3 Объекты химического анализа в геологии

В природе элементы обычно рассеяны и распределены неоднородно. В отдельных участках – так называемых аномальных зонах, или аномалиях, их содержание значительно превышает среднее (фоновое).

При помощи геохимических методов изучают закономерности распределения химических элементов в горных породах, в рыхлых отложениях, почвах (в литосфере), природных водах (гидросфере), растениях (живом веществе), атмосфере с целью выделения участков, перспективных на обнаружение месторождений полезных ископаемых.

В поисковой геологии объект химического анализа – это объекты литосферы, гидросферы, биосферы, атмосферы. Пробы для анализа отбирают в коренных породах, рыхлых отложениях различного генезиса (происхождения), природных водах. Проба может представлять собой отобранный для анализа подпочвенный воздух или воздух из нижних слоёв атмосферы. Собранные с определённой площади верхние части растений или их корни могут представлять собой пробы для химического анализа. В зависимости от этого различают литохимические; гидрохимические; биохимические; атмохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых. Отсюда видно, что проба вещества объекта анализа может быть неорганического и органического происхождения и находиться в различных агрегатных состояниях.

Согласно классификации видов месторождений полезных ископаемых для геолога объект химического анализа это:

1. Горные породы, руды, полезные минералы и кристаллы;

2. Драгоценные и технические камни, ценные кристаллы;

3. Мрамор, галечник, щебень, гравий, пески, полевые шпаты, глины и каолиниты, кварциты, оливины и дуниты, мергели, базальты, диабазы, лёсс, охры, шунгиты, известняки, доломиты, мел;

4. Торфы, ископаемые угли, горючие сланцы, асфальты, озокериты, пиробитумы,

5. Нефти, природные газы, природные подземные воды

Однако перечисленные полезные ископаемые не находятся в природе в чистом виде. Они существуют в составе «пустой» породы и других природных образований. Химик-аналитик проведёт химический анализ отобранной геологом пробы. В поисковой геологии – это горные породы, руды, минералы, подземные воды, подпочвенный воздух) и ответит на вопрос, из каких химических компонентов состоит вещество анализируемой пробы и каково их содержание.

Геолог, отдав пробу на химический анализ, желает знать, можно ли отнести найденный объект к месторождению полезного ископаемого. Для этого он проведёт «геологический» анализ данных химического анализа большой совокупности проб, отобранных в определенных точках оконтуренного объёма литосферы, гидросферы или атмосферы. С помощью методов теории вероятностей и математической статистики он покажет, что пробы отобраны с месторождения полезного ископаемого, или его поблизости не существует.

В геоэкологии объекты химического анализа – это вещество коренной породы, почвы, грунта (донных отложений), снежного покрова, поверхностной воды, атмосферного воздуха.

4 Формы нахождения элементов в земной коре

В геосфере химические элементы находятся в живом и неживом органическом и неорганическом веществе в различных химических соединениях. Для решения геологических задач важнейшими формами нахождения элементов в земной коре считаются следующие девять форм, которые геологу нужно уметь идентифицировать. Эта информация считается исходной при проведении химического анализа отобранных геологом проб. Она позволяет подобрать такой способ подготовки пробы к химическому анализу, который обеспечивает получение достоверных результатов анализа.

1. Самостоятельные минеральные виды – это форма нахождения элементов в химических соединениях, характерных для минералов. Элементы находятся в кристаллической решётке ионных кристаллов, или в виде ионов, в виде окислов, простых и комплексных солей. Это важнейшая для литосферы форма существования химических элементов. Элементы, находясь в этой форме, мигрируют совместно в постоянном соотношении между собой. Миграция отдельных элементов, составляющих минералы, возможна только после разрушения последних. К минеральной форме нахождения элементов отнесено и сравнительно небольшое количество коллоидных систем с твердой дисперсной средой. Среди них выделяются кристаллозоли и криcraллогели. Миграция составляющих их элементов происходит в минеральной форме и только совместно. Однако соотношение между элементами в каждом отдельном обломке может быть резко различным. Это отличает коллоидные минералы от остальных и приближает их к изоморфным смесям.

2. Иэоморфные смеси в минералах представляют собой закономерное замещение аналогичных элементов друг другом в кристаллических решетках. В этой форме моryr находиться практически все известные элементы, а для части их (Rb, Те, Pr, Nd, Еu, Gd, ТЬ, Dy, Но, Ег, Тu, Lu, Hf, Re) в литосфере она является преимущественной. Элементы, образующие изоморфные примеси, мигрируют только совместно с минералом-хозяином. Это сближает изоморфную и минеральную формы нахождения элементов.

З. Биогенная форма – это форма нахождения элементов в животных и растительных организмах. В живых организмах выявлены уже почти все известные элементы. В растениях и животных элементы встречаются в виде сложных органических соединений. Многие металлы, реагируя с природными органическими кислотами, образуют металлоорганические или комплексные соединения. Большой материал накоплен по особенностям распределения элементов в различных частях растений и животных. Элементы находятся в водных растворах, также образуя самостоятельные минеральные виды.

4. Водные растворы составляют отдельную оболочку Земли, называемую гидросферой. В поверхностных и подземных воды элементы могут находиться в виде ионов, молекул, органических комплексных соединений. Основная часть элементов в связи с процессами диссоциации в растворах представлена анионами и катионами. Анионы в основном комплексные, катионы бывают связаны с молекулами воды в аквакомплексы. Распад на ионы наблюдается при растворении в воде веществ с ионной, металлической и ковалентной связью. Довольно много элементов переносится в природных водных растворах (в том числе и гидротермальных) в виде комплексных соединений с нейтральными молекулами или ионами противоположного знака.

5. Гaзoвыe смеси составляют верхнюю оболочку Земли – атмосферу. Постоянные компоненты атмосферного воздуха - это N₂, 0_2, С0₂, Ar, Ne, Кг, Хе, Н₂, Не, СН₄, Н₂О. На газовых и нефтяных месторождениях npeобладают газы С0₂, СН₄, Ar, N₂, Не, Н_2, H₂S; на каменноугольных месторождениях - СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈, Н_2, CO₂, N₂; в водах морей и современных осадков обнаружены углеводороды, H₂S, NH₄, N₂, СО₂, благородные газы. Газы магматических пород содержат углеводороды, N₂, С0₂, Н₂, Аг; вулканические газы - HCl, S0_2, H₂S, С0₂, Н₂, Cl₂, N₂, Ar, SОз, Н₂О, СН₄, СО. Подавляющее большинство газов находится в виде молекул, однако в верхних слоях атмосферы встречаются атомы и ионы. Значительное количество газов находится в пустотах и полостях осадочных и магматических пород почв в сорбированном состоянии, в виде включений в минералах.

6. Коллоидная и сорбированная формы. Коллоиды широко распространены в океанических и континентальных водах, в атмосфере и на суше.

Коллоидное состояние веществ гетерогенно, то есть в нем химические соединения находятся или в разных агрегатных состояниях, или в разных фазах, отличающихся своими физическими или химическими свойствами. При этом одна из фаз состоит из частиц размером 0,1 – 1 мкм (дисперсная фаза), распределенных в дисперсионной среде. В общем случае дисперсные фазы, как и дисперсионные среды, могут быть твердыми, жидкими и газообразными.

Для геохимических анализов важен случай, когда дисперсная фаза твердая и представлена металлами (Au, Аg, Pt, Bi, Sn и др.), гидроксидами металлов (Fе(ОН)з, Al(ОН)з, Ti(OH)₄ и др.), оксидами (МnО₂, Si0₂ и др.), сульфидами (PbS, SЬ₂S_з, As₂S_з и др.), глинистыми минералами (галлуазит, каолинит, монтмориллонит и др.)

Твердые дисперсные фазы чрезвычайно широко распространены в атмосфере в виде аэрозолей. Из-за высокой степени дисперсности и большой суммарной поверхности дисперсной фазы коллоидные системы облaдaют повышенным запасом свободной поверхностной энергии. Ее самопроизвольное уменьшение приводит к сорбции (концентрированию веществ на поверхности paздела фаз). Аэрозоли по содержанию в них металлов можно разделить на две группы: первую – Zn > Cu > Мn > Cr > РЬ > V > Ni > Аs; и вторую – Cd > Se > Со > Hg > Sb > Sc, в которой концентрация элементов примерно на порядок ниже, чем в первой. В целом над континентами в виде аэрозолей содержатся тысячи тонн химических элементов первой группы и сотни тонн – второй. Аэрозольные съемки, относящиеся к атмохимическим поискам, активно используют в геоэкологии.

7. Магматические расплавы – это сложные, изменчивые (в связи с изменением термодинамических условий), насыщенные газами системы. Состояние элементов в них до сих пор является плохо изученным. Магма – это расплав, состоящий из оксидов. В магме находятся также комплексы металлов, соответствующие будущим минералам. Считается, что в магме существуют два основных вида комплексов: октаэдрические группы (среди них преобладают [Mg0₆] и [СаО₆]) и тетраэдрические (преобладают [Si0₄] и [AlО₄]). Кроме них предполагается существование свободных подвижных катионов, атомов растворенных металлов, соединений типа FeS и Fе_зО₄, являющихся в какой-то мере электронными жидкостями, а также отдельных молекул (прежде всего газов).

8. Состояние рассеяния. Оно представляет особую форму нахождения химических элементов земной коры. Предполагают, что состояние рассеяния связано с расположением инородных атомов в «пустых» пространствах кристаллических решеток химических соединений. Содержание элементов в состоянии рассеяния достигает 10^-12 – 10^-15 %, а пределом рассеяния можно считать нахождение 1 атома в 1 см^З вещества. Для ряда элементов (йода, ксенона, радона и др.) это состояние является обычным. Благоприятствует чрезвычайному рассеянию элементов атмосфера: газ, попавший в смесь других газов, полностью в ней растворяется.

9. Техногенные соединения, не имеющие природных аналогов, чаще всего встречаются в почвах, донных отложениях и водах (объект анализа в геоэкологии). Особенно много их в энергично осваиваемых районах, к которым в первую очередь следует относить различные сельскохозяйственные угодья и участки вблизи крупных промышленных комбинатов. Рассматриваемая форма нахождения элементов включает различные искусственные полимеры, пластмассы, пестициды, гербициды, поверхностно-активные вещества, сплавы металлов, и т.д. К ней же следует относить соединения (и элементы в самородном состоянии), вообще встречающиеся в природе, но не образующиеся природным путем в тех конкретных условиях, где они были выявлены.