Міграція елементів в земній корі
Вступ
Міграція - переміщення молекул і
атомів у земній корі, рухоме за допомогою цілого ряду чинників різного
походження і протікає кількома способами.
Здатність елемента до міграції
визначається формою його знаходження в земній корі: гірські породи та мінерали,
жива речовина, магма, розсіяна форма. Різноманітність міграції елементів
характеризує число його мінералів, генетичних типів рудних родовищ і т.
д. Ділянки земної кори, в яких на короткому відстані відбувається різке
зменшення інтенсивності міграції хімічних елементів і, як наслідок, їх
концентрація.
Геохімічна міграція в
різних середовищах розрізняється залежно від ступеня тріщинуватості:
У безперервної пористої середовищі,
міграція проходить з однаковою швидкістю між частинками породи;
У дискретної пористої середовищі,
тобто з окремих частинок (грунт, глина). Розміри пір всередині частинки відрізняється
від часу між ними, отже, швидкості міграції в різних частинах породи
різні;
У дискретної середовищі,
взаємодія з розчином відбувається тільки на поверхні частинок середовища.
1. Фактори міграції
Фактори міграції підрозділяються
на внутрішні і зовнішні. Внутрішні чинники - це чинники, пов'язані тільки з
властивостями атомів і їх сполук, в їх число входять:
Властивості зв'язку, що включають
фізичні концентрації речовин;
Хімічні властивості, ступінь
реакційної здатності атомів і сполук;
Енергетичні та
крісталізаціонно-хімічні властивості речовин;
Гравітаційний чинник, пов'язаний
з атомною масою;
Радіоактивні властивості атомів.
Зовнішні чинники визначаються
станом навколишнього середовища, не залежать від індивідуальних властивостей міграції
речовин і включають наступні фактори:
Космічна міграція, що включає
гравітаційну, променисту, теплову енергію, тиск і електричні поля;
Фактори міграції в розплавах,
включають умови гравітаційної рівноваги і дифузії;
Фактори міграції у водних
розчинах, що включають умови міграції як при високих температурах, та і при
низьких;
Фактори міграції в газових
сумішах і надкрітіческіх розчинах;
Фактори механічної міграції;
Фактори міграції в колоїдальних
і монокристалічні середовищі;
Фактори міграції в твердих
тілах;
Фактори біохімічної і
промислової міграції;
Інші фізико-хімічні
фактори.
Дана класифікація охоплює
основні види міграції елементів на Землі і є теоретичною базою для
геохімічних досліджень.
2. Механічна міграція
Механічна міграція
(механогенез) обумовлена роботою річок, течій, вітру, льодовиків, вулканів,
тектонічних сил та інших факторів. Характерне вплив механогенеза --
роздрібнення гірських порід та мінералів, що веде до збільшення їх дисперсності,
розчинності, розвитку сорбції та інших поверхневих явищ. При
диспергирование різко збільшується сумарна поверхня частинок і їх
поверхнева енергія, розчинність мінералів, відбувається розкладання багатьох
мінералів. При механічної міграції важкі мінерали ведуть себе як частки
більшого розміру. Механічне переміщення мінералів залежить від їх
твердості і податливості до вивітрюванню, а дальність - ще й від податливості до
хімічним вивітрюванню.
Механічна денудація --
переміщення зважених часток речовини водними потоками на поверхні суші.
Інтенсивність процесу залежить від клімату, геологічної будови і рельєфу:
вона мінімальна на гумідних лісових рівнинах, де переважає хімічна
денудації, а в аридних областях зростає в сотні разів.
еолові процеси
класифікуються за ступенем віддаленості переміщення зважених в атмосфері
частинок від поверхні Землі:
- локальний перенесення, міграція ні
десятки і сотні км;
- тропосферний перенесення, на
висотах до 12 км на сотні і тисячі км;
- стратосферний перенесення, на
висотах до 60 км частинки можуть багаторазово огинати земну кулю.
Пісок, пил, солі надходять в
атмосферу переважно за рахунок развеянія слабо закріплених пісків,
глинистих і лесових рівнин, солончаків, з акваторій солоних озер або морів і
т.д. Дані явища виражені різкіше на ділянках древньої суші, де протягом
десятків, сотень тисяч, мільйонів років відбувалася еолові акумуляція.
Фізико-хімічна міграція
Найпростіша форма
фізико-хімічної міграції - дифузія - це процес мимовільного і
незворотного перенесення речовини з однієї частини системи в іншу, що виникає
внаслідок теплового руху частинок. Дифузія протікає як в індивідуальному
речовині, так і в суміші; і при будь-якому агрегатному стані. Дифузія в гірських
породах зазвичай супроводжується взаємодією речовини із середовищем. Через
хаотичного руху частинок дифузія переносить їх з одного місця в
інше. У системі, що складається з 2-х і більше речовин, що утворюються дифузійні
потоки, які прагнуть вирівняти концентрації і прийти до термодинамічних
рівноваги.
Дифузія в гірських породах
протікає в складній обстановці. Всі вони містять пори різних розмірів
і форми. Порода є гетерогенними системами, що вміщають розчини та/або
гази, які з нею співпрацюють. У природі речовини звичайно діффузіруют
через серію неоднакових пластів з різним коефіцієнтом дифузії. При цьому
на її проходження можуть вплинути пористість середовища, її структура, вологість
порід і їх шаруватість.
Суміжний дифузії процес --
конвекція - міграція масових потоків газу або рідини, переміщення частинок
відбувається разом з розчинником. Конвекція характерна як для верхньої мантії,
так і для земної кори. Конвекція в пористому середовищі називається фільтрацією,
яка протікає значно швидше дифузії і особливо характерна для
верхній частині земної кори - зони активного водообміну, хоча може розвиватися і
в земних глибинах. Фільтрація енергійніше в складчастих поясах і слабкіше на
платформах і щитах.
Інша форма міграції - сорбція.
При цьому процесі відбувається поглинання газів або рідин твердими або
рідкими речовинами з навколишнього простору поверхнею (адсорбція) або
всім обсягом (абсорбція) тіла. Поглинаючі речовини називаються адсорбентами
(абсорбентами), а поглинаються адсорбатамі (абсорбатамі).
Адсорбція відбувається на кордоні
розділу фаз внаслідок дії на частки сили тяжіння більшій, ніж
діючі рівномірно з усіх боків сили тяжіння частинок один одним.
Адсорбція протікає інтенсивніше, чим більше площа розділу фаз або розвинена
поверхню тіла.
Адсорбція у свою чергу
підрозділяється на фізичну, коли відбувається заняття адсорбатом поверхні
адсорбенту, і хімічну, коли адсорбент і адсорбат вступають між собою в
хімічну реакцію.
Розвитку фізичної адсорбції
незмінно перешкоджає десорбції, зворотний процес адсорбції, через прагнення
до теплового рівноваги і при цьому число адсорбуючих і десорбуються частинок в
одиницю часу утворюється однакова кількість.
При приміщенні адсорбенту в
розчин електроліту відбувається мимовільний іонний обмін між адсорбентом
і розчином, який може бути як з іонами на поверхні, так і з іонами в
обсязі в результаті дисоціації молекул адсорбенту.
Іонний обмін звичайно
супроводжується побічним процесом проникнення і розчинника і розчиненої
речовини в пори гірської породи.
Хімічна адсорбція протікає з
освітою зв'язків, що визначаються структурою адсорбенту. Існує хімічна
адсорбція газів на металах, вугіллі, оксидах металів, при гетерогенному каталізі.
Фізична адсорбція при
зростанні температури здатна перетворитися на хімічну. При хімічній
адсорбції виділяється значна кількість теплової енергії.
Гетерогенний процес відбувається,
коли реагують речовини знаходяться в різних фазах, отже, реакція
можлива тільки на кордоні їх розділу. У силу цього з'являються ускладнюють
фактори, пов'язані з транспортуванням речовин у зону реакції. У природі
гетерогенні реакції відбуваються головним чином між мігруючим речовиною і
вміщає породою.
Будь-які гетерогенні реакції
включають наступні стадії свого протікання:
Підведення речовини до поверхні
породи;
Акт хімічної взаємодії;
Відведення що утворюються в результаті
реакції речовин в об'ємі розчину
Швидкість гетерогенного процесу
на різних стадіях може істотно відрізнятися.
Ізоморфізм - здатність
хімічних елементів, атомів, іонів, блоків кристалічної решітки заміщати
один одного в мінералах, при цьому вирішальну роль відіграють розміри іонів і атомів.
Ізоморфні заміщення можливі, коли радіуси іонів і атомів розрізняються не
більш ніж на 15% від розміру меншого радіусу. При температурах, близьких до
точці плавлення мінералів, ця величина сягає 30%, тобто ізоморфна
сумісність зростає. У алюмосилікатах можливе підвищення показника до 60
% І вище. Для ізоморфізму, крім близькості іонних і атомних радіусів, необхідні
хімічна індиферентність і схожість природи міжатомних зв'язку. Іон меншого
розміру легше заміщає більшого розміру, іони з більш високим зарядом
переважніше заміщають іони з нижчим зарядом, тому що цей процес
супроводжується виділенням великої кількості енергії і підвищує енергію
решітки.
Міграція газів
Гази складають соті частки%
маси земної кори і десяті частки% - гідросфери, однак геохімічна роль
газів не пропорційна їх масі: вирішальне значення має висока рухливість
газів, які мігрують інтенсивніше, ніж речовини в твердому і рідкому
стані. У земній корі виділяються гази повітряного, біохімічного, хімічного
і радіоактивного походження.
Міграція газів здійснюється
шляхом фільтрації та дифузії. Основне значення має фільтрація, швидкість
якої визначається проникністю порід (тріщинуватість, тектонічні
порушення) і змінюється в сотні тисяч разів.
В оцінці міграції газів
необхідно розгляд такого важливого показника властивостей газів як їх
розчинність. Більшість газів в стандартних умовах погано розчиняються у
воді. Зі збільшенням температури розчинність більшості газів знижується, з
збільшенням тиску - зростає. Вуглеводні краще розчиняються в нафті, ніж у
воді, міграція газів з нафтою має важливе геохімічне значення: у місцях
підвищення тиску вуглеводні розчиняються у нафті, а в місцях пониження --
виділяється з неї. Однак у зв'язку з великим масштабом водної міграції з
підземними водами мігрує значно більше вуглеводнів, ніж з нафтою.
Водна міграція
Вода - найбільш універсальна і
найважливіша середу міграції в земній корі. Водні розчини пронизують верхню
частина літосфери, вода - це «кров» земної кори.
Природні води часто
взаємодіють з різними гірськими породами, наприклад великі річки зі складним
геологічною будовою басейну, багато підземні води. Для вод з активною
циркуляцією характерна інтенсивність міграції, а для застійних вод --
інтенсивність накопичення, тому що являє собою кларк концентрації елементів
у мінеральному залишку води.
Електрохімічні процеси
виникають при будь-якій міграції вод через гірські породи, опади, грунту. Системи, в
яких протікають електрохімічні процеси, іменуються геоелектрохіміческімі,
а полюса поля, де концентруються елементи - електрохімічними бар'єрами. У
земній корі існують локальні електричні поля - гальванічні,
фільтраційні, дифузійно-адсорбційні та ін Місцями характерні вкрай
низькі концентрації елементів у розчинах, що виключають їх осадження на
геохімічних бар'єри: Безбар'єрна міграція, далека міграція. Але при
електрохімічних явища в розчинах можливі й значні концентрації
елементів.
Електрохімічні процеси
є одним з найважливіших факторів вивітрювання мінералів діелектриків,
причому катіони виносяться в певній послідовності.
біогенна міграція
Освіта живої речовини і розклад
органічних речовин утворюють єдиний біологічний кругообіг атомів, який в
біосфері протікає повсюдно, хоча в різних формах і з різною інтенсивністю.
У ландшафті і верхніх горизонтах моря в процесі фотосинтезу утворюється живе
речовина, тут же відбувається його мінералізація. Частина органічних речовин
мінералізують не повністю і відкладається в мулах. Закон біологічного
кругообігу - один з основних законів геохімії, згідно з яким в біосфері у
ході біологічного колообігу атоми поглинаються живою речовиною і заряджаються
енергією, яку віддають в навколишнє середовище, залишаючи живу речовину. Головними
носіями енергії є природні води.
Не мінералізовані залишки
органічної речовини перетворюються в осадові породи, у тому числі поклади
торфу, вугілля та інших горючих копалин. Загальна їх маса в багато разів більше
маси живої речовини, а головне кількість органічного вуглецю укладено в
вигляді невеликих домішок гумусових і вуглистих речовин, крапель бітумів і т.д.
Головні перетворення органічні залишки зазнають в грунтах і мулах в період
енергійної роботи мікроорганізмів. Надалі відбувається більш повільне їх
зміна під впливом підземних вод і термокаталітіческім шляхом при прогинання
осадових товщ і зростанні температури або в результаті радіоліза.
Геохімічні своєрідність
біокосні систем визначається поєднанням біогенної, фізико-хімічної і
механічної міграцій. У біокосні системах літосфери відбувається взаємодія
гірських порід з природними водами в близьких термодинамічних умовах. Це
визначає деякі загальні особливості фізико-хімічної міграції, яка
складається з двох протилежних процесів: вивітрювання і цементації.
Міграція елементів при вивітрюванні, у свою чергу, складається з протилежних
процесів: вилуговування з порід та мінералів водних і приєднання повітряних
елементів. Для цементації найбільш характерні акумуляція водних мігрантів на
геохімічних бар'єри, зменшення пористості і збільшення об'ємної маси
порід. Вивітрювання і цементація - різні сторони єдиного процесу міграції:
перша породжує другу.
Залежно від провідного типу
міграції виділяються три типи ландшафтів:
абіогенним ландшафт, з
фізико-хімічної і механічної міграцією;
біогенний ландшафт - складна біокосні
система, в яких грунт, кора вивітрювання, континентальні відкладення,
грунтові та поверхневі води, організми, приземний шар атмосфери тісно між
собою пов'язані міграцією атомів і утворюють єдине ціле; провідна роль
належить біогенної міграції;
Техногенний ландшафт, всі типи
міграції з провідним значенням техногенної міграції.
Техногенна міграція
У ноосферу відбувається
грандіозне переміщення атомів, їх розсіювання і концентрація. Їй властиві
механічна, фізико-хімічна, біогенна міграція, але не вони визначають її
своєрідність: головну роль грає техногенна міграція. Ноосферу характерно
велетенського прискорення міграції. Існує дві групи процесів техногенезу.
Перша група процесів успадкована від біосфери, до неї ставляться біологічний
круговорот, кругообіг води, розсіювання елементів при відпрацюванні родовищ,
розпилення речовини та багато іншого. Техногенна міграція другої групи
знаходиться в різкому протиріччі з природними умовами.
Список літератури
Перельман А.И. Геохімія. - М.:
Вища школа, 1989.
Геохімічні міграції. - М.:
Просвещение, 1987.
Голубєв І.А. Гетерогенні
процеси ... М. 1990.
Список
літератури
Для підготовки даної роботи
були використані матеріали з сайту http://www.studentu.ru/
