Хімічний склад та розповсюдженість осадової оболонки Землі

Осадова оболна Землі складена з осадових порід. Осадо́ві гірські породи – гірські породи, що утворилися на поверхні літосфери внаслідок вивітрювання та перевідкладення давніших порід різного походження, випадіння речовин із розчинів, нагромадження решток рослинних і тваринних організмів та продуктів їх життєдіяльності, вулканічного матеріалу та матеріалу, що надходить з космосу. Зокрема, утворюються при нагромадженні і цементуванні відкладів, які приносяться водою, вітром, льодом або силою тяжіння. Осадові гірські породи покривають понад 2/3 поверхні Землі і складаються з трьох основних категорій: уламкові, осаджувані хімічно й органічних. Уламкові осадові породи найбільша група, що складається з уламків гірських порід, тобто глини, піску і гравію. До осаджуваних хімічно належать вапняки, гірські породи крейди, і відклади типу гіпсу та нальоту (гірська сіль). Вугілля, нафта, вапняк, що складається з викопних матеріалів, є прикладами органічних осадових порід.

Класифікація осадкових гірських порід основана на їх складі та генезисі. Серед осадкових гірських порід переважають глинисті (глини, аргіліти, глинисті сланці – 48% на платформах, 49% в геосинкліналях), піщані (піски і пісковики – 23% на платформах, 23% в геосинкліналях) і карбонатні (вапняки, доломіт та ін.). Солі становлять 2,8% на платформах і 0,3% в геосинкліналях. У межах материків бл. 20% обсягу всіх осадкових гірських порід залягає на платформах і 48% в геосинкліналях. Понад 75% всіх г.п., що вилучаються з надр Землі (вугілля, нафта, солі, руди заліза, марганцю, алюмінію, розсипи золота і платини, фосфорити, нерудні буд. матеріали тощо), міститься в осадкових гірських породах.

Середній хімічний склад осадових порід (%) по Ф. КларкуSiO2 - 58,53, Al2O3 - 13,07, Fe2O3 - 3,37, FeO - 2,0, MgO - 2,51, CaO - 5,44, Na2O - 1,10, K2O - 2,81, TiO2 - 0,57, P2O5 - 0,15, S - 0,54, H2O - 4,28, CO2 - 4,94, С - 0,65.

Розповсюдженість. Осадова оболонка Землі. складає близько 10% маси земної кори і покриває 75% поверхні. Основна їх маса зосереджена на материках (500 млн. км. 3 ) і континентальних схилах (190 млн. км. 3 ), тоді як на дно океанів доводиться 250 млн. км. 3 .

Закриті та відкриті геохімічні системи, параметри їх стану. Компоненти природних систем. Концентрація та активність, їх співвідношення для макро- та мікрокомпонентів. Рівноважний, ефективний та комбінований коефіцієнти розподілу елементів, методи їх визначення.

До геохімічних систем можна віднести геохімію рудних родовищ, океану, ландшафту, мінералів тощо.

-кларки концентрації елементів на родовищі; -форми знаходження елементів в рудах і ореолах, ізотопні відносини; -парагені асоціації елементів в мінералах, породах, рудах, родовищах і

рудних поясах; -сучасні і минулі геохімічні процеси (обстановки) на рудному полі

родовища, геохімічні зональні; -геохімічні бар'єри; -історична і регіональна геохімія родовищ, рудних районів і провінцій; - геохімічні основи генезису, прогнозування, пошуків, розвідки і

експлуатації родовищ.

Геохімічне вивчення родовищ слід проводити у контакті з іншими геологічними дослідженнями, воно повинне бути пов'язано з мінералогією, стратиграфією, тектонікою, літологією, петрографією, геоморфологією і т.д. Практично майже кожна комплексна характеристика родовища разом з

описом структури, мінералогії і інших особливостей містить відомості про його геохімію. Є дослідження, спеціально присвячені геохімії окремих родовищ.

Кларки і рудоутворення. Поняття про кларки довгий час не використовувалося при аналізі рудоутворення. Разом з тим воно необхідне при вивченні рудних родовищ, оскільки від величини кларка багато в чому залежать число мінералів і генетичних типів родовищ, їх запаси, вміст

металів в рудах і т.д.

Кларки концентрації в рудах коливаються в сотні тисяч раз. але імпульси міграції, рівні 1п КК, порівняно міняються слабо — в межах одного порядку. Це зв'язано з тим, що кларки концентрації входять у формулу і під знаком логарифма.

Мінімальний вміст елементів в руді також знаходить зв'язок з кларками і хімічними властивостями. Так, для чорних металів мінімальний вміст в руді рівно 20—25 %, для кольорових — 0.5 1,0, для рідких- 0,1—0,2, для благородних — 0,0005%.

Геохімія ландшафту, науковий напрямок, що виник на кордоні географії і геохімії в 40-х роках 20 ст. Вивчає міграцію хімічних елементів у ландшафті, використовуючи з цією метою ідеї та методи геохімії, біогеохімії особливо.Перші підходи до вивчення Геохімії ландшафту були зроблені в працях радянських вчених В. І. Вернадського про біосферу (в 1926) і А. Є. Ферсмана з геохімії пустель і полярних областей (в 1931). Засновником Геохімії ландшафту як самостійного наукового напрямку був радянський вчений Б. Б. Полин, який в 1946 сформулював завдання, основні поняття і розробив методику досліджень Геохімія ландшафту

Геохімія ландшафту класифікує міграцію елементів за формами руху матерії.Провідне значення в більшості ландшафтів має біогенна міграція, що виражається в біологічному круговороті атомів, освіта та розкладанні органічних речовин. У результаті круговороту сонячна енергія перетворюється в дієву хімічну енергію. Фізико-хімічна міграція в основному розвивається у водах ландшафту. Вона визначає багато його геохімічних особливостей. За характерними іонам природних вод розрізняють кислі (Н +), кальцієві (Ca2 +) та інші ландшафти. Ділянки земної поверхні, відмічені певними особливостями міграції, іменуються геохімічними ландшафтами, всі їх частини - вододіли, схили, долини і т. д. - пов'язані між собою міграцією атомів. Особливості міграції покладені в основу геохімічної класифікації ландшафтів СРСР і складання ландшафтно-геохімічних карт для території СРСР і окремих регіонів.

Важливим принципом Геохімії ландшафту є історизм. Вивчення геохімічних особливостей ландшафтів минулих геологічних епох становить зміст історичної Геохімії ландшафту. Вона застосовується при пошуках корисних копалин, в охороні здоров'я. Дані досліджень геохімії ландшафтів використовують при пошуках корисних копалин, у медичній географії, при розв'язанні питань охорони навколишнього середовища тощо. До компонентів природних систем можна віднести атоми, іони, елементи.

Геохімія процесів вивітрювання

Вивітрювання це перший процес на шляху перетворення кристалічної породи в осадову. Вивітрювання відноситься до гіпергенних процесів. Під гіпергенезом розуміється зміна гірських порід на поверхні Землі на кордоні літосфери, гідросфери та атмосфери. Параметри зони гіпергенезу: Т від -60 до +60 оС, P-1-25 атм; характерні високі концентрації О2, СО2 і Н2О.
Вивітрювання включає фізичні, біологічні та хімічні процеси, але безсумнівно домінуючу роль відіграє хімічне вивітрювання.
Прикладами фізичного вивітрювання є льодовиковевспахування, розтріскування через різницю температур, фізичний вплив води-замерзання води в тріщинах, і, нарешті, вивітрювання в пустелях при нестачі води під дією переважно вітрової ерозії це теж в основному фізичний процес.
Хімічне вивітрювання
Головний фактор хімічного вивітрювання це вода з розчиненими газами.Особливо важливі п'ять типів хімічних процесів:
1) розчинення,
2) гідроліз,
3) іонний обмін,
4) окислювання
5) органічні реакції.
Розчинення - перехід мінералів у форму іонного або колоїдного розчину, є найбільш простим процесом. Утворення розчинності більшості породоутворюючих мінералів дуже мало, і вони практично не розчиняться, виключення з поширених мінералів являє галіт. Розчинність гіпсу в 40 разів менше ніж Галіту.Цікавий кальцит, який погано розчиняється у чистій воді, але в природі його розчинення протікає у великих масштабах завдяки розчиненого у воді двоокису вуглецю - вуглекислоти. СО2 потрапляє в природні води з атмосфери і в результаті при поверхневого окиснення органічної речовини. Чим більше у воді вміст СО2, тим сильніше розчиняється кальцит, це відбувається по реакції:
CaCO3 + H2CO3 <-> 2HCO3-+ Ca2 +.
Кальцит, арагоніт, магнезит і доломіт розчиняються однаковим чином, але останні повільніше.
Кварц розчиняється шляхом реакції гідратації:
SiO2 +2 H2O <-> H4SiO4, при низькому рН розчинність кварцу дуже мала, але при рН> 9 кремнієва кислота, як дуже слабка кислота, слабо дисоціює, що збільшує розчинність кварцу.
H4SiO4 - H + + H3SiO4-
Основна частина розчиненого в природних водах кремнезему надходить в них не внаслідок розчинення кварцу, а в результаті інших реакцій вивітрювання.
Гідроліз це реакції хімічних сполук з водою з утворенням слабких кислот (H2CO3) або слабких основ (NH4OH). Наприклад, у випадку гідролізу силікатів кремнієва кислота утворюється з реакції типу:
Mg2SiO4 (Форстер) +4 H2O <-> 2Mg2 + +4 OH-+ H4SiO4
Оскільки у воді знаходиться розчинений вуглекислий газ, загальна реакція гідролізу матиме вигляд:
Mg2SiO4 + 4H2CO3 <-> 2Mg2 + + 4HCO3-+ H4SiO4
Вивітрювання інших силікатних мінералів відноситься до такого ж типу реакцій.
При гідролізі алюмосилікатів в якості додаткових продуктів реакції (крім кремнієвої кислоти) утворюються глинисті мінерали:
4NaAlSi3O8 (альбіт) + 4H2CO3 +18 H2O <-> 4Na + + 8 H4SiO4 + Al4Si4O10 (OH) 8 (каолініт) +4 HCO3-
Частина кремнезему, що звільняється при гідролізі, може переходити в розчин у формі колоїду. (Колоїд - проміжний стан речовини між кристалічною речовиною та істинним розчином. Розмір колоїдних частинок - 10-5 -10-7 см, зберігається поверхня розділу між часткою і середовищем-водою, висока міцність зв'язку між частинками і водою, ще не істинний розчин. Колоїди володіють сорбційними властивостями – поглинають поверхнею і об'ємом інші розчинені речовини, у тому числі іони протилежного заряду. У зоні гіпергенезу переважають негативно заряджені колоїди, які сорбують катіони металів.)
В цілому хімічне вивітрювання силікатних мінералів і порід здійснюється за рахунок вмісту СО2 у грунтових водах. Кварц, калієвий шпат і калієві слюди належать до порівняно інертним в хімічному відношенні сполук, тоді як плагіоклаз і темноцветних мінерали є набагато більш реакційноздатними
Іонообмінних реакції набувають важливого значення після того, як при початкових реакціях гідролізу утворюються глинисті мінерали, здатні до інтенсивного іонного обміну міжярусних і поверхневих іонів з іонами розчину.Можуть такі реакції початися і раніше при руйнуванні силікатів. Наприклад, заміщення іонів К + в біоті на іони Н + з утворенням глинистого мінералу - Ілліт.Крім глинистих мінералів в іонному обміні беруть участь колоїди і органічні речовини. Ці реакції важливі для формування хімічного складу грунтів, опадів, розчинів. Катіонний обмін в глинах до і після 2 тижневого витримування в морській воді в лабораторних умовах (mg / 100г сухого осаду):
Са 2 + 18 грудня Mg2 + 10 38 Na + 7 червня K + 12 квітня
Mg / Ca (молярні відношення) 0.21 2.2 Na / K 0.5 1.8
Відносини Mg / Ca і Na / K в глині ​​стають вище, так як Са 2 + і K + заміщуються Mg2 + і Na +.
Окислення - втрата електронів при хімічной реакції. У поверхневих умовах процеси окислення-відновлення важливі тільки для п'яти широко поширених елементів переважно зі змінною валентністю. Головна роль належить кисню.За забарвленням продуктів вивітрювання добре розпізнаються продукти окислення заліза. Окиснене залізо при реакціях гідролізу силікатів окислюється розчиненим у воді киснем з утворенням гематиту:
2Fe2 + + 4HCO3-+ 1/2O2 <-> Fe2O3 (гематит) + 4CO2 + 2H2O
В умовах вивітрювання може бути стійким як гематит, так і гетит, головний компонент лімоніта, HFeO2. Інша поширена реакція окислення заліза проходить за участю піриту: Fe2S + 8H2O +15 O2 <-> 2Fe2O3 +16 H + +8 SO42-
Аналогічно залізу поводиться марганець, головні продукти окислення якого піролюзит (MnO2) і манганіт (Mn2O3xH2O).
З усіх мінералів найбільш легко в кисневому середовищі окиснюються сульфіди, превращаять в сульфати: ZnS - + 2 O2 - ZnSО4
Зазвичай сірка віддаляється із зони вивітрювання у вигляді сульфат-іона.П'ятий елемент, який бере участь в реакціях окиснення це вуглець, він запозичується з органічної речовини і утворює діоксид вуглецю по реакції типу: C6H12O6 +6 O2 <-> 6CO2 +6 H2O
Діоксид вуглецю далі бере участь в реакціях гідролізу. Багато реакції в зоні вивітрювання пов'язані з життєдіяльністю організмів.Окиснення органічного вуглецю може бути викликане діяльністю мікроорганізмів, службовців каталізаторами. Мікроорганізми беруть участь в окисненні Fe, Mn, S. Лишайники, водорості і мохи можуть витягувати катіони з силікатів і виробляти розчинений і аморфний кремнезем. Розкладання мінералів може бути викликано органічними кислотами, які утворюються на коренях рослин і виробляються бактеріями.
Продукти процесів вивітрювання можна розділити на чотири групи:
1) розчинені компоненти, що виносяться із зони вивітрювання, 2) залишкові первинні мінерали, які не вступають в реакції,
3) нові стійкі мінерали, що утворилися в ході реакцій, 4) органічні сполуки, що виникли при розкладанні первинних органічних речовин.
Розчинені компоненти Na +, Ca2 +, K +, Mg2 +, HCO3-, SO42-, Cl-
Залишкові первинні мінерали Кварц, циркон, магнетит, ільменіт, рутил, гранат, Стено, турмалін, монацит.
Нові стійкі мінерали каолінит, монтморилоніт, ілліт, хлорит, гематит, гетит, гіпс, беміт, діаспор, аморфний кремнезем, піролюзит
Органічні сполуки Органічні кислоти, гумусові речовини, кероген.
Численні дослідження були виконані за визначенням стійкості мінералів в зоні вивітрювання і відносної рухливості компонентів при винесенні із зони вивітрювання. Голдічем вперше було показано, що головні мінерали вивержених порід зазвичай піддаються вивітрюванню в порядку зворотному їх кристалізації з розплаву. Стійкість мінералів

Відповідно до загальної думку із зони вивітрювання швидше за всіх виносяться Na, Ca, Mg, менш рухливий К, за ним слідують Si, Fe, Al.
Більш детальна характеристика ступеня виносу рідкісних елементів, міститься в роботі В. М. Гавшіна, який показав ряд рухливості елементів у корі вивітрювання гранітів. Їм виділяється чотири групи елементів:
1) легко виносяться - лужні і лужноземельні елементи (Na, K, Rb, Sr, Cs), Ca, Be, Mg; 2) більш рухливі Si, U, LREE (за винятком Ce), Y;
3) менш рухливі HREE, халькофільних і сідерофільние метали (Cr, Co, Cu, Pb); 4) інертні - елементи гідролізати: Al, Zr, Hf, Ta, Nb, Ce, Th.
Форми переносу осадового матеріалу і елементів при утворенні осадових порід
Основними агентами перенесення є проточні води, вітер, льодовики і сила тяжіння. Залежно від форми перенесення Страхов виділяє чотири групи речовин: a) легко розчинні солі - хлориди і сульфати (NaCl, KCl, MgSO4, MgCl2, CaSO4, CaCl2) присутні у вигляді іонних розчинів, ніколи не утворюють колоїдних розчинів і механічних суспензій, б) карбонати лужноземельних металів - CaCO3, MgCO3, Na2CO3 і кремнезем-SiO2 - переміщуються в розчиненому вигляді та у вигляді механічної суспензії; c) сполуки Fe, Mn, P і велика частина мікроелементів - V, Cr, Ni, Co, Cu - у вигляді колоїдних розчинів і механічної суспензії. д) кварц, силікатні і алюмосилікатні мінерали, так як їх розчинність мізерно мала, переносяться у вигляді суспензії і волочінням по дну більш грубозернистого матеріалу. Причому глинисті мінерали (каолініт, гідрослюди, монтморилоніт), цеоліт переносяться переважно в підвішеному стані, кварц, польовий шпат і мінерали важкої фракції - волочінням по дну, як і великі уламки.
У цілому перенесення речовини у вигляді твердих частинок значно перевищує перенесення у вигляді розчинів, отже, механічна міграція переважає.Наприклад, аналіз матеріалу, доставленого в океани різними агентами перенесення, показує, що механічне перенесення речовини становить близько 80%, а перенесення в розчині - тільки 20%.