книги из ГПНТБ / Тугаринов А.И. Общая геохимия. Краткий курс учеб. пособие

Происхождение бокситов всецело связано с выносом кремнезема, при котором глинистые минералы замещаются диаспорой, бемитом, гиббситом. Главный фактор, способствующий протеканию этого процесса, — жаркий влажный климат, удерживающийся длитель­ ное время в области бокситосбразовання.

Таким образом, бокситы могут возникать по самым различным первичным породам, прошедшим предварительно стадию глинистого выветривания. Частично о характере, первичной породы можно су-

Рис. 56. Зависимость глинистого выветривания от влажности климата.

дить по рассеянным элементам, накапливающимся в боксите. Так, накопление хрома, ниобия является признаком основных пород, в то время как появление в бокситах циркония, урана, тория будет указывать на участие в первичном субстрате гранитов.

§ 3. ВЫВЕТРИВАНИЕ ИЗВЕСТНЯКОВ

Химическому выветриванию особенно подвержены известняки, сравнительно легко растворяющиеся под воздействием поверхност­ ных и грунтовых вод в условиях теплого тропического климата. Известны огромные карстовые полости, расположенные на сотни метров ниже земной поверхности.

Растворение известняков в данном случае происходит под дей­ ствием тех же агентов, что и при разложении калиевого шпата. Процесс идет согласно реакции

СаС08 + Н 20 + С02 = Са(НС03)2.

Образующийся в результате бикарбонат кальция выносится с по­ верхностными водами. Так же будет происходить вынос кальция и магния под воздействием органических кислот на карбонаты.

Одной из важнейших особенностей выветривания известняков является так называемая terra rossa — продукт выветривания, пред­ ставленный окислами железа и алюминия, накапливающийся в зо­ нах происходящего растворения известняков. Если основной сла­ гающий материал известняков — Ca, Mg — выносится в виде би­ карбонатов, то более инертные А1 и Fe остаются, образуя харак­ терный буроватый ландшафт, типичный для тропических стран.

§ 4. ОБРАЗОВАНИЕ ПОЧВ

Сопоставляя состав горных пород и растворенной части солей рек, дренировавших те же районы, Б. Б. Полынов сделал вывод о существовании остаточных элементов и подвижных и предложил миграционные ряды главных элементов (табл. 39).

Т а б л и ц а 39

Миграционные ряды элементов (по Б. Б. Полынову)

Хлор обладает самой высокой миграционной способностью: если условно принять ее за сто, то у элементов второй группы она будет равна единицам, у третьей —• нескольким десятым и т. д. (см. табл. 39). Пустыням Средней Азии свойственны сероземы, отвечающие первой группе. Эти почвы содержат карбонаты каль­ ция, соединения серы, хлора. Черноземы отвечают второй группе, а подзолы — последней группе.

§ 5. ИНФИЛЬТРАЦИОННЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ

К гипергенезу относятся не только процессы преобразования первичных горных пород. В ходе поверхностной миграции водных растворов могут возникать и рудные залежи.

Рассмотрим один из подобных случаев. На протяжении послед­ них 20 лет шла дискуссия о генезисе известных месторождений ура­ на и медистых песчаников плато Колорадо. Первоначально предпо­ лагалось сингенетичное осадочное происхождение руд. Приводились такие веские доводы, как приуроченность залежей к определенным горизонтам, присутствие в них древесных остатков, вокруг которых происходила концентрация рудного вещества; были выполнены из­

мерения температур образования руд, оказавшиеся весьма низкими, установлены значительные вариации изотопного состава серы, ука­ зывавшие на участие серобактерий в редукции сульфатов при рудоотложении. Однако спустя некоторое время были установлены срав­ нительно молодые значения возраста смолки, встречавшейся в ряде случаев в виде прожилковых образований, т. е. урановое орудене­ ние оказывалось в два раза моложе (90 млн. лет) вмещающих пород. Это позволило предположить гидротермальное происхождение руд.

В то же время исследователи обратили внимание на то, что наи­ более богатые урановые руды в песчаниках — «роллы» — были при­ урочены к определенному уровню палеорельефа, реконструирован­ ного к предполагаемому моменту рудообразования. Последующее изучение роллов позволило определить генезис этих залежей, полу­ чивших название инфильтранионных. Оказалось, что образование их связано с нисходящими водами в пределах проницаемых водных горизонтов, содержавших первоначально рассеянные скопления ор­ ганического вещества, пирита и урана. При движении вод, обога­ щенных кислородом воздуха, происходило интенсивное окисление первичной минерализации урана в песчаниках (L9+ U6+) до тех пор, пока содержавшийся в них кислород не был исчерпан, и тогда воды поступали далее в песчаник, не вызывая окисления пород. На фронте такого перехода окисленного в неокисленный песчаник создавался экран-барьер, характеризовавшийся резким перепадом Eh раствора от +0,5 д о —0,5 в при pH=t7. Благодаря этому в зоне барьера происходило массовое выпадение халькофильных элементов, урана и частично железа, хотя основная масса последнего замещала сульфидную минерализацию гидроокисями на всем протя­ жении пласта от барьера до выхода пласта на поверхность.

С целью воспроизведения в лабораторных условиях этого про­ цесса Л. С. Евсеева создала макет месторождения, в котором между двумя глинистыми пластами был заключен пласт песчаников, содер­ жащий тонко диспергированные сульфиды железа. При пропускании

за счет разрушения сульфидов, а на фронте окисления сульфидов в песчанике (на «барьере») содержание урана достигло 0,01%. От­ работанный раствор по прохождении через весь пласт песчаника со­ держал от 0 до ІО-6 г/л урана.

На месторождениях аналогичного генезиса в зоне барьера соз­ далась своеобразная зональность. Так, например, на фронте заме­ щения первичных пород урановыми рудами, несколько опережая урановую залежь, обычно наблюдалась ванадиевая минерализация, а с тыловой стороны урановая залежь содержала большие количест­ ва селена. В обоих случаях, по-видимому, происходило восстановле­ ние этих металлов из их окисленных более подвижных соединений, подобно урану мигрировавших к барьеру. При первом понижении окислительного потенциала создались условия для восстановления Se4+до Se2+ (мигрировавшего в виде H2Se03). Это связано с чрез­

вычайно низким потенциалом восстановления Se3+(—0,05 в). Затем, при достижении крайних значений потенциала +0,5 в на передовом окончании барьера произошла локализация ванадия в виде Ѵя+ (рис. 57).

Таким образом, область барьера определяла не только пестрый минеральный состав залежи, но и ее размеры. А. И. Перельман в связи с этим предложил критерии для определения промышленных размеров подобных рудных залежей. Так, он полагает, что пер­ спективность этих руд связана с быстрым изменением Еіі и срав­ нительно малой шириной барьера. Многокомпонентность руд он счи­

Спой, богатый,

селеном

J

тает отрицательным признаком, поскольку восстановительные воз­ можности растрачиваются на несколько металлов, а не на один.

Аналогичный процесс был изучен ранее В. Г. Мелковым при ис­ следовании зон вторичного обогащения урановых руд. Был рас­ смотрен классический разрез через урановое месторождение выше и ниже уровня грунтовых вод. Выше уровня грунтовых вод последо­ вательно сменяли друг друга следующие зоны: зона выщелачивания, в которой уран практически отсутствовал, но из-за присутствия сульфатов наблюдалось обогащение радием; выше находилась зона окисления, в которой выделялись три подзоны: нижняя — зеленых урановых слюдок [цейнерит CuU2 (As04) 2 0 4- 12Н20 и ураноспинит CaU2 (AS0 4)20 4-8H20], верхняя— желтых урановых слю­ док [отенит CaU2 (Р04) 20 4• 8Н20, торбернит CuU2 (Р04)20 4- 12Н20] и поверхностная область развития ураносодержащих карбонатов и опала — гиалитов Si02-nH20 (с U03).

Ниже уровня грунтовых вод наблюдалась зона вторичного обо­ гащения, представленная регенерированными урановыми чернями (вторичными окислами урана). Процесс образования этих зон, повидимому, происходил следующим образом. При поступлении с грун­ товыми водами кислорода происходило интенсивное окисление пер­

ОСАДКООБРАЗОВАНИЕ

В предыдущей главе мы установили, что в результате процессов выветривания в континентальных условиях происходит накопление глинистых толщ, конечным результатом разложения которых яв­ ляются бокситы. При выветривании основных пород точно так же накапливаются глинистые образования, обогащенные минерала­ ми никеля, железа.

При гипергенезе рудных месторождений, формировании почв наблюдается следующая закономерность: галоиды, сера, марганец, фосфор, щелочные и щелочноземельные металлы выносятся из пер­ вичных пород, в то время как глинозем, кварц, а при некоторых условиях железо и титан, являются остаточными реликтовыми ком­ понентами.

Какова же судьба химических элементов, которые при гипер­ генезе бесследно покинули места своего былого обитания?

Осадочные образования в целом могут быть разбиты на извест­ няки, песчаники и глины, количественные соотношения между ко­ торыми примерно равны 1 : 2 : 8. Эти соотношения включают как океанические, так и континентальные отложения (см. гл. 11).

Для осадков характерно преобладание калия над натрием. Они отличаются от других пород высоким содержанием Н20 и С 02, присутствием железа в виде Fe20 3.

Перенос вещества с континентов к месту отложения осадков осу­ ществляется на 20% в виде истинных растворов; остальная масса пе­ реносится водами в виде суспензий и твердых веществ.

Б. Б. Полынов приводит следующие ряды соединений, характе­

Все известные осадки можно разделить на пять групп:

1)остаточные продукты (россыпи, коры выветривания);

2)гидролизаты (осадки элементов, подвергающихся гидроли­

зу, — глины, бокситы и др.);

3) продукты окисления (Fe20 3, Мп02 и др.);

4)продукты восстановления (сидериты, сульфиды и др.);

5)продукты химического осаждения (известняки, соли).

Мы исключаем из перечня обычно выделяемую группу биоген­ ных осадков, поскольку участие биогенного фактора неизбежно при формировании осадков почти каждой группы.

Рассмотрим судьбу кремния, железа, марганца, калия, маг­ ния, фосфора и, наконец, рудных элементов в седиментации — это позволит понять основные черты осадочного процесса.

Характерно, что при процессах осадкообразования происходит гораздо более полное разделение компонентов, чем при любом ином геологическом процессе. Чистые известняки, чистые кварциты, чистые глины — такой эффект разделения в масштабах земной коры не дают ни процессы магматизма, ни процессы различного метамор­ физма.

Кроме того, осадкообразование происходит резко дифферен­ цированно в океане (пелагические осадки) и на шельфе (шельфовые и гемипелагические осадки). К последним относятся осадки на тер­ ритории континентов, подвергающихся трансгрессии. Шельфовые осадки несут отпечаток области сноса, поскольку в его пределах осаждаются компоненты, миграция которых затруднена в морской воде, что и приводит к их аккумуляции в прибрежной части океана, непосредственно в дельтовых частях рек.

Данные о распространении осадков различных типов в океане приведены в табл. 41.

Т а б л и ц а 41

Распространение осадков в океане (по А. Полдерваарту)

§ 1. ОСАЖДЕНИЕ КРЕМНИЯ

Кремнезем присутствует в морской воде в ничтожных концен­

кремния в воде связана с биогенным фактором — аморфный крем­

незем (опал) идет на постройку скелета диатомовых водорослей, радиолярий, кремневых губок; даже трава содержит заметное коли­ чество кремния, укрепляющего ее структуру. Поэтому биохими­ ческое извлечение кремния из морской воды является главной при­ чиной низких содержаний кремния в морской воде. Действительно, если нормальная растворимость кремния составляет 0,012% и не

Характерно, что живые водоросли защищают свой кремневый скелет спе­ циальными покрытиями из органических соединений или многовалентных ионов. Однако после их смерти на дне океана одновременно с разложением остатков радиолярий или диатомовых водорослей аморфный кремнезем начинает раство­ ряться. Этот кремнезем, мигрирующий в стадию диагенеза, выделяется в виде цемента в сланцах или кремния на растительных остатках.

Причина выделения кремнезема в ви­ де метасоматических образований в ста­ дию диагенеза может быть раскрыта при анализе поведения карбоната и кремне­ зема в зависимости от колебаний pH среды и температуры окружающей среды. Известно, что с увеличением pH раство­ римость кальцита (в отличие от кремне­ зема) заметно снижается. Увеличение температуры при опускании осадка на

глубину будет вызывать аналогичное действие —■кальцит будет выпадать в осадок, в то время как кремнезем начнет растворяться. При поднятии осадка произойдет обратный процесс — кремнезем будет замещать кальцит.

В древнедокембрийское время в нижнем протерозое «кремне­ любивых» водорослей, по-видимому, не существовало, поэтому морс­ кая вода была насыщена кремнеземом и отложения кремнезема мор­ ского происхождения были не менее часты, чем сейчас известняки. Накопления кварцитов, в том числе и железистых кварцитов, — явное тому доказательство.

Одной из типичных особенностей кремневых осадков является малое количество в них примесей. Это объясняется тем, что неболь­ шой ионный радиус кремния резко ограничивает возможности его замещения.

Присутствие в виде примесей в кремнеземе характерно лишь для бериллия, германия и бора.

Красные глины являются наиболее глубоководными отложения­ ми, покрывающими около 1/4 дна океана.

По составу это тонкая смесь монтмориллонита и в меньшей сте­ пени каолинита, замещаемая гидрослюдами (иллитом) и хлоритом. Процесс замещения регулирует состав вод океана. Количество орга­ нических веществ редко превышает 1%. Окраска красных глин объясняется присутствием гндроокнслов железа.

Происхождение материала красных глин истолковывается двоя­ ко. Это частично твердые частицы, принесенные с суши (в твердой фазе) эоловым либо водным путем, либо гидрогенные выпадения из растворов.

Скорость накопления подобного осадка крайне мала. Она со­ ставляет доли миллиметра за 1000 лет, в то время как в окраинных частях океана она достигает 10 см и более за то же время.

В силу такой медленности накопления осадка он часто сопровож­ дается скоплением большого числа марганцевых конкреций, дости­ гающих в диаметре 100 см.

§ 3. О С А Ж Д Е Н И Е Ж Е Л Е З А И М А Р Г А Н Ц А

Железо и марганец, выступавшие в магматогенных процессах как близкие по своим свойствам элементы, в осадочном процессе резко разделяются. Если в кристаллических породах отношение Mn/Fe составляет 1/25 или 1/50, то в осадочных месторождениях

творимости близки. Дело заключается в реакции на разные pH и Eh раствора. На рис. 59 изображены поля устойчивости некоторых соединений марганца и железа в воде при 25° С, общем давлении 1 атм и варьирующих Eh и pH. Из этих диаграмм следует, что гид­ роокислы железа выпадают в осадок при более низких значениях pH и Eh, чем соединения марганца. В то же время области устой­ чивости карбонатов железа и марганца весьма сходны, хотя их кар­ бонаты имеют разную растворимость. Следовательно, в условиях карбонатного процесса они будут выпадать вместе.

Как мы уже говорили, садка железных минералов происходила с разной интенсивностью в докембрии и в наши дни. Это объясняет­ ся присутствием железа в виде его закисных соединений в древнем океане, когда свободный кислород практически еще отсутствовал

ватмосфере. Особенно богатые железорудные скопления отмечаются

внижнем протерозое (около 2,5 млрд, лет тому назад).

Одно из подобных месторождений (район озера Верхнего, США) было изучено Г. Джеймсом, который выделил следующую фациаль­ ную зональность в отложениях руд разного типа.

В прибрежной части шло накопление песков, алевролитов и на­ конец мелкокристаллического гематита, переслаивавшегося с яш-

мой. Эта фация формировалась в относительно окислительной обста­ новке (рис. 60).

Следующей по мере удаления от берега явилась сидеритовая фация с роговиками. Появление этой фации указывает, по Джеймсу, на незначительное окисление, не приведшее к гематитовой фации.

Рис. 59. Диаграмма состояния минералов железа и мар­ ганца в координатах E h — pH.

Далее следует кремнево-магнетитовая фация, свидетельствующая о дальнейшем углублении бассейна рудоотложения и, наконец, наступает фация силикатная, представленная стильпномеланом, хлоритом, указывающая на специфические условия ее отложения от слабоокислительных до слабовосстановительных.

Эта последовательность отложения хорошо совпадает с диаграм­ мой рис. 59, на которой те же соотношения между минералами под­ черкиваются понижением Eh и незначительным сдвигом вправо pH.