Геохимическая индексация процессов и продуктов выветривания




Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Геохимическая индексация процессов и продуктов выветривания

Геохимическая индексация процессов и продуктов выветривания

05.09.2017


Очень важно характеризовать процессы и продукты выветривания цифровыми величинами, диаграммами, таблицами и другими параметрами, тем более что в настоящее время геохимическая наука может использовать для этих целей необходимые данные. Мы охарактеризуем ряд наиболее важных параметров, объединив их в следующие группы:
1. Параметры условий геохимической среды выветривания.
2. Цифровые данные и коэффициенты геохимических типов процессов и продуктов выветривания.
3. Индикаторы, характеризующие палеогеохимические условия выветривания.
В первой группе важнейшими параметрами являются величины pH и Eh. Они определяют геохимическую специфику природной среды, подвижность в ней химических элементов и устойчивость минеральных систем. С этими величинами связаны характер и направление геохимических реакций в сторону окисления или восстановления, а также границы полей устойчивости, внутри которых в природе встречаются различные соединения и ионы металлов.
Зависимость осаждения гидроокисей ряда элементов от величины pH показана на рис. 8. Зная pH среды и свойства выпадения соединений из растворов, можно определить, какие из них будут выпадать и какие оставаться в растворе.
Для многих реакций окислительный потенциал резко уменьшается с увеличением pH, т. е. реакция окисления протекает быстрее при щелочных условиях (рис. 14).
Границы полей устойчивости минеральных систем при различных условиях pH и Eh иллюстрирует рис. 10.

В зависимости от кислотности или щелочности среды отдельные элементы и их соединения либо очень подвижны, либо выпадают в осадок, образуя геохимические концентрации и аномалии. Зная параметры, характеризующие миграционную способность химических элементов и их соединений, можно судить о процессах и продуктах выветривания.
Во вторую группу геохимических параметров мы включаем ряд показателей, характеризующих геохимические типы процессов и продуктов.
1. Основные геохимические типы процессов и характерные для них типоморфные химические соединения и минеральные образования приводятся в табл. 6.
2. Очень важной характеристикой являются валовой состав основных химических компонентов в породах, почвах и растворах (SiO2, Аl2О3, Fe2O3, FeO, CaO, MgO, K2O, Na2O и др.). Он дает исходные данные о характере процессов выветривания и выносе отдельных химических соединений. Используя эти данные, можно вычислить ряд геохимических коэффициентов, характеризующих специфику процессов выветривания, их направленность и типы продуктов.
3. Кремнево-глиноземный модуль Ki = SiO2/Al2O3 впервые был использован X. Гаррасовичем при изучении остаточных продуктов выветривания. Параметр Ki = 2 характеризует процессы сиаллитизации, т. е. накопление в продуктах выветривания глинистых минералов типа каолинита, иллита, монтмориллонита, аллофана и др. С. Ф. Малявкин предложил сиаллитами называть осадочные и остаточные породы, имеющие отношение SiO2/Al2O3 > 1, но находящиеся в тесной генетической связи с аллитами. Если в породе содержание Fe2O3 равно содержанию Al2O3 или больше, то сиаллиты получили название феррисиаллитов.

В случае Ki < 2 геохимические процессы ведут к латеритизации, т. е. накоплению в продуктах выветривания свободных гидроокислов алюминия и железа и выносу кремнезема и оснований. По Малявкину, латеритами (ферриаллитами) называются осадочные породы, в которых количество Fe2O3 равно количеству Al2O3 или больше, и аллитами — осадочные породы, в которых весовое отношение SiO2:Аl2O3 < 1. Представителями аллитов являются бокситы. В аллитах алюминий представлен в кристаллических формах двух типов — оксигидроокисла AlO*OH или бёмита и ортогидроокисла Al(OH)3 или гиббсита.
4. Ж. Педро в своих экспериментальных исследованиях процессов выветривания использовал еще ряд коэффициентов (4—6), которые, возможно, могут найти применение и при изучении естественных объектов.
L = SiO2/основания в фильтратах выветривания, т. е. вынесенных продуктах. Этот коэффициент является как бы геохимическим аналогом Ki для твердой остаточной фазы выветривания. Согласно Ж. Педро, удобно пользоваться этим коэффициентом, сравнивая последний с его аналогом в исходных породах — коэффициентом R = SiO2связ./основания. Как указывает Ж. Педро, при сиаллитизации L < R, при аллитизации L > R.
5. В числе геохимических индикаторов процессов и продуктов выветривания важное значение имеет коэффициент N = L/R, который выражает количественную оценку влияния химического состава материнской породы на характер процессов разложения породы.
6. Ж. Педро рекомендует использовать также коэффициент M = (SA/SR*100) характеризующий степень разложения породы, где SA = SiO2связ./R2O3 в корах выветривания, а SR = SiO2связ./R2O3 в свежей породе. Отношение SA/SR для начала выветривания равно единице и по мере латеритизации постепенно уменьшается до нуля.
7. Для характеристики выщелачивания пород в процессе выветривания можно использовать коэффициент bа, выражающий отношение Еоснований/Al2O3, т. е. величины содержании в породе легкоподвижных соединений, отнесенные к инертному глинозему.
8. Важным геохимическим индикатором является отношение FeO/Fe2O. Им характеризуется динамика поведения железа в процессе выветривания железистых минералов и окисления двухвалентного железа в трехвалентное.
Существует следующее отношение равновесия этих двух важнейших форм железа:

Как было сказано, железо, содержащееся в минералах, весьма чувствительно к окислению. Реагируя с кислородом, оно образует окисные формы разного состава — Fe2O3*n*H2O (водные окислы), Fe2O3 кристаллического минерала. Как указывает Р. Гаррелс, имеются три структуры для Fe2O3 n*H2O и две для Fe2O3. Частично гидратированные окислы железа образуются в железных шляпах при окислении сульфидов (FeS2). Ожелезнение пород теснейшим образом связано с окислением закисного железа и образованием гидратированных и безводных окислов железа. По геохимическому поведению железо напоминает алюминий в аэрируемой среде и близко к магнию в восстановительных условиях.
9. Важным геохимическим индикатором является отношение К/Na. В изверженных породах их содержания весьма близки, поэтому отношение числа атомов K/Na равно 1. В зоне гипергенеза они характеризуются различным поведением. Ион K+ не гидратируется, преимущественно адсорбируется глинистыми минералами, лучше обеспечивает устойчивость кристаллической решетки слюд, интенсивнее поглощается в биологическом цикле и т. д.
Отношение K/Na составляет 2,8 для глин, 3,3 для песчаников, 7,7 для известняков. В целом для осадочных пород оно близко к 3. В гидросфере калий по своему содержанию значительно уступает натрию. Отношение K/Na для пресных вод составляет 1/10, а для морских — 1/28,5.
Механизм разделения калия и натрия уже имеет место на первых стадиях выветривания, в частности, в результате таких процессов, как серицитизация полевых шпатов и иллитизация. Как установили А.П. Виноградов и Р.Б. Ронов, от синайских к третичным отложениям наблюдается уменьшение количества калия и возрастание содержания натрия. Это объясняется сокращением с течением времени площади распространения кристаллических пород, подвергшихся выветриванию и служивших источниками сноса. На возможность использования отношения K/Na как индикатора скорости осадконакопления указывает Николз.
10. Отношение Ca/Mg характеризует отдельные особенности геохимии карбонатов. При возникновении органогенных карбонатных пород основную роль играет кальций, хемогенных (например, доломита) — кальций и магний, при новообразовании силикатов основное значение имеет магний.
11. На основании анализа взаимоотношения щелочных и щелочноземельных элементов построены еще несколько коэффициентов, которые находят применение при изучении поглощенного комплекса отложений, состава грунтовых и поровых вод: коэффициент щелочности K++Na+/Ca2+ + Mg+, коэффициент магнезиальности Mg*100/Mg+Ca, а также коэффициент поглощения натрия SAR. Согласно С. Дэвис и Р. де Уист, коэффициент SAR определяет степень ионного обмена и выражается следующей формулой:
Геохимическая индексация процессов и продуктов выветривания

где Na, Ca и Mg — концентрация соответствующих ионов в миллиэквивалентах на литр.
12. В настоящее время широко применяется в геохимии отношение таких элементов гидролизатов, как ТiO2/Аl2О3. Они могут быть индикаторами процессов, идущих с преобладанием механического и коллоидного переноса. По мнению Н.М. Страхова, постоянство отношений Al2O3 к Ti в осадочных породах является признаком их терригенного происхождения. В обстановке гумидного климата наложение активного химического процесса ведет к разделению элементов-гидролизатов.
13. Для определения миграционной подвижности элементов в водных растворах можно использовать коэффициенты водной миграции (по А. И. Перельману). Развивая идеи Б. Б. Полынова, А. И. Перельман дополнил таблицу миграционных рядов и предложил миграционную способность химических элементов характеризовать «коэффициентом водной миграции» (Кх), представляющим собой отношение содержаний химического элемента в сухом остатке речной или грунтовой воды к его содержанию в горных породах бассейна. Чем больше величина Kx, тем интенсивнее элемент выносится из коры выветривания.
А.И. Перельман выделяет следующие миграционные ряды элементов: очень подвижные (Кx=n*10-n*100) анионы S, Cl, В, Br; подвижные (Kx=n)—Na, Mg, Ca, Sr; слабоподвижные (Kx = 0,n) К, Ba, Li, анионы Si, Р, Le, Sn, Sb; малоподвижные и инертные в большинстве ландшафтов (Kx = 0,0n и менее) — Al, Ti, Zr и связанные с ними редкие элементы; подвижные и слабоподвижные в окислительной среде (Kx = n—0,n); инертные в резко восстановительной среде (Кx < 0,0n) катионы Zn, 'Ni, Cu, Pb, Hg, Ag, в анионной форме V, U, Mo, Se и др.; подвижные и слабоподвижные в восстановительной (глеевой) среде (Кx = n—0,n) и инертные в окислительной среде (Кx < 0,0n) — Fe, Mn, Co и др.
14. Для оценки подвижности элементов в коре выветривания некоторые авторы применяют коэффициент устойчивости. Он определяется как отношение содержания элемента в единице объема наиболее выветрелой породы данного разреза к его содержанию в том же объеме исходной породы и показывает, какая часть от исходного содержания элемента сохранилась в элювии. Чем больше коэффициент, тем менее подвижен элемент.
Согласно Н.А. Лисицыной, схематизированный ряд подвижности элементов, характерный для условий выветривания основных пород во влажных субтропиках имеет следующий вид: легкоподвижные (К—0,0n—0,3) Na, Ca, Mg, К; подвижные (0,3 < K < 0,5) Si, Ni, Zn, Pb, Cu; малоподвижные (0,5 < K < 0,7) Cr, V; устойчивые (0,7 < K < 1) Al, Fe, Ti, Ga, Zr.
А.Д. Додатко разделил элементы в древней (мезозойской) коре выветривания ультраосновных пород Среднего Приднепровья на три группы. 1. Подвижные — Mg, Ca и Si. Расчет баланса показал, что вынос их из коры выветривания (в расчете на всю ее мощность) составляет от 60 до 93%. Коэффициенты их концентрации всегда меньше 1. 2. Ограниченно подвижные — Ni, Co, Mn. Для них характерны интенсивный вынос из верхних зон коры (30—80%) и интенсивное накопление в нижних зонах, превышающее в 2—3 раза первоначальное содержание элемента в породе. В расчете на всю мощность коры баланс почти всегда положительный.
3. Неподвижные — Fe, Cr, Al, Ti. Баланс этих элементов в коре почти всегда положительный.
В целом ряд геохимической подвижности элементов в коре выветривания ультрабазитов имеет следующий вид: Mg> Ca > Si > Ni > Co > Mn > Fe > Cr > Al > Ti.
Иной характер распределения имеют элементы в корах выветривания гранитоидов.
Согласно данным В.Т. Погребной, для Восточного Приазовья по величине коэффициента устойчивости в верхней зоне выделяются легкоподвижные (К = 0,02—0,30) Na, К, Ca, Mg, Mn; подвижные (K = 0,30—0,60) Si, Fe; относительно стабильные (K=1) Al, Ti.
Величины коэффициента устойчивости, полученные при сопоставлении процентных содержаний малых элементов в каолиновой коре выветривания и в свежих гранитоидах следующие: весьма подвижные (К ~ 0) Co, Sr, Ga; подвижные (K < 0,60) Nb, Yb, Mo, V, Zn, Ba, Y, Cu; слабоподвижные (K = 0,60—1,00) Sn, Ni, Pb, Li, Sc; относительно стабильные (K > 1) Cr, Zr, Be, Ga.
При изучении коры выветривания используется также метод определения подвижности элементов с учетом изменения объемного веса породы, выражая ее состав либо в граммах (миллиграммах) в 1 см3, либо в атомных количествах элемента в том же объеме.

В.П. Петров считает, что результаты химических изменений, происходящих в процессе выветривания горных пород, лучше всего представлять в виде графиков (рис. 15), где состав материнской и остаточной породы изображен в виде призмы высотой в 100 единиц, отдельные окислы, а также пористость изображаются на этой призме в процентах. С остаточным материалом сопоставляются полученные расчетом количества вынесенного из породы в процессе выветривания вещества; эти количества в процентах от исходного вещества отложены в виде такого же прямоугольника, но уже вне 100% изображающих остаточную кору выветривания. По мнению В.П. Петрова, такой график удобен и нагляден, так как на нем отчетливо видны количество и характер вынесенного вещества, состав оставшегося на месте (в коре выветривания) материала и, наконец, количество привнесенного вещества (влаги, CO2 и т. д.), а также и пористость породы коры выветривания (или ее усадка).
В некоторых случаях прибегают к сравнению количества подвижных элементов с количеством неподвижного в коре выветривания «элемента-свидетеля».
За такой стабильный элемент или окисел часто берут Ti или TiO2. Согласно Ю.К. Буркову и В.С. Певзнеру, расчеты производятся по формуле:

где APi — накопление — убыль окисла в породах определенного элювиального горизонта из расчета на 1000 см3 исходной породы (г); d0 — плотность исходных пород (г/cм3); poi, pki — содержание окисла в исходных и элювиальных породах (вес.%); с0, Ck — содержание устойчивого окисла в исходных и элювиальных породах (вес.%).
Для изучения поведения химических элементов в процессах порообразования указанные авторы предлагают также метод многократного корреляционного анализа с обработкой результатов на ЭВМ.
Ю.В. Ванынин и В.В. Гудошников предложили метод графического изображения изменения химического состава горных пород при выветривании (рис. 16).
Для получения фигуративных точек и при построении векторов атомные количества, а для Fe3+ и Fe2+ молекулярные умножаются на коэффициент р, отражающий изменение объемного веса коры выветривания по сравнению с невыветрелой породой

где v1 — объемный вес коренного образца, v2 — объемный вес образца коры выветривания.
Химический состав неизменных пород выносится на диаграмму без ввода коэффициента р. Результаты пересчета химического состава кор выветривания наносятся на развертку тетраэдра с продолженною осью ординат.
По оси ординат от 0 вверх откладывается кремнезем, а от 0 вниз — сумма щелочных металлов (Na и К). По оси абсцисс от 0 вправо наносится сумма щелочноземельных элементов (Ca, Mg), а от 0 влево — содержание алюминия.
Результирующие векторы отражают процессы, происходящие в коре: гидрослюдизацию, гидратацию, а также эпигенетические изменения — сидеритизацию и карбонатизацию.

К третьей группе геохимических параметров индикации процессов и продуктов выветривания следует отнести палеогеохимические индикаторы, отражающие былые условия развития биосферы и коры выветривания.
Палеотемпературные условия минералообразования устанавливаются по изотопам O18/O16, S32/S34; палеофациальные — по ископаемым бокситам, латеритам, иллитам, гипсу и соли, осадочным рудам железа, марганца и др. Возраст остаточных и аутигенных минералов устанавливается по изучению изотопов урана, тория, свинца, калия, аргона и др.