64723

Вода в земной коре

Лекция

География, геология и геодезия

Параметры природных вод и их влияние на миграцию химических элементов гидросфере Параметрами называют количественные характеристики тех или иных свойств объекта. Такими параметрами для воды являются температура. От величины этих параметров зависит очень многое на нашей планете в том числе...

Русский

2014-07-10

75 KB

2 чел.

Лекция 3 -2009

Вода в земной коре

3.1 Параметры природных вод и их влияние на миграцию химических элементов гидросфере

Параметрами называют количественные характеристики тех или иных свойств объекта. Такими параметрами для воды являются температура. давление, кислотно-щелочной и окислительно-восстановительные показатели, а также концентрации тех или иных веществ в том числе и биогенных. От величины этих параметров зависит очень многое на нашей планете, в том числе и сама жизнь как форма существования белковых тел, для многих из которых вода является средой обитания, но и для иных она также абсолютна необходима, даже если они и обитают в пустыне.

3.2 Разложение и синтез воды в земной коре

Количество Н2О в системах земной коры постоянно меняется. Вода как химическое вещество весьма прочный окисел. Иначе мы давно бы имели водородный двигатель, как самый дешевый и экологически чистый, а также решили бы проблему опреснения морской воды Вода разлагается электрическим током, но затраты энергии при этом очень велики. В естественных условиях  тепловая диссоциация молекул воды ничтожна, составляя всего  10-7моль/литр. Константа диссоциации как произведение  количества ионов водорода на количество иона гидроксил иона равняется

10-14 Вода разлагается на кислород и водород лишь при 1000 град, но и при 2000 градС диссоциация не превышает 2%. Электропроводимость чистой воды ничтожна. Но живые системы способны разлагать воды при обычных условиях, используя энергию солнечных фотонов.. Так, при фотосинтезе Н2О разлагается, причем Н связывается в составе живого вещества, а О выделяется в ОС Дальнейшая судьба у них разная. По С. Л. Шварцеву, при выветривании изверженных пород происходит поглощение каолинитом Н+ иона воды.  Гидроксил же (ОН) вместе с С02, растворенной в воде, дает  гидрокарбонат НСОЗ- Последний участвует в образовании карбонатов по примерной реакции 2НСО3+Са =СаСО3+Н2О+СО2  и в  результате кислород воды связывается в карбонатные породы. Основной вывод Шварцева: в верхней части земной коры при взаимодействии воды с горными породами происходит разложение ее молекул и связывание ее частей с глинами и карбонатами (глины получаются при гидролизе первичных минералов, когда Н замещает металлы,  карбонаты же поглощают напротив - О). При образовании глин разлагается и связывается не менее 15-30% Н2О (от массы глин).

Разложение воды, ее исчезновение необходимо учитывать при анализе многих явлений. Но в земной коре протекает и противоположный процесс  -синтез и освобождение связанной  в  осадочных породах воды,  процесс особенно характерный для зоны метаморфизма. Формирующиеся возрожденные воды обладают большой агрессивностью и выщелачивают из вмещающих пород многие рудные элементы (рудообразующие флюиды, которые дают метаморфогенные месторождения многих руд. В этой зоне происходит и выделение СО2 из карбонатов, следовательно и освобождение кислорода.

3.3 Интенсивность водной миграции и концентрации элементов

Для оценки интенсивности водной миграции и концентрации  химических элементов в виде истинных растворов используется коэффициент водной миграции Кх, равный отношению содержания, химического элемента в минеральном (сухом) остатке воды mx к его содержанию в водовмещающих породах  nx или к кларку земной коры    (А. И. Перельман). Kx=mx /a nx, *100 где а  - общая минерализация воды. Эта формула, при оценке подвижности ионов, помогает учитывать распространенность в земной коре тех или иных элементов. Например, в трещинных водах гранитоидов Zn, Мо и Си обычно много меньше, чем Si и Са, но из этого не следует что Zn, Мо и Си мигрируют с меньшей интенсивностью. Определив Кх, устанавливаем, что Zn мигрирует намного интенсивнее Si и Си. Интенсивность миграции Са почти такая же, как у Мо (поэтому в известняках всегда повышенное содержание Мо, на Ситовке, например, а мы ломали голову, откуда он там.

Природные воды при миграции на своем пути взаимодействуют с различными горными породами. Таковы, например, воды крупных рек со сложным геологическим строением бассейна, многие подземные воды. В этих случаях методически правильно в качестве величины использовать не состав конкретной породы, а кларки земной коры или крупных групп пород (кислых, основных и т.д.). Хотя полученные КХ будут усредненными, они дадут ясное представление об интенсивности миграции и концентрации отдельных элементов. С. Л. Шварцев, используя тысячи анализов, вычислил среднее содержание элементов в подземных водах зоны гипергенеза (кларки). Подсчитаны КХ для некоторых распространенных и редких элементов (средний минеральный остаток вод, - по Шварцеву, - составляет 0,43 г/л). Несмотря на резко различные содержания в водах CI, Вг и 1, они мигрируют с близкой интенсивностью относительно друг друга 644,233,99. Это спринтеры. После них идет молибден 4,4, затем натрий 4,2, кальций 3,3, магний 2,3 , фтор 1,6, стронций 1,2 цинк 0,94 и уж потом только калий всего 0,43.Остальные элементы и того меньше  - тихоходы. Медь более менее 0,27, фосфор 0,14, железо 0,02. Наименее подвижные -  титан 0,005 и алюминий -0,008. Все это связано с различной растворимостью элементов в воде.  Близкие по растворимости соединения элементов образуют совместные ассоциации в тех или иных условиях. Так  в водах известняков всегда повышенные содержания элементов, близких по растворимости  к кальцию, тот же молибден, магний, фтор, стронций. Поэтому здесь в экзогенных условиях вместе с кальцитом можно обнаружить флюорит, целестин. А вот некоторые ученые нашего факультета не зная этих свойств, обнаружив эти минералы в воронежской области делают выводы о тектоно- магматической активизации и даже  собираются писать диссертацию по этому поводу. В галогенных отложениях накапливаются  соли, отличающиеся хорошей растворимостью в целом, но слоистость в них образуется благодаря различию значений растворимости.

Если для вод с активной циркуляцией КХ характеризует интенсивность миграции, то для застойных вод он же характеризует интенсивность накопления, так как представляет собой кларк концентрации элементов К) в минеральном остатке воды. Поэтому Кх можно использовать для определения степени концентрации элементов в морских и озерных водах, глубоких горизонтах подземных вод и т.д. В морских водах очень сильная концентрация хлора, брома соответственно Кх 700 и 1 000 000. Сильная для серы от 20 до 700, и средняя для магния, натрия. иода и брома. Вот почему, например, в промышленных условиях бром получают не из горных пород, а из морской воды, где его гораздо больше, чем в любых горных породах.

3.4 Геохимические типы природных вод и их классификация

Чистой воды в природе не существует, дистиллированную воду вы можете найти лишь в лаборатории или аптеке. Все воды содержат растворенные газы, ионы, недиссоциированные молекулы, коллоидные частицы, взвеси. При геохимической классификации необходимо четко определить таксономическое значение каждого компонента вод. Задача эта решалась по-разному. В. И. Вернадский считал воду особым минералом и выделил 485 ее видов, отмечал, что общее их число превышает 1500. Все воды  этот ученый разделил на три подгруппы: твердую воду (льды), газообразную (надземные и подземные пары) и жидкую. В жидкой воде были выделены классы пресных, соленых и рассольных вод. Вернадский считал, что классификация должна учитывать не только геохимические особенности вод, но и физико-геологические параметры, характер водовместилищ. На этом основании он выделял царства, подцарства и семейства вод. Так, подгруппа жидкой воды включает царства поверхностных, подземных и глубинных вод. Семейства выделяются по формам нахождения вод в земной коре: семейства озерных, болотных, речных, пластовых и других вод. Эго все обыденные понятия, выработанные жизнью, подчеркивал ученый. Большое значение он придавал газовому составу вод, выделял кислородные, углекислые, азотные, метановые, сероводородные и водородные воды (таксономическое значение газов ставил выше ионного состава). Для каждого вида вод Вернадский приводил химический элементарный состав в порядке убывания элементов Данная классификация,  по сути является ландшафтной, так как она учитывает не только химические особенности вод, но и физико-географические и геологические условия их распространения и залегания. По широте охвата и глубине анализа классификация Вернадского намного опередила свое время и сыграла выдающуюся роль в развитии геохимии. Она не потеряла научного значения и в настоящее время. 

Возможна и чисто геохимическая классификация вод, основанная на их свойствах, определяющих миграцию элементов. Развивая идеи Вернадского о роли растворенных газов, А. М. Овчинников разработал «гидрогеохимическую систему природных вод», в которой выделены воды с газами окислительной обстановки (N2, 02 С02.), воды с газами восстановительной обстановки (СН4, H2S,) воды с газами метаморфической обстановки (С02 ). Дальнейшую систематику он проводит по соотношению катионов (Na+, К+, Са2 есть и другие классификации, у Перельмана 6 таксонов: группа, тип, класс, семейство, род и вид

За последние годы получен новый большой фактический материал по геохимии природных вод, совершенствуется  и  сама методология. 

3.5 Физико- химические свойства природных вод

 К ним относятся температура, рН и Еh

Температура вод

Данный параметр - важнейший, он определяет условия миграции и формы нахождения элементов в водах, скорость химических реакций, а также водные биоценозы. Выделяется группа холодных и слаботермальных вод, в которых возможна энергичная бактериальная деятельность. Условно принимается 40 оС ее верхней границей. Это так называемая «характерная температура Менделеева», при достижении которой происходит резкое изменение ряда физических свойств вод и, в частности, ее электропроводности; она является приблизительной границей зоны гипергенеза. На самом деле как свидетельствуют новейшие океанологические данные микроорганизмы способны существовать  и пи более высоких температурах современных гиротерм. Выше 40 градусов начинается область гидротермальных процессов, которая разделяется на несколько температурных интервалов. Важным рубежом служит критическая температура, выше которой невозможна жидкая вода (несмотря на высокое давление). Для чистой воды этоЗ74,I ОС, для сильноминерализованных вод до 450 ОС. При более высоких температурах существуют надкритические растворы, т. е. газовые растворы, в которых мигрируют многие элементы. Особенно характерны летучие хлориды и фториды металлов. При высоких давлениях сильно сжатый водяной пар ведет себя во многом аналогично жидкой воде, молекулы Н2О в нем ассоциированы. Такие газово-жидкие растворы именуют флюидами. Они играют важную роль в формировании многих изверженных пород и руд. Л. Н. Овчинников и В. А. Масалович выделили семь особых температурных точек воды, отвечающих ее структурным превращениям: 4, 40, 85, 165, 225, 340 и выше 400 Ос. Учитывая эти и другие построения, можно в первом приближении выделить четыре группы вод: 1. Холодные и слаботермальные воды верхней части земной коры. 2. Горячие и умеренно перегретые (40-2000С)

.3. Сильноперегретые (200-3750С). 4.Флюидные (выше 375 град).Состояние  наших знаний позволяет разработать геохимическую классификацию только для первой группы вод. К первой группе относились и все предыдущие классификации.

Окислительно-восстановительные условия вод

Большое таксономическое значение этих условий объясняется огромным энергетическим эффектом окисли,тельно-восстановительных реакций, коренным образом меняющим геохимическую обстановку в водах. Каждая природная вода характеризуется определенной величиной окислительно-восстановительного потенциала Eh, который, как и рН, определяется с помощью потенциометра или колориметрически. Eh может быть определен и для условий окисления и восстановления отдельного элемента или иона. Окислительно-восстановительные реакции сопровождаются током ионов и электронов, который создает ЭДС определенной величины, и разного направления, которая измеряется в вольтах. Измерение производят в стандартных условиях при темп 25 град. Рассчитаны стандартные электродные потенциалы Ео (для активностей веществ равных единицы) окисления металлов при разных условий рН. (электродный потенциал для водорода равен 0), для щелочных металлов значения Еh самые большие, для щелочноземельных поменьше, для кальция например минус  это 2,87в а при окислении кобальта плюс 1,82 (самый большой). Эти свойства имеют огромное значение в природе, влияя на условия миграции элементов Щелочные металлы сильные восстановители,  легко вступают в химические реакции, разлагают воду, вытесняя из нее водород и образуют соединения с гидроксилом – щелочи. Металлы с положительным Эл потенциалом  малоактивны и инертны, встречаются в природе в самородном виде. С ростом температуры меняются Ео.  В природных водах Еh меняется от+0,7 до -0,5в. В кислородных водах от+0,15 до+0,7. В водах нефтяных залежей опускается до минус 0,5

3.6 Электрохимическое растворение или безкислородное окисление

В природе  реально самым активным окислителем является кислород и это потому, что его просто много. Более сильным окислителем является например фтор, но его значение не велико так его мало. Окислителями являются сульфаты железа, но их также немного. Тем не менее в глубоких горизонтах подземных вод  при фильтрации их через породы, обладающих хорошей проводимостью, (сульфидные руды, шунгиты, магнетитовые руды) обычно возникает электрический ток  и без участия кислорода за счет различных электрохимических процессов типа гальванических. Лучше всего  эти процессы изучены для месторождений сульфидных минералов с  электронной проводимостью. Тела  таких руд обычно полиминеральные, сложены разными минералами   с разными Ео. При фильтрации через них воды возникают микрогальванические пары по типу катод-анод с ЭДС до 0,3-0,4В. Сера сульфидов при этом связывается с водородом, образуется или сероводород или ион HS-1 а металлы,  которые окисляясь переходят в раствор. При этом в первую очередь окисляются (отдают электроны) минералы, которые обладают меньшим Ео и поэтому выполняют роль анода. Подобное электрохимическое растворение сульфидов и арсенидов возможно  в бескислородной среде, т. е. глубже зоны окисления сульфидных руд

Марказит 0,56

Пирит 0,48

Халькопирит 0,42

Пентландит 0,22

Сфалерит 0,12

Молибденит 0,14

Поэтому на начальных стадиях такого окисления подземные воды обогащаются в первую очередь молибденом и цинком, но в них не будет железа и меди, которые в ореольных водах появляются лишь после того как будет исчерпан ресурс молибденита и сфалерита. Такие типы гидрогеохимических ореолов характерны для  полиметаллических месторождений С. Кавказа и Алтая. В рудах  м-ний Норилькой группы, содержащих халькопирит и пентландит, катодом будет халькопирит, а анодом - пентландит. В результате гальванических реакций в первую очередь растворится Ni. Поэтому здесь в надмерзлотных водах содержание Ni значтельно выше, чем Си, хотя в пирротин-халькопирит-пентландитовых

рудах  и преобладает Си. Если в рудах наблюдается ассоциация пирита, халькопирита, галенита и сфалерита, раствор обогащается РЬ и Zn, в то время как Си и Fe практически не растворяются (пирит и халькопирит являются катодом, а галенит и сфалерит - анодом).. В результате возникают электрохимические водные ореолы рассеяния металлов, обнаружение которых позволяет выявлять глубокозалегающие рудные тела, в том числе и не имеющие выхода на земную поверхность. Электрохимическими процессами объясняют образование зоны вторичного обогащения сульфидных руд, различную податливость сульфидов к окислению.

Л. К. Яхонтова предложила использовать некоторые гипергенные минералы в качестве «минералогических потенциометров и pH-метров». Так, сочетание железистые арсенит - арсенат указывает на рН 5-6 и ЕЬ 0,1-0,2 В и т.д.

И. С. Гольдберг и другие полагают, что электрохимические процессы являются одним из важных факторов выветривания минералов диэлектриков (не обладающих проводимостью), причем катионы выносятся в определенной последовательности (Са энергичнее Mg и т.д.).

Представления об электрохимическом растворении положены в основу поисков руд путем частичного электрохимического извлечения металлов под действием постоянного электрического тока (метод ЧИМ). Сконструирована специальная передвижная станция, которая позволяет фиксировать на земной поверхности вторичные ореолы рассеяния рудных месторождений при залегании рудных тел под толщей перекрывающих аллохтонных отложений мощностью более 100 м. Разработан и ряд других геоэлектрохимических методов поисков и разведки рудных месторождений.

Изучение электрохимических процессов быстро развивается, ставится вопрос об оформлении особого научного направления - «геоэлектрохимии»

3.7 Типы вод по окислительно-восстановительным условиям.

Эти типы зависят от содержания в воде 02' Н2 Н2S и других газов. Важную роль играют и Fe2+, FеЗ+, S2-, НS -, Н+, ОН - и другие ионы, а также молекулы органических веществ.

Для типа кислородных вод (с окислительной обстановкой) характерно присутствие в водах свободного кислорода или других сильных окислителей. Многие элементы находятся в высоких степенях окисления - Fe3+, Си2+, S6+ и n.д. В зоне окисления сульфидных месторождений при рН 1-2 Fe может быть и в двухвалентной форме.

Осадочные горные породы, сформировавшиеся в окислительных условиях обычно имеют красную, бурую и желтую окраску. В зоне гипергенеза и при щелочной среде Еh может лишь незначительно превышать 0, обычно ЕЬ > 0,15 В. В кислой среде нижний предел окислительной обстановки превышает 0,4В

Приведенные величины ЕЬ характерны для равновесных условий. Однако в земной коре и особенно в зоне гипергенеза широко распространены неравновесные системы, для которых характерны ассоциации окислителей и восстановителей (например, 02 и H2S В некоторых источниках и 02 и органические кислоты в (места болотистых низменностей). В этом случае показателем окислительной обстановки служит свободный кислород. Если 02 отсутствует на окислительные условия указывает трехвалентное железо.

Главным критерием восстановительных обстановок служит двухвалентное Fe и отсутствие свободного кислорода. ЕЬ в зоне гипергенеза обычно ниже +0,4 В в кислой среде и ниже 0,15 В - в щелочной. Существенно также присутствие других восстановителей, особенно H2S и его производных. Если в водах имеется HS- и S2-, то большая группа халькофильных и сидерофильных элементов может осаждаться с образованием нерастворимых сульфидов. При отсутствии H2S и его производных ионов (HS-, S2-) многие из названных элементов в кислой среде легко мигрируют. Поэтому выделяют два основных типа вод с восстановительной обстановкой.

Тип сероводородных (сульфидных) вод характеризуется H2S, HS-, местами S2-; Fe и многие другие металлы часто не мигрируют, так как образуют труднорастворимые сульфиды. Величина ЕЬ обычно ниже О, местами она понижается до -0,5;- 0,3 В. Цвет пород - черный, серый, зеленый и Т.д.

Тип глеевых вод (с восстановительной бессероводородной обстановкой) также характерен для гипергенных систем. Показателями такой среды служат СН4 и другие углеводороды, растворенные органические соединения, Fe2+, Н2. В глеевой обстановке легко мигрируют многие металлы, часто в форме органических комплексов. Окраска горных пород белая, сизая, серая, зеленая.

Как видим, геохимические различия вод с восстановительной обстановкой не столько связаны с величиной ЕЬ, сколько с природой восстановителя - наличием или отсутствием H2S и его производных (HS-, S2-). При одной и той же величине ЕЬ и рН геохимические условия могут быть резко различными.

При резкой смене восстановительных условий на окислительные возникает окислительныu барьер А (кислородный и др.). Он возникает и при смене резко восстановительных условий слабовосстановительными или слабоокислительных - резкоокислительными, т. е. прирезком повышении ЕЬ. ДЛЯ А барьера особеннохарактерно образование минералов гидроксидов Fe и Мп, а также самородной S. При резком понижении ЕЬ возникают восстановительные барьеры-сероводородные или сульфидные - В и глеевые - С (рис. 36).

Сероводородн.ые и сульфидные барьеры В играют огромную рол в минералообразовании, так как на них концентрируются большое число минералов, главным образом сульфидов (пирит, марказит, галенит, сфалерит и т.д.), а также некоторые оксиды (настуран и др.) и самородные элементы (Аи, Ag, Se и др.).

Для глеевого барьера С менее характерно минералообразование (сидерит, вивианит, настуран, самородные Си, Аи, Se и др.).

 

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

2758. Первоначальные действия по факту пожара 372.67 KB
  Изложены основные вопросы квалификации правонарушений, связанных с пожарами, проведения проверки заявлений и сообщений о происшествиях такого рода, производства по ним неотложных следственных действий. Учтены происшедшие изменения в законодательстве...
2759. Экономическая диагностика предприятия 176.37 KB
  Содержатся теоретические основы, методика и алгоритм диагностики экономического состояния предприятия по данным бухгалтерской отчетности. Приведены формулы для расчета показателей и учета факторов, влияющих на их значения, формы для представления ис...
2760. Рейтинговая оценка финансового состояния, рентабельности и деловой активности предприятия 4.51 MB
  Изучение явлений природы и общественной жизни невозможно без анализа. Сам термин анализ происходит от греческого слова analysis, что в переводе означает разделяю, расчленяю. Понятие о экономическом анализе и его содержание
2761. Автомобильные эксплуатационные материалы 1.5 MB
  Изложены вопросы получения автомобильных топлив, их применение в двигателях внутреннего сгорания. Рассмотрены альтернативные виды топлива, как аналогичные нефтяным, так и отличные от них. Для студентов и преподавателей кафедр, изучающих эксплуатацию автомобильной техники, а также для инженерно-технических работников автотранспортных и авторемонтных предприятий.
2762. Производство алюминия и магния 2.85 MB
  В рамках лабораторного практикума изложены вопросы теории и технологии производства легких металлов на примере наиболее востребованных из них – алюминия и магния. Уделяется внимание знакомству с традиционными способами получения легких металлов...
2763. Административное право России 470.86 KB
  Административное право России является одной из наиболее многогранных и сложных отраслей российского права. Сложность освоения учебного материала по дисциплине Административное право России обусловлена следующими основными фактами: во-первых, адми...
2764. Детали машин. Контрольные задания. Примеры решения 1.26 MB
  Данные методические указания и контрольные задания составлены в полном соответствии с программами курсов Детали машин, Детали машин и основы конструирования и Детали машин и подъемно-транспортные устройства и предназначены студентам всех специальностей заочного факультета, для которых по учебному плану предусмотрены такие курсы.
2765. Анализ наилучшего и наиболее эффективного использования земельного участка в калининском районе Санкт-Петербурга 6.82 MB
  Целью реализации анализируемого проекта является расширение действующего объекта коммерческой недвижимости, повышение его потребительских свойств и конкурентоспособности для увеличения доходов от эксплуатации объекта. Проект предполагает реконструкц...
2766. Проектирование сварных конструкций 2.93 MB
  Конструкции сварные и их проектирование как учебная дисциплина имеет свои задачи - системное формирование у студентов знаний и общих представлений о современном состоянии теоретических основ проектирования сварных конструкций, методах расчета и проектирования сварных конструкций.