Принципы поведения химических элементов в процессах выветривания и осадкообразования. Лекция 9

Август 11, 2022

Главная
География
Принципы поведения химических элементов в процессах выветривания и осадкообразования. Лекция 9

Содержание

2. Распространенность горных пород осадочной оболочки континентов и океанов (Ронов, Ярошевский, Мигдисов, 1990)
3. Масса (1024 г) и средний химический состав (вес.%) осадочных пород земной коры (Ронов, Ярошевский, Мигдисов, 1990)
4. Основные типы реакций химического выветривания Основные типы реакций химического выветривания в зоне гипергенеза: гидратация и гидролиз,
5. Реакции выветривания Гидролиз обменная реакция между водой и минеральным видом в присутствии катализатора СО2. Ион водорода
7. Геохимическая классификация осадочных образований В.М. Гольдшмидта
8. Основные глобально значимые потоки осадочного материала в бассейны седиментации (Лисицын, 1974): Речной сток 21.73•10 15 г
9. Соотношения между твердым и растворимым стоком химических элементов для бассейнов рек Северо-Востока России Примечание к таблице:
10. Интенсивность и ряды миграции элементов в кислородных водах биосферы *жирным шрифтом показаны элементы с высокой контрастной
11. Коэффициенты водной миграции некоторых химических элементов
12. Основные классы водной миграции химических элементов (по А.И. Перельману)
13. Главные типы геохимических барьеров (по Перельману, 1972)
14. Геохимические барьеры
15. Стадии осадкообразования(по Н.М.Страхову)
16. Основные типы химических реакций при поступлении материала в бассейны седиментации: 1) на границе река-море - сорбция
17. , (7) Профиль бассейна осадконакопления и распределение аккумуляций основных оксидов по отношению к береговой линии
18. Осадочная дифференциация в бассейнах седиментации Осадочная дифференциация в бассейнах седиментации определяется законами гидродинамики (перераспределение взвешенных фаз),
19. Пути и механизмы отложения химических элементов в бассейнах седиментации Пути и механизмы отложения химических элементов в
20. Формирование локальных концентраций х.э. при выветривании В ходе выветривания, переноса в бассейны седиментации и осадконакопления в
21. Постседиментационное перераспределение Х.Э. Постседиментационное перераспределение и локальное концентрирование химических элементов в процессах диагенеза, катагенеза и эпигенеза
22. Скорость круговорота вещества осадочной оболочки Распределение удельной массы осадочных пород (массы на единицу времени) в зависимости
23. Средний химический состав осадочных пород Средний химический состав осадочных пород как пород вторичных, производных в глобальном
24. Элементы баланса вещества осадочной оболочки (Ярошевский, 1997)
25. Лекция 10. Геохимия метаморфических процессов 1. Метаморфические горные породы являются главным типом вещества кристаллической части земной
26. Распространенность метаморфических пород гранитно-метаморфической оболочки континентов (Ронов, Ярошевский, Мигдисов, 1990)
27. Химический состав метаморфических пород Химический состав метаморфических пород хорошо сопоставим с составом исходных для них пород;
28. Масса (1024 г) и средний химический состав (вес.%) метаморфических пород гранитно-метаморфической оболочки континентов (Ронов, Ярошевский, Мигдисов,
29. Сопоставление среднего химического состава метаморфических пород и вулканогенно-осадочнных пород складчатых зон континентов (Ронов и др., 1990)
30. Перераспределение химических элементов в метаморфическом процессе Очевидная подвижность летучих компонентов в ходе метаморфизма, их поведение как
31. Перераспределение химических элементов в метаморфическом процессе Данные по изотопному составу кислорода метаморфических пород в сопоставлении с
32. Фации метаморфизма
35. Скачать презентацию

Слайд 2

Распространенность горных пород осадочной оболочки континентов и океанов (Ронов, Ярошевский, Мигдисов,

1990)

Слайд 3

Масса (1024 г) и средний химический состав (вес.%) осадочных пород земной

коры (Ронов, Ярошевский, Мигдисов, 1990)

Слайд 4

Основные типы реакций химического выветривания
Основные типы реакций химического выветривания в зоне

гипергенеза: гидратация и гидролиз, карбонатизация, окисление, конгруентное и инконгруентное растворение.
Распределение химических элементов по типам осадочных образований формируется, прежде всего, в процессах окислительного выветривания в ходе формирования кор выветривания и почв на континентах; итогом этого распределения является структура речного стока, в балансе которого для подавляющего большинства химических элементов преобладает твердая составляющая.

Слайд 5

Реакции выветривания
Гидролиз обменная реакция между водой и минеральным видом в присутствии

катализатора СО2. Ион водорода вытесняет из первичных минералов (полевых шпатов, слюд и др.) катионы (K+, Na+, Ca2+ и др.)
Гидролиз калиевого полевого шпата с образованием мусковита и каолинита:
3KAlSi3O8 + 3H2O +2CO2 → КAl3Si3O10·(OH)2 + 6SiO2 + 4HСO3 + 2K+
2Ca[Al2Si2O8] + 6H2O = Al4[Si4O10](OH)8 + 2Ca2+ + 4OH–
Гидратация – процесс присоединения молекул воды к молекулам, ионам или коллоидным частицам:
SO3 + H2O → H2SO4; Na2O + H2O → 2NaOH (1);
Na2SO4 + 10H2O → Na2SO4·10H2O (2)
Окисление – процесс соединения элементов в минералах и породах с кислородом.
FeS2 + 3O2 → FeSO4 + SO2 → O2 → Fe2(SO4)3 → O2 → Fe2O3·nH2O
Восстановление – процесс противоположный окислению, протекает в зонах, где отсутствует свободный кислород.
2Fe2O3·3H2O + C → 4FeO + CO2 + 3H2O;
FeO + CО2 → FeCO3.

Слайд 6

Слайд 7

Геохимическая классификация осадочных образований В.М. Гольдшмидта

Слайд 8

Основные глобально значимые потоки осадочного материала в бассейны седиментации (Лисицын, 1974):
Речной

сток 21.73•10 15 г / год (78.1 %), эоловое поступление ~ 1.6•10 15 г / год (5.7 %), ледовый сток 1.50•10 15 г / год (5.4 %), абразия берегов ~ 0.5•10 15 г / год (1.8 %), вулканогенный материал (2-3)•10 15 г / год (9.0 %); к этим цифрам теперь надо добавить подводную разгрузку гидротермальных вод. Формирование речного и других стоков с поверхности континентов в глобальном масштабе приводит к существенной гомогенизации питающего материала; локальная геохимическая неоднородность питающих провинций может контролировать лишь появление локальных геохимических <аномалий> типа элювиальных, аллювиальных или прибрежно-морских россыпей, но их доля в осадочном материале в целом исчезающе мала - в бассейны седиментации поступает усредненный материал, общий состав которого должен отвечать среднему химическому составу питающих провинций.

Слайд 9

Соотношения между твердым и растворимым стоком химических элементов для бассейнов рек

Северо-Востока России

Примечание к таблице: 21,1 преобладает растворимый сток, 18,0 преобладает твердый сток.

Слайд 10

Интенсивность и ряды миграции элементов в кислородных водах биосферы
*жирным шрифтом

показаны элементы с высокой контрастной способностью

где mx – содержание элемента в воде, г/л; a – общая минерализация воды, г/л; nх – содержание элемента в горных породах, дренируемыми данными водами, %.

Слайд 11

Коэффициенты водной миграции некоторых химических элементов

Слайд 12

Основные классы водной миграции химических элементов (по А.И. Перельману)

Слайд 13

Главные типы геохимических барьеров (по Перельману, 1972)

Слайд 14

Геохимические барьеры

Слайд 15

Стадии осадкообразования(по Н.М.Страхову)

Слайд 16

Основные типы химических реакций при поступлении материала в бассейны седиментации:
1) на

границе река-море - сорбция на поверхности терригенных минеральных зерен и органических взвесей, ионный обмен между обменными комплексами терригенных минералов и морской водой, окисление, гидролиз;
2) в условиях седиментации - выпадение из раствора морской воды в результате локального пересыщения как следствие биогеохимических процессов, поступления в раствор морской воды элементов в ходе подводной вулканической и гидротермальной деятельности, преобладания испарения над осадками; выпадение из раствора морской воды твердых фаз сопровождается процессами сорбции и ионного обмена;
3) в условиях раннего диагенеза в достаточно открытой системе - реакции окисления органического вещества и восстановления, прежде всего, соединений S и Fe и как следствие изменение Eh , pH и активности растворенной СО2 , что ведет к изменению условий растворимости и реакциям растворения-переотложения, сопровождающимся в том числе обменом между иловой и наддонной водой и некоторому изменению состава формирующихся осадков.

Слайд 17

, (7)
Профиль бассейна осадконакопления и распределение аккумуляций основных оксидов по отношению

к береговой линии

Слайд 18

Осадочная дифференциация в бассейнах седиментации
Осадочная дифференциация в бассейнах седиментации определяется законами

гидродинамики (перераспределение взвешенных фаз), активностью живого вещества, климатической и гидродинамической зональностью, формированием локальных обстановок с преобладанием испарения над осадками (перераспределение растворенных компонентов); главная масса поступающего с континентов материала, в основном терригенного с некоторой добавкой биогенного материала, осаждается в пределах шельфов и материкового склона; лишь около 2 % материала, по оценке А. П. Лисицына, достигает глубоководной части океана и осаждается в виде тонкой взвеси и биогенного материала в пределах океанической коры. Такой баланс материала в бассейнах седиментации ведет к очень важному принципу - материальный обмен между континентальным и океаническим секторами земной коры в пределах биосферы не имеет существенного значения, эти два глобальных блока земной коры остаются в своей геологической истории практически геохимически независимыми.

Слайд 19

Пути и механизмы отложения химических элементов в бассейнах седиментации
Пути и механизмы

отложения химических элементов в бассейнах седиментации определяются стабильностью их собственных твердых фаз (породообразующих и второстепенных минералов осадков и осадочных пород) и соосаждением на этой минеральной матрице элементов, не образующих в условиях седиментации собственных фаз; механизмы соосаждения разнообразны: и физическая адсорбция, и хемосорбция, изоморфное соосаждение, и ионный обмен с структурными компонентами аутигенных минералов или компонентами их обменных комплексов; наибольший вклад в такие процессы вносит взаимодействие с водными растворами глинистых минералов, а также гидроокислов Fe , Mn , биогенного фосфата, органического вещества. Весь этот комплекс факторов приводит к достаточно хорошо установленным эмпирическим закономерностям распределения химических элементов по главным типам осадочных пород.

Слайд 20

Формирование локальных концентраций х.э. при выветривании
В ходе выветривания, переноса в бассейны

седиментации и осадконакопления в целом условия для формирования локальных (рудных) концентраций химических элементов реализуются относительно редко; в качестве известных типов месторождений можно назвать месторождения коры выветривания (бокситы, никелевые коры выветривания, вторичные концентрации в зонах окисления рудных месторождений), элювиальные, аллювиальные, прибрежно-морские россыпи Au , элементов группы Pt , минералов Ti , Zr , Sn и др.;
Первично-седиментационных значительных концентраций химических элементов, например, в связи с осадками, обогащенными органическим веществом, обычно не формируется - для появление высоких локальных концентраций Р, халькофильных и других элементов необходимо постседиментационное перераспределение и, вероятно, проявление дополнительных локальных источников (например, подводной гидротермальной деятельности).

Слайд 21

Постседиментационное перераспределение Х.Э.
Постседиментационное перераспределение и локальное концентрирование химических элементов в процессах

диагенеза, катагенеза и эпигенеза являются важным этапом формирования геохимического облика осадочных пород; в ходе этих процессов происходит резкий рост числа минералов химических элементов, практически все элементы, ранее рассеянные как примеси в породообразующих минералах, получают возможность индивидуализироваться в форме собственных минералов, что становится в том числе причиной их локальной самостоятельной концентрации.
Движущими силами этого перераспределения являются устойчиво сохраняющаяся в биосфере поляризация обстановок: аэробной и анаэробной, неравновесный характер первичных минеральных ассоциаций осадочных пород (прежде всего, сосуществование окисленных аутигенных минералов и биогенного органического вещества), возможность фильтрации водных растворов в пористой среде осадков и осадочных пород.
В масштабах осадочной оболочки такое перераспределение не может быть значительным и не приводит к значимому изменению состава самих пород, но локально в обстановках зон повышенной проницаемости при высоких отношениях вода/порода могут формироваться геохимические барьеры, способные концентрировать значительные, в том числе рудные, концентрации элементов, представляющие промышленный интерес.

Слайд 22

Скорость круговорота вещества осадочной оболочки
Распределение удельной массы осадочных пород (массы на

единицу времени) в зависимости от геологического возраста не только иллюстрирует главную идею геологической истории осадочной оболочки (осадочные породы образуются и вслед за этим вовлекаются в процессы разрушения - повторной эрозии и метаморфизма), но и позволяет оценить скорость круговорота вещества осадочной оболочки; среднее время пребывания вещества земной коры в составе осадочной оболочки континентов составляет величину около 400 млн. лет, среднее время пребывания вещества в составе осадочной оболочки океанов оказалось менее 100 млн. лет. Такой темп осадочного круговорота свидетельствует о том, что в среднем вся масса континентальной земной коры за 4 млрд. лет земной истории должна была <успеть> пройти через осадочный цикл, т. е. через биосферу, а сама осадочная оболочка уже геологически давно находится в стационарном режиме.

Слайд 23

Средний химический состав осадочных пород
Средний химический состав осадочных пород как пород

вторичных, производных в глобальном геохимическом круговороте, в конце концов, за счет корообразующего магматического вещества глубинного происхождения, за исключением так называемых <избыточных летучих> ( H2O, CO2, S , Cl , Br , I , B ), должен быть равным среднему составу пород магматических. Эта формулировка соответствует классическому пониманию принципа геохимического баланса процессов осадкообразования Кларка-Гольдшмидта-Виноградова.
Удивительным делом этот принцип резко нарушается огромным избытком в составе осадочных пород не только СО2 , но и связанного с углекислотой в форме карбоната Са. Этот избыток Са требует либо специфического дополнительного к эрозии континентов источника Са, либо потери осадочной оболочкой в ходе геологической истории всех других типов отложений, кроме карбонатных. Ни тот, ни другой путь обогащения осадочной оболочки Са не вытекает из данных геологии, и проблема баланса Са остается на сегодня нерешенной.
3. Геохимическая структура осадочной толщи (гольдшмидтовская классификация осадочных образований) отражает стремление к формированию термодинамически устойчивых в условиях биосферы соединений и основной физико-химический принцип дифференциации химических элементов в процессах выветривания и осадкообразования - разделение согласно их растворимости в водных растворах биосферы

Слайд 24

Элементы баланса вещества осадочной оболочки (Ярошевский, 1997)

Слайд 25

Лекция 10. Геохимия метаморфических процессов
1. Метаморфические горные породы являются главным типом

вещества кристаллической части земной коры; по данным А.Б.Ронова и др. (1990) на площади щитов континентов они составляют 51,5 %, на их долю приходится более половины массы земной коры, они должны они должны быть основным типом вещества нижней части континентальной коры (гранулит-базитовой оболочки) и постоянно встречаются среди представителей пород базальтового слоя океанов, хотя для двух последних структурных компонентов земной коры, реальная распространенность метаморфических пород пока остается не известной.
2. Для метаморфических пород верхней части континентальной коры характерно стратифицированное строение, указывающее на то, что в главной своей массе они являются продуктом метаморфизма пород осадочной оболочки. Среди метаморфических пород преобладают гнейсы и кристаллические сланцы, достаточно широко распространены амфиболиты, которые, по-видимому, в основном образовались за счет изменения вулканических пород, входящих в структуру осадочной оболочки прошлого; удивительным фактом является низкая распространенность карбонатных пород в составе метаморфических толщ.

Слайд 26

Распространенность метаморфических пород гранитно-метаморфической оболочки континентов (Ронов, Ярошевский, Мигдисов, 1990)

Слайд 27

Химический состав метаморфических пород
Химический состав метаморфических пород хорошо сопоставим с составом

исходных для них пород; на различного рода химических диаграммах поля точек метаморфических пород не выходят за пределы полей пород вулканогенно-осадочных.
Эти данные являются основанием в качестве главного принципа поведения распространенных (породообразующих) химических элементов в процессе метаморфизма сформулировать положение об изохимическом характере преобразования горных пород при повышении температуры и давления в глубинных зонах земной коры.
Этот принцип определенно не касается поведения летучих компонентов (H2O, CO2, S, Cl, Br, I, B); распространение его на поведение химических элементов, находящихся в малых концентрациях, не очевидно и остается настоящее время неисследованной проблемой.

Слайд 28

Масса (1024 г) и средний химический состав (вес.%) метаморфических пород гранитно-метаморфической

оболочки континентов (Ронов, Ярошевский, Мигдисов, 1990)

Слайд 29

Сопоставление среднего химического состава метаморфических пород и вулканогенно-осадочнных пород складчатых зон

континентов (Ронов и др., 1990)

Слайд 30

Перераспределение химических элементов в метаморфическом процессе
Очевидная подвижность летучих компонентов в ходе

метаморфизма, их поведение как вполне подвижных компонент (по Д.С. Коржинскому) является основанием двух геохимических значимых положений: во первых процесс метаморфизма нужно считать протекающим в системе породы-флюид; во вторых, есть основания предполагать, что по крайней мере, для некоторых компонентов перераспределение и даже вынос на поверхность в метаморфическом флюиде может иметь глобальное значение.
Масштабы перераспределения химических элементов в процессе метаморфизма в настоящее время остаются совершенно не изученными; можно только указать следующее. Во первых, по отношению к главным нелетучим элементам метаморфизм происходит в закрытой системе без признаков значимого перераспределения; это положение входит в определение метаморфических процессов в отличие от метасоматических. Во-вторых, вынос вполне подвижных летучих вносит заметный вклад в содержание этих элементов в метаморфических породах. В третьих, можно указать на признаки локального перераспределения некоторых второстепенных элементов (например меди) в ходе метаморфизма низких ступеней, но эти перераспределения не сопровождаются глобальным выносом или привносом в массы пород, подвергающихся метаморфизму (возможно исключением является ртуть). В-четвертых, систематически более низкие содержания урана в глубоко метаморфизованных породах (гранулитовых комплексах), по видимому, указывают на вынос этого элемента при высоких температурах метаморфического процесса.

Слайд 31

Перераспределение химических элементов в метаморфическом процессе
Данные по изотопному составу кислорода метаморфических

пород в сопоставлении с изотопным составом этого элемента в породах осадочных приводят к выводу о значимом температурно-зависимом перераспределении изотопов кислорода в ходе метаморфизма между твердыми фазами и неким внешним по отношению к породам резервуаром, который не может быть ничем иным, как только резервуаром подвижной кислородсодержащей (водной) фазой. Из этих данных вытекает важнейшее ограничение на соотношение масс пород и флюидной фазы при метаморфизме – оно должно быть существенно сдвинуто в пользу флюида. Такое заключение является парадоксальным: нет никаких, в том числе геологических признаков вовлечения в процесс метаморфизма столь огромных масс подвижной фазы.
Фундаментальным преобразованием пород в ходе метаморфизма является их перекристаллизация и формирование минеральных парагенезисов и составов сосуществующих минералов в зависимости от условий метаморфизма (Т, Р, химических потенциалов вполне подвижных компонентов). Закономерности изменения минеральных ассоциаций явились основанием концепции минеральных фаций метаморфических пород, выдвинутой П. Эскола в 1921 г и расширенной Д.С.Коржинским. К настоящему времени накоплен огромный систематический материал эмпирических данных о минералогии метаморфических пород и экспериментальных данных о термодинамике минеральных равновесий, который позволил разработать систему геотермометров, геобарометров и критериев оценки активности H2O, CO2, Cl, F, O2 и на этой основе привязать систему минеральных фаций к шкалам значений соответствующих термодинамических параметров.

Слайд 32

Фации метаморфизма

Слайд 33

Принципы поведения химических элементов в процессах выветривания и осадкообразования. Лекция 9

Содержание

Распространенность горных пород осадочной оболочки континентов и океанов (Ронов, Ярошевский, Мигдисов,

Масса (1024 г) и средний химический состав (вес.%) осадочных пород земной

Основные типы реакций химического выветриванияОсновные типы реакций химического выветривания в зоне

Реакции выветриванияГидролиз обменная реакция между водой и минеральным видом в присутствии

Геохимическая классификация осадочных образований В.М. Гольдшмидта

Основные глобально значимые потоки осадочного материала в бассейны седиментации (Лисицын, 1974):Речной

Соотношения между твердым и растворимым стоком химических элементов для бассейнов рек

Интенсивность и ряды миграции элементов в кислородных водах биосферы *жирным шрифтом

Коэффициенты водной миграции некоторых химических элементов

Основные классы водной миграции химических элементов (по А.И. Перельману)

Главные типы геохимических барьеров (по Перельману, 1972)

Геохимические барьеры

Стадии осадкообразования(по Н.М.Страхову)

Основные типы химических реакций при поступлении материала в бассейны седиментации:1) на

, (7)Профиль бассейна осадконакопления и распределение аккумуляций основных оксидов по отношению

Осадочная дифференциация в бассейнах седиментацииОсадочная дифференциация в бассейнах седиментации определяется законами

Пути и механизмы отложения химических элементов в бассейнах седиментацииПути и механизмы

Формирование локальных концентраций х.э. при выветриванииВ ходе выветривания, переноса в бассейны

Постседиментационное перераспределение Х.Э.Постседиментационное перераспределение и локальное концентрирование химических элементов в процессах

Скорость круговорота вещества осадочной оболочкиРаспределение удельной массы осадочных пород (массы на

Средний химический состав осадочных породСредний химический состав осадочных пород как пород