Кинетика и динамика физико-химической миграции элементов при геохимическом исследовании.

Ионный обмен обычно сопровождает побочный процесс проникновения и растворителя и растворенного вещества в поры горной породы[4].Химическая адсорбция протекает с образованием связей, которые определяются структурой адсорбента. Различают химическую адсорбцию газов на металлах, угле, оксидах металлов и при гетерогенном катализе.При возрастании температуры физическая адсорбция может преобразоваться в химическую. При химической адсорбции в окружающую атмосферу выделяется значительное количество тепловой энергии[4].Гетерогенный процесс происходит при нахождении реагирующих веществ в разных фазах, таким образом, реакция возможна только на границе их раздела. В силу этого наблюдается появление осложняющих факторов, которые связаны с перемещением веществ в зону реакции. Гетерогенные реакции в природе происходят в основном между мигрирующим веществом и вмещающей породой.Любые гетерогенные реакции содержит несколько стадий протекания, состоящих в [4]:-подводе вещества к поверхности породы;- химическом взаимодействии;- отводевеществ, которыеобразуются в объеме раствора в результате реакции.Скорость протекания гетерогенных процессов на разных стадиях может существенно отличаться.Следующей формой физико-химической миграции является изоморфизм. Под ним понимается способность химических элементов, атомов, ионов и блоков кристаллической решетки замещать друг друга в минералах, при этом решающая роль отводится размерам ионов и атомов. Изоморфные замещения происходят в случаях различия радиусов ионов и атомов не более чем на 15 % от размера меньшего радиуса. При температурах, которые близки к точке плавления минералов, эта величина достигает 30 %, это означает, что изоморфная совместимость возрастает. В алюмосиликатах возможно повышение показателя до 60 % и выше. Кроме близости ионных и атомных радиусов, для изоморфизма необходимы химическая индифферентность и схожесть природы межатомной связи. Ион, имеющий меньший размер, легче замещает ион с большими размерами.Ионы с более высоким зарядом предпочтительнее замещают ионы, имеющие более низкий заряд, т.к. этот процесс сопровождается выделением большего количества энергии и повышает энергию кристаллической решетки[4].Во многих системах состав вод и минералов определяется неравновесием и не только им, а, главным образом, кинетикой процессов.С ростом температуры скорость химических реакций возрастает.Многие термодинамически допустимые реакции в земной коре нереализуются по причине того, что не достигается энергия активации. Под данной энергиейпонимается минимальная энергия в расчете на 1 моль, которую должны иметь реагирующие атомы или молекулы, чтобы была начата реакция. Например, в полярной зоне на поверхности встречаются невыветренные выходы сульфидных руд. Сульфиды в присутствии кислорода являются термодинамически неустойчивыми, но устойчивыми фактически, так как окислениесильно замедляется низкими температурами [5].Суммарный эффект физико-химической и биогенной миграциинаблюдается в зоне гипергенеза. Скоростьмиграциихарактеризуется показателем ионного стока, который равняется годовому стоку в т/км2 площадибассейна реки. По Г.А. Максимовичу, средняя химическая денудацияповерхности суши составляет 12 мкм/год.В центральной части океана наблюдается медленная седиментация, за 1000 летнакапливается менее 3 мм осадков [5].Динамика геохимических процессов исследовалась В.С. Голубевым (1981 год). Динамика изучает физико-химические модели процессов исистем исходя из их развития. Модели строятся на основе закономерностей неравновесной и равновесной термодинамики, химическойкинетики. Наиболее детально исследованы кинетика метасоматоза и процессов образования ореолов рассеяния рудных месторождений(гидрогеохимических,литогеохимических).Большинство сульфидов,арсениды,магнетит и другие минералы имеют электрическую проводимость. На границе их с водой происходит скачок потенциала. Как правило, в сульфидных рудах присутствует несколько минералов, которые имеют разные электрические потенциалы. В таких рудах при контакте с водой образуются микрогальванические пары, их электродвижущая силаможет достигать 0,3–0,4 В. Минерал, имеющий более высокий потенциал,является катодом, а меньший – анодом[5].Если в рудах наблюдается ассоциация пирита, галенита,халькопирита и сфалерита, то будет происходить обогащениераствораPb и Zn, так как галенит (PbS) и сфалерит (ZnS) выступают анодами с более низким потенциалом, чем пирит (FeS2) ихалькопирит (Cu2S), которые играют роль катодов. В результате этого на месторождениях появляются электрохимические водные ореолы рассеяния металлов иэто дает возможность выявить глубоко залегающие руды. Данные электрохимические явления являются одним из важнейших факторов выветривания минералов диэлектриков. Представления об электрохимическом растворении являются основой метода по поиску руд под воздействием постоянного электрического поля. Была разработана специальная станция, осуществляющая поиск рудных месторождений по фиксации на поверхности вторичных ореолов рассеянияна глубине более 100 м [5].Понятие геохимического барьера является важным для понимания процессов миграции химических элементов.Под геохимическими барьерамипонимают участки земной коры, на коротком расстоянии которых происходит резкоеснижение интенсивности миграции химических элементов. В результатеэтого происходит ихотложение и концентрация. К таким участкам могут быть относиться границы междугеологическими и географическими обстановками, представленные интрузивными массивами, Мировым океаном, ландшафтными зонами и др. Существование геохимическиебарьеров возможно на дне морей (в илах), подземных водах,почвах идр. Снижение степени миграции связано с изменениями температуры и давления,со смешениемвод и другими факторами [5].А.И. Перельман выделил следующие типы барьеров[4]:- физико-химический;- биогеохимический;- механический;- техногенный.В основу систематики барьеров им были положены типы миграции химических элементов, т.е. формыдвижения материи.Формированиефизико-химических барьеровпроисходит при резкойсмене температуры, давления, щелочно-кислотных,окислительно-восстановительных и других условий. Таким образом, осаждение химических элементов на барьере определяется физико-химической обстановкойбиокосныхсистем, среди которых сернокислая, кислая, кальциевая, содовая.Также осаждение определяется составом вод(кислые, глеевые, сероводородные классы). Определенные сочетания данных факторов характеризуют класс барьера, который обозначается латинскими буквами, цифра в обозначении определяет классвод. Такой двойной символ обозначает тип концентрации на физико-химическомбарьере: ЕЗ, А5, В1 и др. Предложеннаясистематика по матричному принципу используется при прогнозировании и поисках руд.Выделены следующие классы:- кислородный или окислительный барьер (А);- восстановительный барьер (В);- глеевый барьер (С);- щелочной барьер(D);- кислый барьер (Е);- испарительный барьер (F);- сорбционный барьер (G);- термодинамический барьер (Н).Формирование кислородного или окислительного барьера происходит на контактевод окислительные (резкое повышение Eh) - глеевые или сероводородные. Также он формируется при резкой смене слабоокислительных вод высокоокислительнымиусловиями. Возможно осаждение гидрооксидовFe и Мпи образование эпигенетическихместорождений самородной серы.Восстановительный барьер возникаетв двух случаях[5]:- на участках сменыокислительных условий на восстановительные;-на участках смены менее восстановительныхна более восстановительные. Формирование глеевого барьераосуществляется в обстановке дефицита кислорода исероводорода, органических веществ и обилия влаги. Щелочной барьер появляется при резком повышении pH растворов, которые содержат гуминовые кислоты, обусловливающих миграциюосновных катионогенных элементов (Fe, Mg, Mn, Са, Со,Ni, РЬи др.), а затем осаждение их на границе резкого понижения кислотности [4].Формирование кислого барьерапроисходит в местах смены нейтральных илищелочных растворов на кислые, это означает, что резко уменьшается величинаpH. Формированию кислого барьера способствуют бактерии, которые продуцируют С02 и органическиекислоты.Испарительный барьер наблюдается в зоне гипергенеза, чаще в районах саридным климатом.К зоне относятся участки сильного испарения подземных вод иосаждение легко- и труднорастворимых солей.Образование сорбционного барьерапроисходит при встрече минерализованныхвод с сорбентами, качестве которых выступаютозерные и морские илы, битумы, бурые угли, лигниты,краевые зоны болот (торф), почва, коры выветривания, живоевещество и другие [4].Термодинамический барьер возникает на участках резкого изменения(понижения или повышения) температуры и давления, как в гипергенных, так и гидротермальныхсистемах. Так как все эндогенные, в том числе гидротермальные, процессы происходят на фоне понижения давления и температуры, это означает, что меняется миграционная способность химических элементов и растворимость ихкомплексов.Врезультате формируется термодинамический барьер, который приобретает здесь особо важное значение[4].Причинами совмещенных или комплексных барьеровявляется действие различных факторов наосаждение элементов. Так, при выветриванииультраосновных породв верхних горизонтах корывыветривания наблюдается кислая среда, в которой подвижными являются многиекатионы. При встрече кислых вод с известняками обстановка изменяетсяна щелочную (щелочной барьер). В карстовых полостях карбонатныхтолщ, которые содержат глинистый материал, происходит сорбция металлов. Это означает, что в данном случае совмещаются щелочной и сорбционныйбарьеры [4].ЗаключениеВ работе были рассмотрены вопросы кинетики и динамики физико-химической миграции элементов при геохимическом исследовании.Все химические элементы образуют различные, относительно устойчивые системы. Составляющие их элементы могут перемещаться на земле и в ее недрах. Любое перемещение какой-либо вещества осуществляется в результате затраченной энергии, при этом ее формы могут быть разнообразными.Миграция является одной из основных проблем геохимии. По мнению А.Е. Ферсмана, процессы миграции связаны непосредственно со стремлением атомов к энергетическому равновесию и направлены в сторону поисков состояния, имеющего наименьшие запасы свободной энергии. Физико-химическая миграция химических элементов определяется законами химии и физики.На интенсивность миграции оказывают влияние как внутренние факторы, так и внешние. Внутренние факторы обусловлены свойствами атомов и их соединений, среди них свойства связи (химические, механические, термические); гравитационные и радиоактивные. Внешние факторы определяют обстановку и среду, к ним относятся температура, давление, концентрация, pH, Eh и гидратация.Список использованной литературыВернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. 2-е изд. - М. : Наука, 1987. - 340 с.Добровольская М.Г. Геохимия земной коры : учеб. пособие. – М. : РУДН, 2007. – 131 с.Мачулина Н.Ю. Геохимия окружающей среды : учеб. пособие. – Ухта : УГТУ, 2015. – 154 с.Перельман А.И. Геохимия. 2-е изд. - М. : Высшая школа, 1989. - 528 с.Родыгина В.Г. Курс геохимии: учебник для вузов. –Томск: Изд-во НТЛ, 2006. - 288 с.: ил.Ферсман А.Е. Геохимия. - Т. I-V. - Иэд. М., ОНТИ, Л., ТНТИХЛ, 1934 - 1939.