Миграция химических элементов

Миграция химических элементов находит отражение в гигантских тектономагматических процессах, преобразующих земную кору, и в тончайших химических реакциях, протекающих в живом веществе, в непрерывном поступательном развитии окружающего мира, характеризуя химическое движение как форму существования материи. Миграция химических элементов определяется многочисленными внешними факторами, в частности, энергией солнечного излучения, внутренней энергией Земли, действием силы тяжести и внутренним факторами, зависящими от свойства самих элементов. Различия в миграционной способности (подвижности) химических элементов приводят к их дифференциации и к возникновению природных образований с различными количественными соотношениями между элементами. Результатом этого являются, при качественном единообразии, различия и непостоянство содержаний химических элементов в любых точках земного пространства. Процессы концентрации и рассеяния химических элементов характеризуют две взаимосвязанные и взаимно противоположные стороны единого процесса миграции элементов.

Большой цикл геологической миграции химических элементов иллюстрирует схема, показанная на рис. 1. Отражая внедрение подкоровых магматических расплавов, этот цикл не является замкнутым и характеризует поступательное развитие литосферы. Важно отметить, что эндогенные месторождения формируются в процессе магматической и постмагматической деятельности, разнообразные экзогенные месторождения — в процессе седиментогенеза. Область суши во все геологические времена была ареной развития процессов выветривания и денудации, основной результат которых — разрушение и ликвидация ранее сформированных месторождений полезных ископаемых.

Рис. 7. Схема геологического цикла миграции химических элементов Рассмотрим некоторые геохимические особенности основных геологических процессов, приводящих к конкретной геохимической специализации изучаемых магматических, осадочных и метаморфических породных комплексов.

Геохимические особенности магматических пород в значительной степени зависят от химического состава и минералогии родоначальных пород или расплавов (рис. 2). Содержание главных и примесных элементов в расплаве определяется типом и степенью плавления, хотя состав магмы может существенно изменяться по мере продвижения к поверхности. Наиболее важной характеристикой источника магм является соотношение радиогенных изотопов, так как оно не изменяется в процессе плавления и последующих процессов в магматической камере.

В свою очередь, состав этого источника зависит от соотношения различных типов пород в регионе. Наиболее важным здесь является изучение мантии. Большое влияние на состав мантийных выплавок, кристаллизующихся в последствии в виде разнообразных магматических тел, играют Р-Т-условия выплавок и степень плавления. В зависимости от температуры и давления состав расплавов может изменяться в широких пределах. Степень плавления также может быть причиной достаточно широкого разнообразия состава выплавляемых магм.

Рис. 2. Диаграмма, иллюстрирующая главные процессы, контролирующие химический состав магматических пород.

Большинство магматических пород обязаны разнообразием своих составов процессам в магматической камере до внедрения в близповерхностные уровни. Эти процессы могут значительно изменять состав родоначальных магм, образующихся при парциальном плавлении первичного источника, в результате фракционирования кристаллов, смешения магм, контаминации, ассимиляции или различных комбинаций этих процессов. Оценка роли различных процессов в образовании имеющихся составов требует анализа главных и примесных элементов, а также определения радиогенных и стабильных изотопов.

При последующем внедрении или извержении магматические породы могут изменять свой состав как в результате дегазации, так и при взаимодействии с флюидами. При дегазации изменяется главным образом соотношение стабильных изотопов, в то время как при флюидной переработке могут изменяться концентрации всех элементов. В идеальном случае анализируемые магматические породы должны быть абсолютно свежими, но нередко это не возможно. Например, образцы базальтов океанического дна претерпели изменения в процессе подводного выветривания (гальмиролиза) или гидротермальной переработки с участием морской воды. Многие интрузивные тела при внедрении инициируют гидротермальную циркуляцию грунтовых вод во вмещающих породах, которая в свою очередь приводит к изменению состава самих магматических пород. При метаморфизме магматических пород также может происходить изменение их состава при взаимодействии с флюидом, что будет более подробно обсуждено ниже.

Геохимическая специализация осадочных пород определяется многими факторами, главные из которых показаны на рис. 3. Химический состав питающих провинций является, вероятно, наиболее важным в контроле состава осадочных пород. В свою очередь состав провинции напрямую зависит от геодинамической обстановки. Условия выветривания также могут вносить свою лепту в геохимические особенности осадочных пород, и в некоторых случаях при изучении последних можно выявить геохимические характеристики, связанные именно с этим фактором. Значительные изменения химизма пород могут иметь место в процессе переноса осадочных частиц: некоторые примесные элементы концентрируются в глинистой составляющей и во фракции тяжелых минералов с соответствующим обеднением существенно кварцевой фракции. Эти процессы также зависят от продолжительности перерыва между эрозией и отложением.

Изменения химизма будут также определяться обстановкой осадконакопления, которая в большей степени контролируется скоростью опускания. Химические и биохимические процессы, контролирующие растворимость элементов в морской воде и подводное выветривание, также важны в изменении составов некоторых типов осадков. При изучении процессов, воздействующих на осадочные породы после их отложения, необходимы соотношения стабильных изотопов. Так, стабильные изотопы кислорода и водорода являются индикаторами особенностей морской воды при седиментации. Изотопы углерода и кислорода используют при изучении процессов диагенеза известняков. Зависящее от температуры фракционирование изотопов кислорода можно использовать для расчета геотермальных градиентов при диагенезе и реконструкциях условий захоронения осадочных пород.

Рис. 3. Диаграмма, иллюстрирующая главные процессы, контролирующие химический состав осадочных пород.

Определяющую роль в геохимических особенностях метаморфических пород играет состав протолита (породы, подвергшейся процессам метаморфизма). Иногда процесс метаморфической рекристаллизации является изохимическим, но гораздо чаще при метаморфизме происходят изменения химического состава горных пород. Эти изменения определяются главным образом воздействием флюида и Р-Т-условиями метаморфизма. Поступление или удаление воды при метаморфизме в результате реакций гидратации и дегидратации вызывают изменение общего состава вследствие различной подвижности элементов. Процесс изменения контролируется составом флюидной фазы, температурой метаморфизма и долей флюида в породе (рис. 4).

Рис. 4. Диаграмма, иллюстрирующая главные процессы, контролирующие химический состав метаморфических пород.

При высоких степенях метаморфизма в присутствии воды нередко наблюдаются процессы частичного плавления. Сегрегация и обособление расплава приводит к дифференциации родоначальной породы на рестит и выплавку. В этом случае природа химических изменений состава будет определяться степенью и особенностями плавления.

Изменения химизма метаморфических пород при отсутствии флюидной фазы контролируются диффузией ионов в твердофазном состоянии, определяемой стабильностью минералов и характером метаморфических реакций — функцией РТ-условий метаморфизма.