Основы геохимии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт Природных Ресурсов

Прикладная геология

Кафедра Геологии и разведки полезных ископаемых

РЕФЕРАТ

Вариант-26

по дисциплине Общая геохимия

Выполнил студент гр з-213А Тажибаев Д.Б

Проверил доцент кафедры ГРПИ Новоселов Н.Л

Томск 2016



План

атмосфера гидротермальный миграция температура

1. Химический состав атмосферы и гидросферы Земли

1.1 Химический состав атмосферы Земли

1.2 Химический состав гидросферы Земли

2. Внешние факторы миграции - температура и давление среды миграции, роль концентрации и закона действующих масс

3. Геохимия гидротермального процесса

Список литературы



1. Химический состав атмосферы и гидросферы Земли

1.1 Химический состав атмосферы Земли

Атмосфера (от греч. бфмьт -- «пар» и уцб?сб -- «сфера») -- газовая оболочка небесного тела, удерживаемая около него гравитацией. Поскольку не существует резкой границы между атмосферой и межпланетным пространством, то обычно атмосферой принято считать область вокруг небесного тела, в которой газовая среда вращается вместе с ним как единое целое.

Атмосфера Земли- это мощная газовая оболочка Земли, доходящая вплоть до ядра и плавно переходящая в межзвездное пространство.

Состав атмосферы

Состав	Масса, т
Газы атмосферы	5270*1012
Газы гидросферы	16*1012
Газы земных недр	440 000*1012

Состав сухого воздуха

Газ	Содержание по объёму, %	Содержание по массе, %
Азот	78,084	75,50
Кислород	20,946	23,10
Аргон	0,932	1,286
Вода	0,5-4	--
Углекислый газ	0,0387	0,059
Неон	1,818·10?3	1,3·10?3
Гелий	4,6·10?4	7,2·10?5
Метан	1,7·10?4	--
Криптон	1,14·10?4	2,9·10?4
Водород	5·10?5	7,6·10?5
Ксенон	8,7·10?6	--
Закись азота	5·10?5	7,7·10?5



Другие газы и аэрозоли

CH4, N2O, SO2, Rn (ппр - 3,8 сут), Tn (54,5 сек).

Металлы: Hg, I, Br, K, Cs, Rb, Cr, Zn, Cu, As, Sb, Na, Cd и др.

Воздух - среда миграции многих химических элементов и их соединений (ионы, коллоиды, аэрозоли, пыль), микроорганизмов.

Отмечается изменение соcтава воздуха:

относительно широты;

от высоты;

территория-акватория;

от «внутреннего дыхания Земли»

от воздействия техносферы

Происхождение и эволюция атмосферы

Эволюция атмосферы неотделима от эволюции Земли, литосферы, гидросферы, биосферы, а в последнее время и ноосферы.

Состав Земной атмосферы уникален.

Первичный состав атмосферы:

преобладали CH4, NH3 Атмосфера была

присутствовали H2, H2O, CO, CO2, HCl и др. восстановительной

На восстановительный характер атмосферы указывает отсутствие красноцветов древнее 2 млрд.лет.

Причины эволюции атмосферы:

1. Аккреция вещества межпланетного пространства (проекты преобразования Марса);

2. Выделение газов при остывании расплавов (например, вулканизм);

3. Химическое взаимодействие газов всех геосфер;

4. Биогенные процессы;

5. Диссоциация газов под действием излучения;

6. Ноосферные (техносферные) процессы.

Подземная атмосфера

Огромна роль во всех эндогенных процессах:

активность процессов;

транспортировка вещества (флюиды)

формирование геохимических барьеров

4 типа газов в подземной атмосфере (по В.В. Белоусову, 1937):

Газы биохимического происхождения (СН4, СО2, N2, H2S, H2, O2, тяжелые углеводороды) - торф, уголь, газ, нефть

Газы воздушного происхождения - поры

Газы химического происхождения при процессах происходящих в недрах (метаморфизм, магматизм) -H2S, СО2, СН4,N2, H2, CO, HCl, HF, NH3, SO2, Cl, и др.

Газы радиоактивного происхождения - Rn, Tn, He, Ar.



1.2 Химический состав гидросферы Земли

Гидросфемра (от др.-греч. ?дщс -- вода и уцб?сб -- шар) -- водная оболочка Земли. Её принято делить на Мировой океан, континентальные поверхностные воды и подземные воды.

Общий объём воды на планете около 1,533 млн кубических километров (по измерению в 2013 г.). Масса гидросферы - примерно 1,46·1021 кг. Это в 275 раз больше массы атмосферы, но лишь 1/4000 от массы всей планеты.

Большая часть воды сосредоточена в океане, намного меньше - в ледниках, континентальных водоёмах и подземных водах. Солёные океанические воды составляют 96,4 % объёма гидросферы, воды ледников - 1,86 %, подземные воды - 1,68 %, а поверхностные воды суши - немногим более 0,02 %.

Океаны покрывают около 71 % земной поверхности. Средняя их глубина составляет 3800 м. Океаническую кору слагают осадочный и базальтовый слои. В водах Мирового океана растворены соли (в среднем 3,5 %) и ряд газов. В частности, верхний слой океана содержит 140 трлн тонн углекислого газа и 8 трлн тонн кислорода.

Поверхностные континентальные воды занимают лишь малую долю в общей массе гидросферы, но тем не менее играют важнейшую роль в жизни наземной биосферы, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. Сверх того эта часть гидросферы находится в постоянном взаимодействии с атмосферой и земной корой.

Воду, которая находится в твёрдом состоянии (в виде ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте), объединяют под названием криосферы. Переходы воды из одних частей гидросферы в другие составляют сложный круговорот воды на Земле.

Гидросфера перекрывается с биосферой по всей своей толще, но наибольшая плотность живого вещества приходится на поверхностные прогреваемые и освещаемые Солнцем слои, а также прибрежные зоны.

Принято считать, что именно в гидросфере зародилась жизнь на Земле. Лишь в начале палеозойской эры начался постепенный выход животных и растений на сушу.

Основные особенности воды

1. Диссоциация воды:

H2O H+ + OH-

pH = - lg[H+];

pOH = - lg[OH-];

Обладает свойствами кислот и щелочей. Самый мощный растворитель

2. Вода гидросферы непрерывно движется, развивается и обновляется.

Периоды полного обновления:

суша - 1 год

Атмосфера - 10 суток

Реки - 12 суток

Озера - 40 лет

Ледники -8,5 тыс лет

Океан - 3 тыс лет

При этом перемещаются огромные массы солей, минеральных веществ, органики, металлов, газов.

Морские воды

V =1370 млн км3

Sводной поверхности=360,8 млн км2

Нсредняя = 3,8 км

Основные черты геохимии:

1. pH = 8(щелочная реакция)

2. Средняя соленость S = 35%є или 35г/кг (Черное море - 18 г/кг; Красное море - 40-60 г/кг; Мертвое море - до 300 г/кг)

3. S=0,03+1,805 ССl (по М.Кнудсену) - средняя хлорность - 19%є

4. Плотность 1,025 г/см3

5. Основные анионы: Cl-, SO42-, HCO3-, CO32-,

Катионы: Na+, Mg2+, Ca2+, K+, Sr2+

6. Морская вода содержит все химические элементы. Ресурсы химических элементов в воде огромны: Au - 5,2 млн. тонн (ежегодно добывается около 2300 т)

Se - 52 млн. тонн

U - 4 млрд. тонн (ежегодно добывается более 50 тыс.т)

7. Газовый состав морских вод: N2, O2, CO2, H2S и др.

Атмосферные воды

525 тыс км3 ежегодно проходят через атмосферу

pH = 6 (дождевые воды) - слабокислые (кислотные дожди)

Минерализация до 100 мг/л (до 0,1%є )

Атмосферные воды - главный компонент поверхносных и подземных вод континентов

Воды поверхности континентов

Ледники, озера, болота, реки

pH от 3,5 (болота) до 12 (содовые озера)

Минерализация от 0,1г/л до 300 г/л

Катионно-анионный состав резко отличается от морских вод.

Морские: Na+>Mg2+> Ca2+; Cl->SO42->HCO3-

Континентальные: Mg2+< Na+<Ca2+; Cl-<SO42-<HCO3-

В основном гидрокарбонатно-кальциевые

Химические свойства и минерализация меняются по зонам и по сезонам

Играют большую роль в преобразовании литосферы, в транспортировке вещества.



2. Внешние факторы миграции - температура и давление среды миграции, роль концентрации и закона действующих масс

Температура и давление - факторы, влияющие на ход (изменение) химических реакций и, следовательно, на миграцию химических элементов. При изменении температуры и давления изменяются парагенетические ассоциации минералов (и элементов). Если геохимические процессы происходят при постепенном понижении температуры - идут реакции с поглощением воды, образованием карбонатов, происходит распад изоморфных смесей (твердых растворов) и др. Температуры, при которых происходили геохимические процессы, можно определить по минералам, так называемым геологическим термометрам (полиморфные превращения, распад твердых растворов, газово-жидкие включения).

Влияние давления особенно ощутимо сказывается на ходе геохимических процессов при его резких изменениях: отщепление газовой фазы, расплавление, фазовые переходы и др.

Однако в природе эти два фактора действуют совместно, являются главными во многих уравнениях химической термодинамики и определяют направление химических реакций. Кроме того, следует еще учитывать объем, концентрацию, химический потенциал, между которыми существует определенная функциональная связь (рис. 34). Как уже отмечалось, в открытой (не изолированной) системе в природе все атомы и ионы (и их сочетания) стремятся к устойчивому состоянию, к равновесию, которое с термодинамических позиций определяется уменьшением свободной (внутренней) энергии (AZ) и выражается формулой AZ = АН - TAS. Отсюда ясно, что устойчивым будет то состояние, у которого энтальпия (Я), т.е. полная энергия, будет больше. При необратимых процессах энтропия (S) - связанная тепловая энергия - растет, а при обратимых - остается постоянной.



Принцип Ле-Шателье вытекает из второго закона термодинамики о направленности процессов: изменения в равновесных системах происходят в направлении, противодействующем внешнему воздействию. Так, при остывании магмы кристаллизуются минералы с выделением тепла (экзотермические реакции); при повышении давления образуются минералы большей плотности и др.

Фильтрационный эффект наблюдается в изменении подвижности химических элементов при прохождении растворов через полунепроницаемые перегородки, которыми в природе оказываются горные породы. Растворенное вещество (элементы, соединения) могут отставать от растворителя. Этот эффект может быть тем значительнее, чем меньше пористость горной породы и чем больше размеры растворенных элементов.

Фильтрационный эффект можно выразить уравнением:

Где коэффициент фильтрации; - скорость фильтрации компонента; - скорость фильтрации растворителя.

Д.С. Коржинский предложил гипотезу о кислотно-основном фильтрационном эффекте, которая получила широкий резонанс и дальнейшее развитие в трудах В.А. Жарикова, А.А. Маракушева, Л.И. Шабынина и др. Суть гипотезы в следующем: потоки восходящих из магмы «сквозьмагматических растворов» обогащены подвижными кислотными компонентами, которые просачиваются быстрее оснований, что приводит к появлению «опережающей волны» кислотных компонентов и более щелочной (основной) тыловой зоны в потоке.



3. Геохимия гидротермального процесса

Гидротермальные руды (и породы), образующиеся из минерализованных, в основном, горячих водных растворов, представлены пестрой, разнообразной группой месторождений. Они выполняют трещины (жилы), слагают околожильные ореолы, штокверки (системы трещин). По вертикали жилы могут иметь протяженность до 2 - 10 км, в горизонтальном сечении им соответствуют рудные поля (или рудные районы).

Параметры процесса (факторы миграции)

По глубине формирования выделяются плутоногенно-гидротермальные (~ 5 км), малоглубинные (их большинство) вулканогенно-гидротермальные

( 3 - 1 км), близповерхностные телетермальные (менее 1 км) месторождения. Внутреннее давление определяется не только глубинностью гидротермальной системы: обычно оно больше гидростатического (100 атм/км) и литостатического (250 - 270 атм/км), что и способствует восходящему движению гидротерм. Как правило, более глубинные высокотемпературные гидротермальные ассоциации образуются при более высоком давлении. Перепады давления приводят к существенному изменению pH среды и формированию руд.

Температура. Образование гидротермальных пород происходит, как и магматических, на фоне понижения температуры: от 600 - 500 °С (среднее 400 °С) высокотемпературные, до 50 - 40 °С -низкотемпературные

Типоморфные элементы:

- Литофильные - Si, Al, Са, Mg, Ва, Be, Na, К

- Халькофильные - Си, Zn, Cd, Pb, As, Sb, Bi, Au, Ag, Sn, Hg, Jn, Ga, Ge, Se, Те

- Сидерофильные - Fe, Mn, Co, Ni

- Редкие и радиоактивные - TR, Y, Zr, Hf, Nb, Та, W, Mo, Re, Th, U

- Магматические эманации - О, H, F, Cl, P, S

Судя по типоморфным элементам, специфику гидротермального процесса определяют несколько групп элементов или минеральных ассоциаций.

Первая группа элементов слагает породообразующие минералы - или фон, имеет высокие кларки и низкие кларки концентрации (КК); для них не стоит проблема механизма концентрации.

Вторая группа элементов (халькофильные) представляет сульфидную минерализацию, которая широко проявлена именно в этом процессе.

Третья группа (редкие элементы) генетически тесно связана с гранитоидами (коровый магматизм) и представлена высокотемпературными породами и рудами (грейзены, кварц-касситеритовые или кварц-вольфрамитовые рудные жилы, а также минералы Nb, Та, Be, Li, Bi и др.). Характерными спутниками являются F и В.

Четвертая группа характеризуется редкометалльной минерализацией (с редкоземельными и радиоактивными элементами) и проявляется в результате гидротермального и метасоматических процессов, связанных с альбитизацией, фенитизацией, нефелинизацией, карбонатитами и др. Для нее характерны: TR, Th, U, Nb, Та, Li, Zr, Hf и др.

Сложно дать полное представление о всех проблемах по столь пестрым и разнообразным группам пород; трудно представить закономерности процесса в целом, однако они есть и их можно показать даже на простых моделях. В основе понимания гидротермального процесса лежат следующие моменты: 1) источник воды; 2 ) источник вещества; 3) форма переноса химических элементов; 4) условия осаждения элементов и минералов.

1) Относительно источника воды нет единого мнения. Естественно предположить, учитывая высокую растворимость воды в магме, особенно при высоком давлении, что источником ее является магматическая камера, где образование и отделение растворов проходит в последние стадии остывания магматического расплава. Отщепление газово-жидких флюидов происходит от магматического расплава любого состава в процессе подъема к поверхности и кристаллизации. Это магматическая, ювенильная вода.

Несомненная связь воды с магматизмом наблюдается в районах развития вулканизма, однако данные изотопного состава Н и О воды показывают, что в вулканической воде ювенильных вод, богатых тяжелым изотопом |80, менее 5%. Так как вода очень активна и подвижна, изотопы могли потерять ?память? о своем происхождении, смешиваясь с водами вмещающих пород. Если магма на глубине недосыщена водой, она усваивает воду из вмещающих пород и отдает ее на верхних горизонтах земной коры.

Другая точка зрения на источник гидротерм - вадозные воды метеорного происхождения. Это инфильтрационные воды глубокой циркуляции, а также воды артезианских горизонтов, которые играют большую роль в создании современных гидротерм в вулканических областях. Просачиваясь с поверхности земли в нижележащие горизонты (до 8 км), они нагреваются и при движении обогащаются рудными и другими элементами. Температура таких вод может достигать сотни градусов, придавая им агрессивность (вспомнить температурные рубежи воды!).

Еще один возможный источник воды - метаморфическая вода, которая образуется из поровой и химически связанной воды осадочных и других пород при метаморфизме. Так, осадочные породы могут содержать до 30% воды поровой, пленочной, капиллярной, конституционной, тогда как в метаморфизованных породах воды не более 1 - 2%. Как пишет В.И. Синяков, ?выделяющиеся при прогрессивном и контактовом метаморфизме термальные воды продвигаются впереди фронта метаморфизма, смешиваются с ювенильными (магматогенными) водами и образуют вместе с ними восходящий поток гидротерм?.

В настоящее время все больше данных свидетельствует в пользу поступления растворов из мантии. Это интрателлурические растворы-флюиды, которые играют определяющую роль в рудообразовании. Как отмечает Л.Н. Овчинников, «интрателлурические флюиды являются агентами в равной мере как магмообразования, так и метаморфизма с попутным рудообразованием».

Кроме того, в последнее время четко установлена гидротермальная деятельность в пределах океанического дна - образование крупных рудных концентраций (Mn, Fe, сульфидов). Это активные центры спрединга, где в процессе рудообразования участвует морская вода. Аналогичное рудообразование происходит и в континентальных рифтовых зонах.

«Все геодинамические процессы в той или иной степени сопровождаются появлением движущихся вод самого разного происхождения, включая, в первую очередь, океанические воды спрединга и дегидратационные воды субдукции».

Таким образом, гидротермальные растворы могут формироваться различными путями, и мы не можем отрицать ни один из них.

При определении источника рудообразующих растворов следует использовать геохимические индикаторы (изотопы, редкие земли и пр.).

Так, наряду с кислородно-изотопными исследованиями, другие изотопные данные (D/H, Не, Н, д13С, д34S, Nd, Sr), а также соотношения элементов (Co/Ni, K/Rb, Rb/K), распределение редких земель и др. показывают, что в образовании гидротермальных руд одновременно участвует вода различного происхождения. Смешение таких вод приводит к осаждению рудных минералов. Воды, циркулирующие в земной коре, не связаны с конкретным эндогенным источником, а имеют разное происхождение. Так, независимые друг от друга отношения изотопов Н и Sr в газово-жидких включениях и в самих Sr-содержащих минералах вольфрам-полиметаллических кварцевых жил (в Перу) указывают на смешение магматических и метеорных вод. Тот же вывод о смещении вод различного происхождения сделан по отношениям 87Sr/86Sr в барите из свинцово-баритовых месторождений (США). Исследования редких земель в сульфидных залежах вулканитов дают основания предполагать о связи состава сульфидных руд и вмещающих пород.



Список литературы

1. Презентации Соболева. И.С. Геохимия атмосферы, геохимия гидросферы.

2. Гидросфера https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B0

3. Родыгина В.Г. Курс геохимии: Учебник для вузов. - Томск: Изд-во НТЛ, 2006.-288 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru

...