстановки гипергенеза). Пределы устойчивости водных растворов и их различные обстановки определяются режимами данных параметров (рис. 2.8). В общем случае рН определяет поведение в растворе кислот, щелочей и амфотеров

Рис.2.8. Характеристика приповерхностных условий в диаграмме Eh-pH /Гаррелс, Крайст,1968/

В условиях Средне-Русской равнины в умеренно гумидном климате рН поверхностных и подземных вод определяется соотношением в них СО2, НСО3- и СО3--. Оно хорошо иллюстрируется диаграммой Бьеррума (рис. 2.9).

Рис.2.9. График соотношения различных форм растворенных карбонатов в зависимости от рН воды.

Воду, газированную СО₂ (спрайт, нарзан и т.п.)., мы воспринимаем как кислую. В природе газированные минеральные подземные воды встречаются редко, и для потребления они, как правило, искусственно газированы СО₂. Нейтральный рН имеет вода с преобладанием НСО₃^- иона, она воспринимается как достаточно вкусная. Повышенная концентрация СО₃^2- иона определяет невкусную щелочную карбонатно жесткую воду. Систематическое употребление такой воды может вызвать каменную болезнь. Камни в почках, желчном пузыре и в других органах имеют либо карбонатный, фосфатный или оксалатный, реже кремневый состав.

Окислительно-восстановительный потенциал (Еh) определяет поведение ионов одних и тех же элементов, имеюших разную валентность, например, серы или железа. Задающими потенциал системами в подземных и поверхностных водах являются концентрации и формы нахождения следующих главных компонентов кислорода, водорода, углерода, серы и железа /Крайнов и др.,2004/. Например, сера может быть: в твёрдой фазе самородной, в виде сульфидов (пирита, марказита - FeS₂ или пирротина – Fe_х S_1-х) или сульфатов (гипса, ангидрита, целестина, барита); газов (SO₂, SO_3, H₂S); растворов сульфатов, гидросульфидов и пр. Заметим, что сероводород хорошо растворяется и является сильно токсичным соединением, а сернокислые растворы при рН 2 - 3 приводят к стерилизации водоемов. Углерод находится в окисленных (СО_2, и НСО₃^-, СО₃^--) или восстановленных (СН₄ и СО) формах. Напомним, что СО ядовит, а повышенные содержания в воздухе СО₂ вредно действуют на человека, вплоть до появления так называемого мертвого воздуха, при котором человек теряет сознание.

Круговорот соединений углерода и серы в гипергенных условиях во многом определяется участием микроорганизмов, что особенно характерно для серы (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Микробиальные превращения соединений серы (по Г.В.Войткевич и др.,1990)

Железо в водных растворах при отсутствии сульфидной серы хорошорастворяется в закисной двухвалентной форме. Окисные формы трехвалентного железа дают твердые минеральные фазы (лимонит, гематит, гетит и пр.).

Таким образом, поведение этих макрокомпонентов задают либо окислительную, либо восстановительную среду. В зависимости от этого находятся в условиях миграции или осаждения ряд токсичных макро- (Fe, Mn, H₂S, CO и др.) и микрокомпонентов (Cu, Zn, V, As, Cd, Tl, U и др.).

При анализе внешних факторов миграции элементов необходимо учитывать принцип Ле-Шателье. Он выражен в следующем. Если на систему происходит какое-то воздействие извне, то в ней формируются такие физико-химические процессы, которые направляются на противодействие этому влиянию. То есть физико-химическая система стремится к равновесию.

Существует два разных механизма миграции и концентрации элементов - конвективный и кондуктивный. В первом случае растворённое вещество и растворитель двигаются вместе по соединяющимся порам. Это основной путь движения поверхностных и подземных водных растворов. Движение подземных вод по этому механизму отражает закон Дарси. Согласно нему скорость их движения прямо пропорциональна гидростатическому напору, определяющему давление, и обратно пропорциональна коэффициенту фильтрации.

Второй тип массообмена получил название кондуктивный. Он допускает разные скорости переноса растворителя и растворённых веществ. Это явление диффузии. Уравнение диффузии - это дифференциальное уравнение первой степени, когда скорость изменения концентрации пррпорциональна во времени выравниванию физико-химических параметров. Выделяется несколько типов диффузионного (кондуктивного) массообмена. Первый тип диффузии – концентрационная, при которой со временем происходит выравнивание концентраций компонентов. Второй тип - бародиффузия, когда в зоне перепада давления компоненты, которые дают прочные соединения при больших давлениях (барофильные), переносятся в сторону больших давлений, а барофобные - в сторону низких давлений и происходит выравнивание концентраций. Третий тип - термодиффузия, когда термофильные компоненты мигрируют в сторону высоких температур, а термофобные – в сторону низких. Есть еще электродиффузия, при которой компоненты перераспределяются к участкам с низким либо высоким электрическим потенциалом. Коррозия бетона, стали, карстовые процессы во многом обусловлены явлениями диффузии.

При оценке внешних факторов миграции необходимо учитывать явление фильтрационного эффекта или эффекта фильтр-мембраны (осмос). Он обусловлен перепадом концентраций, на участке, где имеется полупроницаемая мембрана для растворенных компонентов. Суть мембранных осмотических эффектов – хроматографические процессы.

Необходимо иметь в виду формы переноса компонентов. Можно выделить три их типа:

1) магматические расплавы главным образом алюмосиликатного состава, перемещение и дифференциация которых обуславливает формирование интрузивных и эффузивных тел и в некоторых случаях магматических месторождений алмазов, фосфора, хрома, железа, титана, меди, никеля и платиноидов;

2) механические суспензии, в результате их сепарации образуются россыпные месторождения золота, платины, алмазов, редких металлов, янтаря; к ним также надо отнести оползневые потоки, имеющие важное инженерно-геологическое значение;

3) водные растворы, которые бывают истинными (ионными) и коллоидными. Истинные растворы могут включать простые и комплексные формы растворенных компонентов. Их миграция определяется физико-химическими параметрами. Коллоидные частицы – имеют ядро, сольватную оболочку и поверхностный заряд. Например, окислы кремния имеют отрицательную оболочку. Если это гидрооксиды Fe и Mn, то у них положительный заряд. Когда коагулируют (слипаются) частицы, они осаждаются в виде хлопьев. Коагуляция происходит по трём причинам: увеличение концентрации коллоидных частиц, появление частиц другого заряда и снятие заряда при появлении электропроводящей среды.

Геохимическими барьерами называются участки миграционных потоков, где тот или иной компонент начинает осаждаться и концентрироваться в твёрдой фазе. А.И.Перельман выделил разные типы геохимических барьеров.

1. Механический, на котором накапливаются тяжёлые минералы, осаждающиеся при падении скорости речных или морских водных потоков; на них формируются платиновые, золотые, алмазные и др. россыпи.

2. Эвапорационный или минерализации, когда вещества выпадают из пересыщенных растворов. Например, кристаллизация каменных солей (гипса - СаSО4*2Н2О, галита -NаCl, сильвина КCl и пр.) в солеродных бассейнах.

3. Окислительный, например переход закисных форм железа в окисные (образование гидрооксидов железа - ржавчины).

4. Восстановительный, например, формирование самородной серы из сульфатов.

5. Кислотно-щелочной или барьер обмена, например, при контакте хлоридных растворов стронция и гипса (СаSО4*2Н2О) может получится минерал целестин (SrSО4).

6. Термодинамический в виде резких изменений давления или температуры. Так например, при резком остывании природных термальных вод из них выпадают многие минералы и формируются кварцевые или карбонатные жилы.

6. Сорбционный, на котором в веществах, обладающих большой поверхностью (сорбенты), могут накапливать отдельные компоненты газов и растворов. Например, активированный уголь, на котором адсорбируются метан, сероводород и другие ядовитые газы. Хорошими природными сорбентами являются глины, цеолиты, фосфориты, гидрооксиды железа, марганца и титана. Мел также является хорошим сорбентом. Мел - это окаменелые скопления планктоногенных микроорганизмов, которые строили свой скелет из карбоната кальция (кальцита). Когда они отложились, то создали микропористую структуру мела. Аналогичные мелу образования кремнестроящих организмов планктона создали осадочные пласты опок и трепелов. Они также являются хорошими сорбентами, мягкими абразивами и легкими наполнителями бетона.

Эндогенные процессы

В геологии принято выделять эндогенные и экзогенные процессы. Первые связаны с внутренней энергией нашей планеты (рис. 3.1). Вторые - с энергией Солнца, органического вещества и гравитацией.