Геохимические барьеры

Особенности миграции
химических элементов
Геохимические методы поисков
месторождений полезных
ископаемых
Д.Ю. Шишкина
Рекомендуемая литература
1. Беус А.А., Григорян С.В. Геохимические методы поисков и разведки
месторождений твердых полезных ископаемых. М.: Недра, 1975.
2. Алексеенко В.А. Геохимические методы поисков месторождений
полезных ископаемых: Учебник. – М.: Логос, 2000.
3. Инструкция по геохимическим методам поисков рудных
месторождений. М.: Недра, 1983.
4. Справочник по геохимическим поискам полезных ископаемых / Под
ред. А.П. Соловова. – М.: Недра, 1990.
5. Шишкина Д.Ю., Романюк О.Л. Конспект лекций по курсу
«Геохимические методы поисков месторождений полезных
ископаемых» (теоретические основы) для студентов 4 курса дневного
отделения специальности 130301. – Ростов н/Д.: УПЛ РГУ, 2006.
6. Шишкина Д.Ю., Романюк О.Л. Конспект лекций по курсу
«Геохимические методы поисков месторождений полезных
ископаемых» (практика геохимических поисков) для студентов 4 курса
дневного отделения специальности 130301. – Ростов н/Д.: УПЛ РГУ,
2006.
2
Необходимость применения
геохимических методов поисков МПИ
Геохимические методы поисков применяются для
обнаружения «трудно открываемых» месторождений. Эти
методы основаны на знании основных закономерностей
распределения и форм нахождения химических
элементов в земной коре, а также их миграции в
эндогенных и экзогенных условиях. Геохимические
методы поисков относятся к категории прямых и
малозатратных технологий.
В последнее время, в связи с негативными тенденциями в
геологоразведочной сфере актуальность геохимических
исследований резко возросла. Появление новых
высокоточных методов химического анализа и развитие
ГИС-технологий также способствуют распространению
геохимических методов поисков.
3
Формы нахождения элементов в земной коре
Элементы в земной коре образуют системы относительно
устойчивых химических равновесий - формы нахождения
химических элементов. Знание особенностей поведения
элементов, находящихся в различных формах, способствует
увеличению достоверности поисковых прогнозов.
А.А. Беус и С.В. Григорян в магматических горных породах
различают четыре главные формы нахождения химических
элементов:
1. в качестве собственных минералов (собственно минеральная
форма;
2. в виде изоморфной примеси в породообразующих и
акцессорных минералов;
3. в составе газово-жидких включений в минералах;
4. в составе капиллярных и поровых растворов.
4
Геохимическая миграция элементов
Если кларк элемента рассматривать как среднюю норму, то
отклонения от этой нормы в сторону уменьшения
определяют рассеяние элемента, а в сторону увеличения –
его концентрацию. Концентрация и рассеяние элементов
осуществляются в процессе перемещения или миграции
их атомов в земной коре.
Геохимическая миграция – это перемещение атомов
элементов в земной коре, обычно ведущее к их рассеянию
или концентрации.
Выделяется четыре основных вида миграции: механическая,
физико-химическая, биогенная и техногенная.
Различают внутренние факторы миграции, определяемые
физическими и химическими свойствами атомов
химических элементов, и внешние факторы, включающие
термодинамическую и химическую обстановку среды
миграции.
5
Геохимические барьеры
Геохимические барьеры – участки земной коры, в которых на
коротком расстоянии происходит резкое уменьшение
интенсивности миграции химических элементов и, как
следствие, их концентрация. Термин предложен А.И.
Перельманом в 1961 г.
Геохимические барьеры разделяются на два основных типа –
природные (обусловлены природными особенностями) и
техногенные (антропогенной деятельностью).
В основу дальнейшей классификации геохимических
барьеров положены различия в миграции. Оба типа
разделяются на три класса: механические, физикохимические и биогеохимические.
6
Механические и физико-химические барьеры
Наиболее простыми являются механические барьеры – участки
резкого уменьшения интенсивности механической миграции
(изменение скорости течения вод или движения воздуха). К
ним приурочены различные продукты механической
дифференциации осадков. Играют ведущую роль при
формировании россыпей: золотых, оловянных, платиновых,
монацитовых, алмазных и др. Кроме того, механический
барьер создается в результате смены рыхлых пород на
плотные, поры которых меньше, чем частицы мигрирующих
соединений (песок–глина). Механический барьер характерен
для элементов, образующих слаборастворимые соединения (Ti,
Zr, Cr, Nb, Au, Os, Pt, W).
Биогеохимический барьер связан со способностью живых
организмов удерживать химические элементы в течение
длительного времени. Результатами работы биогеохимических
барьеров являются угольные залежи, торф, концентрации
элементов в телах организмов.
7
Физико-химические барьеры (1)
В местах резкого уменьшения интенсивности физико-химической
миграции формируются физико-химические барьеры. Они возникают
в местах изменения температуры, давления, окислительновосстановительных, щелочно-кислотных и других условий. В
зависимости от фактора, приводящего к концентрации элементов,
различают температурный, декомпрессионный, кислый, щелочной,
сульфатный,
карбонатный
(кальциевый),
окислительный,
восстановительный глеевый, восстановительный сероводородный,
испарительный, сорбционный барьеры.
Температурный барьер характерен для эндогенных процессов. Так, при
понижении температуры уменьшается растворимость и устойчивость
некоторых высокотемпературных комплексов рудных элементов, что
может вызвать массовое выпадение из растворов соответствующих
рудных минералов.
Декомпрессионный барьер (резкое падение давления в системе) также
играет большую роль в эндогенном минералообразовании.
Например, в случае образования трещинных зон уменьшение
давления вызывает массовый распад комплексных групп металлов и
служит толчком к началу отложения рудных минералов.
8
Физико-химические барьеры (2)
Кислый барьер формируется при смене щелочной или
нейтральной обстановки на кислую. Такой барьер задерживает
миграцию Si, Mo, Se, U, соединения которых в кислой среде
слаборастворимы.
Щелочной барьер образуется на границе смены кислой или
нейтральной реакции среды на щелочную. В условиях щелочной
среды соединения Fe, Co, Mg, Mn, Sr, Zn, Cu, Ni, Pb, Cd переходят
в слаборастворимое состояние.
Сульфатный барьер характерен для вод, обогащенных
сульфатными ионами. Здесь концентрируются Ba, Sr, Ca;
происходит огипсование, целестинизация.
Карбонатный (кальциевый) барьер образуется при наличии
карбонатных пород или жестких вод, обогащенных ионами СО3-.
На барьере приостанавливается миграция кальция, железа,
бария, стронция.
9
Физико-химические барьеры (3)
Окислительный барьер формируется на границе смены восстановительной
обстановки на окислительную. Он возникает при встрече бедных
кислородом ювенильных вод с богатыми кислородом грунтовыми водами
и играет большую роль в осаждении окислов железа и марганца в
поверхностных водах.
Восстановительный сероводородный барьер имеет первостепенное
значение в процессе эндогенной концентрации сульфидов. Формируется
он в тех гипергенных обстановках, где создаются условия для
образования сероводорода. Он встречается в зонах контакта
поверхностных и грунтовых окислительных или слабовосстановительных
вод с гниющим органическим веществом или при встрече подобных вод с
нефтяными залежами. Вступая в реакцию с металлами, сероводород
образует сульфиды металлов, выпадающие в осадок. Задерживается
миграция Fe, V, Zn, Ni, Co, Cu, Pb, U, As, Cd, Hg, Ag, Se.
Восстановительный
глеевый
барьер
препятствует
миграции
восстановленных соединений урана, селена, ванадия, молибдена, рения,
кобальта, выпадающих в осадок.
10
Физико-химические барьеры (4)
Испарительный барьер приурочен к зонам гипергенеза с аридным климатом и
характерен для верхних горизонтов почв, пород. Вода с растворенными в ней
элементами передвигается вверх и по мере перехода в парообразное
состояние происходит выпадение элементов из раствора с образованием
хлоридных, сульфатных и карбонатных солей. Этот барьер прекращает
миграцию всех растворимых в воде веществ. Сопровождается засолением,
огипсованием.
Сорбционный барьер выражен в тех обстановках, в которых много коллоидных
частиц (гумуса, глины). Он может осаждать практически все элементы,
встречающиеся в растворе в ионной форме. Действие сорбционного барьера
проявляется при процессах просачивания растворов через глинистые и
органические среды, почвы и рыхлые отложения, обогащенные гумусом,
гидроокислами железа и алюминия.
Действие сорбционного и окислительно-восстановительного барьеров часто
проявляется совместно. Сорбционный барьер определяет осаждение на
поверхности тонкодисперсных частиц положительно заряженных (осадители
– глинистые частицы, органические коллоиды, торф) и отрицательно
заряженных (осадители – гидроокислы железа и алюминия) ионов.
Выпадение тонкодисперсной фазы гидроокислов железа на окислительном
барьере одновременно вызывает сорбцию и осаждение отрицательно
заряженных комплексных ионов мышьяка, фосфора, урана, ванадия.
Коагуляция органических коллоидов сопровождается сорбционным
осаждением катионов меди, свинца, цинка и др.
11
Классификация геохимических барьеров по
размеру и ориентации в пространстве
По размеру выделяются макро-, мезо- и микробарьеры. Так, в дельтах
рек где происходит смешение пресных и соленых вод формируется
макробарьер шириной сотни и тысячи метров. Рудные тела в
водоносных горизонтах артезианских бассейнов имеют ширину в
десятки и сотни метров при длине водоносных горизонтов в тысячи и
десятки тысяч метров (мезобарьеры). К мезобарьерам относятся
также краевые зоны болот, где накапливаются многие элементы,
выщелоченные из почв водоразделов и склонов. Рудные прожилки
мощностью в несколько сантиметров и миллиметров относятся к
микробарьерам.
Различаются также латеральные барьеры, образующиеся при движении
вод в субгоризонтальном направлении, например, в болоте у
подножья горного склона, и радиальные (вертикальные) барьеры,
формирующиеся при вертикальной (снизу вверх или сверху вниз)
миграции растворов в пределах почвенного профиля или толщи
горных пород.
12
Количественные характеристики
геохимических барьеров (1)
Изменение геохимических показателей (температуры,
давления,
окислительно-восстановительного
потенциала, pH и т.д.) в направлении миграции
называется градиентом барьера G и определяется
по формуле:
m1  m2
G
l
где m1 – значение данного геохимического показателя
до барьера, m2 – после барьера, l – ширина барьера.
13
Количественные характеристики
геохимических барьеров (2)
Контрастность барьера S характеризуется отношением
величины геохимических показателей в направлении миграции
до и после барьера:
m1
S
m2
где m1 – значение данного геохимического показателя до барьера,
m2 – после барьера.
Интенсивность
накопления
элемента
(рудообразование)
увеличивается с ростом контрастности и градиента барьера.
14
Количественные характеристики
геохимических барьеров (3)
Концентрация элементов на барьере рассчитывается по формуле:
m
1
H  K  a1 a2
где H – содержание элемента на барьере; K – коэффициент,
зависящий от «инертной» массы породы; m1 - содержание
изучаемого элемента в миграционном потоке; a1 – общее
содержание всех веществ в миграционном потоке,
поступающем к барьеру; a2 – содержание всех веществ в потоке
после прохождения барьера.
15