Миграция химических элементов

Для геохимии важно выяснить меха­низм миграции различных веществ в виде молекул, атомов и ионов.

Миграция в жидком состоянии. В зависимости от динамики среды выделяются два типа метасоматоза: диффузионный и инфильтрационный. При диффузионном метасоматозе поровые растворы остаются не­подвижными, что имеет место при отсутствии перепадов давления. Ведущим фактором метаморфизма (метасоматоза) при этом высту­пает концентрация растворенного вещества: элементы (в виде ионов, атомов, молекул) мигрируют через неподвижные поровые растворы в сторону понижения концентрации.

При инфильтрационном метасоматозе миграция элементов проис­ходит путём транспортировки их движущимся поровым раствором. Фильтрационный метасоматоз не имеет места при отсутствии более или менее значительных перепадов давления, обусловливающих те­чение жидкостей. Поэтому фильтрационная миграция происходит обычно в зонах дробления и рассланцевания по микротрещинам и зонам тектонических нарушений. Эти условия определяются влиянием дислокационного метаморфизма на ускорение процессов метаморфизма вообще и метасоматоза в частности.

При миграции вещества во время метасо­матических процессов химические элементы по степени подвижности располагаются в следующий ряд:

Н₂О, СО₂, S, SO₃, К₂О, N₂О, F, CaO, O₂, FeO,

P₂О₅, BaO, MgO, SiO₂, Al₂O₃, Fе₂О₃, TiO₂.

Что касается элементов – металлов, то наиболее подвижными из них оказываются ионы больших радиусов и относительно малых зарядов.

Приведённый ряд химических элементов и их соединений не является абсолютным, и зависит от многих причин, меняясь в зависимости от конкретной геологической обстановки.

В результате дифференциальной подвижности при диф­фузионном и инфильтрационном метасоматозе растворённые вещества перемещаются на разные расстояния. Это приводит к возникновению так называемой метасоматической зональности.

Миграция в твёрдом состоянии протекает при высоких температу­рах без участия жидких поровых растворов, непосредственно путём диффузии через кристаллические решётки минералов. При критиче­ских температурах, близких к точке плавления, многие атомы крис­таллической решётки переходят в возбуждённое состояние. При дальнейшем повышении температуры это приводит к определённым перемещениям в кристаллической постройке, образованию дырок и дислокации и, следовательно, к своеобразному перемешиванию ато­мов в твёрдом теле. Таким образом, диффузии в твёрдом состоянии способствует повышение температуры и, как следствие этого, – появ­ление дефектов структуры.

Описанный путь миграции имеет место главным образом в металли­ческих решётках, но и в этом случае для неё характерны исключительно малые скорости.

Перемещения, протекающие при диффузии в твёрдом состоянии, ничтожны. Этот путь миграции может приводить к образованию вторичных плёнок замещения в минеральных зёрнах, но сколько-нибудь существенного геохимического эффекта не даёт.

Миграция химических элементов происходит из нижних коровых горизонтов в верхние, то есть из областей интенсивного метамор­физма в области слабых его проявлений. Это относится в первую оче­редь к миграции легко подвижных элементов.

МЕТАМОРФИЗМ МИНЕРАЛОВ

Каждый минерал устойчив лишь в определён­ных интервалах температур, давлении и химизма среды. Если зна­чения того или иного параметра выходят за критические для дан­ного минерала пределы, происходит превращение его в другие более устойчивые при данных условиях минералы. Таким образом, изменение одного или нескольких параметров среды при метаморфизме приводит в общем случае к изменениям физических и химических особенностей данного, в частном слу­чае – к его смене, то есть к полному минеральному пре­образованию. Изменения идут взрывоподобно и не ограничиваются рамками минерального вида. Изменяется вся ассоциация, ко­торая перестаёт быть устойчивой в данных условиях температур, давлений и концентраций.

Данные минералогии, геохимии, петрологии и экспериментальной петрографии позволили заключить, что химический состав минерала не является величиной постоянной, а меняется в определённых пределах, являясь функцией температур, давлений и концентраций вещества. Иначе го­воря, состав минерала зависит от степени его метаморфизма.

Приспосабливаемость минералов к меняющим­ся термодинамическим условиям наиболее ярко проявляется в минералах сложного химического состава, устойчивых в широком интервале температур и давлений (слюды, амфиболы, гранаты, полевые шпаты). Например, химически простой минерал магнетит Fe₃O₄, находящийся в равновесии с ильменитом FeTiO₃, также реагирует на повышение темпера­туры и давления абсорбцией титана. Аналогично кварц SiO₂ повышает содержание Al в своём составе.

Главнейшие породообразу­ющие минералы метаморфических пород подтверждают правило о том, что ведущие элементы земной коры Si, A1, Fe, Mg, Na, К, Ti меняют свои концентрации в минералах в зависимости от температур и давлений при метаморфизме.

В процессе метаморфизма происходит перерас­пределение не только ведущих химических элементов земной коры. В зависимости от степени метаморфизма в минералах изменяется содержание многих редких элементов, что также ведёт к значительному общему геохимиче­скому эффекту.

Для выяснения степени насыщенности минералов какими-либо элементами в связи с разными условиями их образования было введено понятие коэффициента аккумуляции:

R = ,

где n – число химических элементов в определяемой группе;

k_i – содержание элемента в данном минерале,

К – кларк элемента в литосфере.

Коэффициент аккумуляции n химических элементов – это среднее арифметическое кларков их концентрации. Этот коэффициент даёт возможность судить о некоторых самых общих положениях, особенно важных, когда речь идёт о боль­шом числе редких элементов.

Рассчитываемые с использованием коэффициента аккумуля­ции данные весьма важны при сравнении поведения различных химических элементов в минералах одной и той же горной породы. Этим путём были получены данные о концентрациях редких элементов в минералах одноимённых пород. Оказалось, что наименьшей способностью концентрировать редкие элементы характеризуется кварц. Цветные минералы насыщены ими в значительно большей степени. И, наконец, магнетит обладает исключительной способностью кон­центрировать редкие элементы (даже с учётом того, что он содержит только химические элементы с малыми и средними ионными радиусами, а элементы с большими ионными радиусами практически не входят в его состав).