Внешние факторы миграции

Эти факторы обуславливаются средой, окружающей мигрирующие элементы. Действие этих факторов проявляется одновременно и подчиняется определенным законам.

1. Температура– определяет агрегатное состояние системы и скорость течения реакций. Все процессы на Земле и в ее недрах протекают в пределах 80-1800^оС. При повышение температуры на 10^оС – скорость реакций увеличивается в 2 раза. При повышение температуры увеличивается способность атомов или ионов к изоморфизму, с температурой также связывается летучесть элементов. Роль температуры как фактора равновесия системы определяется законом Вант-Гоффа:

lnK₂-lnK₁=Q/R(1/T₁-1/T₂),где K₁, K₂ – константы равновесия реакции

Q – энергия реакции; R - постоянная; T₁, T₂ – температура

Например: SnF₄+2H₂OÛSnO₂+4HF (реакция идет с выделением тепла, экзотермический эффект). Если в системе повышать температуру, то:

T₂>T₁ – t повышается, тогда

1/T₂-1/T₁>0 , значит lnK₂-lnK₁>0 , следовательно K₂>K₁ , т.е. равновесие смещается влево, в сторону увеличения концентрации SnF₄ и уменьшения количества SnO₂.

Если будем понижать температуру, то произойдет смещение вправо, в сторону повышения содержания SnO₂ (пневматолитовый процесс).

2. Давление – Этот фактор оказывает значительное влияние на миграцию элементов в расплавах, растворах и газовых смесях. С изменением давления может происходить изменение фазового состояния вещества без изменения температуры, возможно изменение скорости и направления течения химических реакций. При повышение давления увеличивается способность к изоморфизму. Роль давления можно сформулировать так: повышение давления системы, находящейся в состоянии равновесия, приведет к смещению равновесия в сторону уменьшения объема. Этот фактор следует учитывать при рассмотрении глубинных процессов, так как в верхних частях земной коры (в биосфере) резкого и существенного изменения давления не происходит.

3. Концентрация водородных ионов (рН) – этот фактор характризует кислотность (щелочность) среды и во многих случаях контролирует осаждение элементов или соединений из растворов. Изменение щелочности среды влияет на поступление элементов в растения (в кислой среде уменьшается катионообменная емкость и повышается анионообменная – установлено, что только от изменения щелочности среды может в 2 раза измениться модержание в растениях цинка), на подвижность многих металлов и соединений (например, при рН=5-9 глинозем практически нерастворим, а кремнезем становится подвижным).

4. Окислительно-восстановительный потенциал (Еh) – при изменении этой величины элементы и соединения могут либо растворяться, либо осаждаться из растворов. Для характеристики этого процесса используют ряд параметров – соотношение различных форм серы, оксидов (2) и (3), количество остаточного органического вещества, комплекс минералов железа и др. Изменение оксилительно-восстановительных условий приводит к образованию геохимических барьеров (кислородного, сероводородного, глеевого и др.).

5. Концентрация– увеличение концентрации исходных продуктов приводит к увеличению количества продуктов реакции.

6. Жизнедеятельность организмов – в результате миграции элементов в зоне гипергенеза, связанной с жизнедеятельностью организмов, освобождаются из соединений кислород, азот, диоксид углерода, влияющие на миграцию многих элементов, включая металлы. Органические кислоты, выделяемые корнями растений, разрушают кристаллические решетки многих минералов, способствуя переходу элементов из минеральной формы в растворы. Различные растения выборочно аккумулируют элементы, которые затем при опадении листьев накапливаются в гумусовом горизонте.

2. Законы и правила, определяемые внешними факторами

Правило Ле-Шателье:

Если какой-либо внешний фактор воздействует на равновесную систему, то эта система, в свою очередь, активизирует процесс противодействия этому эффекту.

Например: если система охлаждается, будут идти реакции с экзотермическим эффектом; при повышении давления будет образовываться вещество с большей плотностью и др.

Правило фаз Гиббса:

Устанавливается связь между числом степеней свободы (число независимых переменных, которые мы можем произвольно менять, не нарушая равновесия в системе) системы F (температура, давление, концентрация), числом компонентов, участвующих в системе К и числом образовавшихся из них фаз Р:

F=К-Р+2

Если F=0 – система называется инвариантной. В ней нельзя изменить ни один параметр, не нарушив равновесия.

Если F=1 – можно изменить только один параметр, не нарушив равновесия. Если F=2 – 2 параметра и т.д.

Пар воды: F=1-1+2=2 (можно изменить давление и температуру).

Минералогическое правило Гольдшмидта:

Максимальное число n твердых минералов, которые одновременно, совместно устойчивы при произвольных t и p равняются n компонентам, составляющих эти минералы.

Закон Освальда:

При кристаллизации из расплавов или растворов в первую стадию процесса образуются неустойчивые (лавильные) минералы, которые только через некоторое время перейдут в стабильные формы.

Фильтрационный эффект Коржинского:

Φ=υ растворенного вещества/υ растворителя, где Υ – скорость движения вещества; Φ – коэффициент, характеризующий проницаемость фильтра для данного вещества.

В качестве фильтра могут выступать горные породы. Например, при движении через них гидротермальных растворов: 1 случай – φ=1 – свободное движение растворов (по трещинам, по открытым полостям); 2 случай – φ<1 – наблюдается фильтрационный эффект. Скорость растворителя больше, чем скорость растворенного вещества. Происходит отставание вещества. Это приводит к метасоматозу, к образованию ореолов вокруг рудных месторождений.

Миграция элементов в земной коре зависит не только от их химических свойств и параметров внешней среды, но и от кларков, которые во многом определяют содержание элементов в растворах и расплавах, их способность к осаждению, минералообразованию и др. Роль кларков и химических свойств элемента в его геохимии неодинакова для разных элементов.

Многие элементы с одинаковыми кларками ведут себя в земной коре резко различно (Sn и U, Ga и Co и др.), а элементы с различными кларками – сходно (S и Se, Ca и Sr и др.).

Поэтому геохимия элемента в земной коре определяется как его химическими свойствами, так и величиной кларка (основной геохимический закон В.М.Гольдшмидта).

Химические элементы, ионы и соединения, определяющие условия миграции в данной системе, называются ведущими. Химические элементы с низкими кларками не могут быть ведущими из-за малых концентраций в системах – они вынуждены мигрировать в той обстановке, которую создают ведущие элементы. Редкие элементы в местах их концентрации (например, в месторождениях) становятся ведущими (ртуть, уран, молибден и др.). Но ведущее значение элемента зависит не только от его кларка и концентрации в данной системе, необходимо чтобы элемент мигрировал и накапливался в системе. Распространенные, но слабо мигрирующие элементы не являются ведущими. Один и тот же элемент в разных системах может быть и ведущим, и второстепенным. Если элемент энергично мигрирует, но не накапливается, он также не является ведущим. Например, натрий и хлор энергично выщелачиваются из кислой коры выветривания и не являются там ведущими. Только в соляных озерах, где натрий и хлор мигрируют и накапливаются, они становятся ведущими.

Т.о., можно сформулировать принцип подвижных компонентов: геохимическая особенность системы определяется ведущими элементами, т.е. элементами с высокими кларками, наиболее активно мигрирующими и накапливающимися (А.И.Перельман).