книги / Основы геохимии

падают наименее растворимые минералы, последними — наиболее растворимые. Важнейшие минералы эвапоритов — сульфаты и талойды,;состав которых представлен в табл. 81. В морской воде, как из­ вестно, широко представлены компоненты этих солей в виде ионов

Na+, Mg2+, Са2+, К+ и анионов Cl-, SOif Кроме хлоридов и сульфатов, отмечаются карбонаты и около 30 боратов, среди которых первое место принадлежит борациту (Mg, Fe, Мп)3С1В,013.

Первые количественные исследования процесса выпадения солей в осадок при испарении морской воды были выполнены итальянским химиком И. Узильо (1849). Он установил, что выпадение калийных солей происходит последним.

На рис. 57 представлен график хода сгущения океанической воды при испарении, составленный М. Г. Валяшко (1962). На оси абсцисс отложены значения плотности, которые отражают степень сгущения морской воды. На оси ординат — относительные изменения объемов сгущающейся воды. В левой части представлен состав океанической воды в солевой форме (г/кг). Справа указана минералогическая форма, в которой выделяются соли в осадок. Толщина горизонтальных ли­ ний соответствует интенсивности выпадения солей в осадок.

Первым при испарении воды океана выпадет в осадок карбонат кальция, затем сульфат кальция. Большая часть присутствующего' CaS04 выпадает в осадок в виде гипса и меньшая в виде ангидрита. Экспериментальные исследования показали, что гипс устойчив при температуре ниже 42° С, а ангидрит выше этой температуры. По дан­

271

з , 35 раза большей, чем у нормальной морской воды. Ангидрит не найден в современных морских и континентальных отложениях солей. Самые молодые отложения ангидрита встречены в верхнем миоцене Сицилии. В древних породах он преобладает над другими минералами, поэтому можно допустить, что ангидрит образуется из гипса при до­ вольно длительном влиянии давления вышележащих пород и повы­ шенных температур.

После испарения 1/4 первоначального объема морской воды начи­ нается выпадение целестина, который встречается в тесном параге­ незисе с карбонатами и сульфатами кальция. После сокращения объе­ ма нормальной морской воды в 10 раз начинается осаждение галита.

Последние стадии осаждения солей характеризуются большим усложнением. В осадок выпадают в общем небольшие доли калийных и магнезиальных солей. Для возникновения отложений калийных со­ лей, следовательно, недостаточно тех условий, которые создаются при прямом испарении обычной морской воды. Как отмечает М. Г. Валяшко, для образования месторождений калийных солей необходимо, во-первых, прогрессивное испарение больших, непрерывно пополня­ ющихся масс океанической воды и изоляция главной части образую­ щихся при этом маточных растворов от общей массы океанической воды,

Солеродные бассейны могут быть не только морского происхожде­ ния. Они возникают также и в результате постоянного привноса ре­ ками солей в бессточные озера.

Химический состав соляных озер, возникших первоначально из морской воды, подвергается изменениям, происходит так называемая метаморфизация соляных растворов при взаимодействии с вмещаю­ щими породами и растворенными в проточных водах веществами. Еще Н. С. Курнаков различал два класса соляных озер: 1) класс морских, преимущественно сульфатных, и 2) класс материковых (обогащенных хлоридами) озер. В дальнейшем М. Г. Валяшко, развивая класси­ фикацию Н. С. Курнакова и учитывая данные о совместной раство­

N a+, (К+), Mg2+. Встречаются также ионы СоГ и (НС03)“ в пределах

272

ролитической среды. Все погребенные органические вещества гор­ ных пород мы должны рассматривать как метастабильные соединения, существующие в больших скоплениях только в определенных условиях.

Восстановление при органических реакциях приводит к тому, что содержание кислорода убывает, а водорода относительно возрас­ тает.

В природных условиях протекает также полимеризация. Она за­ ключается в том, что большие молекулы распадаются на малые, ко­ торые объединяются. Так, в живых растениях шестиуглеродные мо­ лекулы сахара соединяются, образуя крахмал и целлюлозу. Амино­ кислоты связываются в длинные цепи протеинов. Возможно, что часть нефтяных компонентов возникает в результате полимеризации прос­ тых углеводородов по схеме

С6н в + С2Нв —>■С4Н10 + н 2

Побочным продуктом является водород, противоположные процессы представляют собой деполимеризацию.

После отмирания организма весь сложный комплекс соединений углерода становится неустойчивым и подвергается быстрому окисле­ нию в условиях земной поверхности и водоемов с открытой циркуля­ цией. Накопление органических веществ происходит преимущественно в восстановительных условиях в форме ископаемых углей, горючих сланцев, нефти, а также в рассеянном состоянии среди многочислен­ ных осадочных горных пород.

Угли и горючие сланцы являются полностью продуктами жизнеде­ ятельности растительных и отчасти животных организмов. Наиболее благоприятные условия для их образования создаются в обширных прибрежно-морских, прибрежно-озерных и межгорных низменностях, где развиваются торфяные болота и водоемы со стоячей водой.

Накопление органической массы происходит либо в болотах в виде остатков наземных растений (гумусовые угли), либо в озерах в виде остатков планктона, пыльцы (сапропелевые угли), либо в лагунах в виде мелководных органических илов (горючие сланцы). Согласно генетической классификации Г. Потонье и М. Д . Залесского, выде­ ляются три основные группы углей.

1. Сапропелиты — угли, возникающие в стоячих водоемах из остатков фитопланктона, который в ходе сезонного отмирания опус­ кается на дно и образует сапропели. Ископаемые сапропели обычно однородны, с раковистым изломом. Среди сапропелитов выделяют богхеды, состоящие из неразложившихся водорослей, сапроколиты, для которых характерно сильное разложение водорослевой структуры, и кенели — сапропелиты с значительной примесью оболочек спор и гуминового вещества.

2.Гумиты — угли, образовавшиеся из остатков наземных расте­

ний.

3.Липтобиолиты — остаточные угли, возникшие из наиболее устойчивых растительных остатков — спор, кутикулы, смол и т. д.

Сапропелиты с высокой зольностью (свыше 50%) образуют горю­

274

Таким образом, часть углерода окисляется до С 02, а другая восста­ навливается до углеводородов. Однако реальные превращения органи­ ческого вещества в нефть происходят значительно сложнее под влия­ нием многих факторов.

Рассеянное органическое вещество в осадочных породах — наиболее распространенная форма органического вещества. В связи с напря­ женным характером жизни в биосфере Земли организмы (особенно микроорганизмы) проникают повсеместно, во все осадки и горные породы, возникающие в водной среде. Поэтому мы встречаем во мно­ гих глинах, сланцах, известняках, песках, песчаниках и почвах углистые образования и мелкие включения наиболее устойчивых орга­ нических образований. Можно считать, что общее количество рассе­ янного органического вещества в горных породах по своей массе значительно превышает массу углерода, сосредоточенную во всех ка­ менноугольных и нефтяных месторождениях Земли. По подсчетам В. Даусона, в Гренвильской формации докембрия Северной Америки содержится больше углерода, чем во всех каменноугольных месторож­ дениях мира.

П е р е л ь м а н А. И., Б а ту л и н С. Г. Миграционные ряды элементов в ко­ ре выветривания. — В сб. «Кора выветривания», вып. 4. М., Изд-во АН СССР,

1962.

П е р е л ь м а н А. И. Геохимия ландшафта. М., «Высшая школа», 1966.

Пе р е л ь м а н А. И. Геохимия эпигенетических процессов. М., «Недра», 1968.

Ст р а х о в Н. М. Типы литогенеза и их эволюция в истории Земли. М., Госгеолтехиздат, 1963.

Ст р а х о в Н. М. К теории геохимического процесса в гумидных зонах. — В сб. «Геохимия осадочных пород и руд». М., «Наука», 1968.

B o r c h e r t Н. Principles of oceanic salt deposition and metamorphism. Chemi* cal Oceanography v. 2, Academic Press, London and New York, 1965.

Г л а в а XI

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ МЕТАМОРФИЗМЕ

МЕТАМОРФИЗМ ГОРНЫХ ПОРОД

Комплекс процессов, происходящих на определенных глубинах под влиянием изменений температур, давлений и химически активных веществ и приводящих к минеральным структурным преобразова­ ниям горных пород, называется метаморфизмом.

276

Метаморфизм, при котором происходит замещение одних минера­ лов другими, называется метасоматозом. Метаморфизм, протекаю­ щий хотя бы с частичным плавлением исходной породы, именуется ультраметаморфизмом.

Метаморфизм горных пород происходит под влиянием трех важней­ ших факторов: температуры окружающей среды, давления и концент­ рации ряда веществ в горных породах (включая состав межгрануляр­ ных растворов). В зависимости от ведущего значения того или другого

дах при внедрении в них магматических расплавов. Резкое повышение температуры вмещающих пород вызывает тепловое воздействие внед­ ряющейся магмы. В результате минеральное равновесие во вмещаю­ щей породе нарушается и происходит ее перекристаллизация. Кон­ тактовые ореолы вокруг массивов изверженых пород в некоторых случаях достигают значительных размеров.

* При контактовом метаморфизме не менее важную роль, чем тер­ мическое воздействие, играют легколетучие компоненты. При отде­ лении газовой фазы от магматического расплава мобильные летучие компоненты увлекают из магмы нелетучие компоненты и их соедине­ ния и, будучи насыщенными ими, проникают во вмещающие породы, где происходит осаждение растворенных веществ.

Газово-жидкие эманации, функционирующие при контактовом метаморфизме, обладают большой растворяющей, проникающей и ре­ акционной способностью. Особенно активные химические процессы протекают при образовании скарнов, где магматические эманации от­ дают вмещающим карбонатным толщам не только летучие компоненты, но и тяжелые металлы, растворенные в них. Известняки, играющие роль экрана, абсорбируют минерализаторы и становятся, таким обра­ зом, концентраторами определенных, чуждых им химических эле­ ментов. В качестве примера можно привести данные Т. Барта по кон­ центрации веществ в карбонатных толщах района Осло при контакто­ вом метаморфизме (табл. 83).

Не менее, если не более активно, чем в скарнах, геохимический аспект контактового метаморфизма выступает при процессах грейзенизации. В этом случае во вмещающих породах кислого состава отмечаются следующие привнесенные в них элементы: Fe3+, Fe21-, Al, F, Cl, Be, Li, Sn, W, Mo, Bi, As, Си. Они фиксируются в новообразо­ ванных минералах — турмалине, флюрите, берилле, касситерите, вольфрамите, молибдените, в ряде рудных и других минералов.

Процессы контактового метаморфизма протекают тем интенсивнее, чем выше температура и чем большую роль играют летучие компо­ ненты. Основные магматические породы в период своего становления имеют большую температуру, чем кислые (граниты), но они не дают обширных контактовых зон, так как они более бедны летучими ком­ понентами. Основные интрузии приводят к образованию узких 'кон­ тактовых зон, в которых изменения зачастую сводятся лишь к обыч­

277

Т аб л и ц а 83

Вещества, концентрирующиеся в известняке при контактовом метаморфизме

Следует отметить, что контактовые химические изменения охва­ тывают не только вмещающие толщи, но и зоны внутри массивов из­ верженных пород. В результате главным образом ассимиляции вещест­ ва из вмещающих горных пород химический состав внешних частей интрузивных массивов отличается от внутренних частей. Эти зоны называются эндоконтактами в отличие от экзоконтактов, располо­ женных во вмещающих толщах.

2. Динамометаморфизм — метаморфизм, обусловленный давле­ нием (главный фактор). В него входит кластический метаморфизм и метаморфизм нагрузки. Динамометаморфизм заключается в динами­ ческих преобразованиях горных пород и минералов. Кластический метаморфизм приводит к разрывным деформациям пород с дроблением минеральных индивидов. Происходит образование катаклазитов и милонитов.

Несмотря на то что динамометаморфизм играет важную роль в пет­ рологии и структурной геологии, в геохимическом аспекте роль его ничтожна. Динамические процессы метаморфизма не приводят к зна­ чительным миграциям элементов. Они могут лишь замедлять или уско­ рять реакции, имеющие место при контактовом или региональном метаморфизме. Так, например, одностороннее давление понижает тем­ пературу химических реакций и обусловливает анизотропию среды, а это в свою очередь сказывается на процессах растворения и пере­ кристаллизации.

В общем, оценивая динамометаморфизм с геохимической точки зрения, можно сказать, что он играет скорее вспомогательную роль, выступает как фактор общего метаморфизма, а не как самостоятель­ ный вид.

3. Региональный метаморфизм — метаморфизм, обширно прояв­ ляющийся в пространстве и происходящий на глубинах под воздей­ ствием внутреннего тепла Земли. Он проявляется обычно на огромных

278

площадях орогенных поясов, что дает право называть его также орогенным метаморфизмом (Н. Судовнков, 1964).

В результате горообразовательных процессов толщи горных пород первоначально попадают на значительные глубины в чуждую для них обстановку повышенных температур и давлений. Поскольку темпера­ тура регионального метаморфизма обусловлена внутренним теплом Земли, а давление нагрузкой вышележащих толщ, то естественно, что интенсивность метаморфизма зависит от глубины погружения. Как известно, геобарический градиент составляет в среднем 27 106 Па/км, а геотермический колеблется от 10 до 100 град/км. В современных ор-

Рис. 58. Основные типы строения земной коры (по В. Е. Ха-, ину, 1964) н схематическое положение верхней границы ультраметаморфизма

огенных поясах геотермический градиент равен 35—50, на плат­ формах 15—35 и на щитах 10— 15 град/км и менее.

Таким образом, при региональном метаморфизме только погру­ жение толщ горных пород на некоторую глубину, без влияния магма­ тических масс, создает благоприятные условия для нарушения в поро­ дах физико-химического равновесия и для их минерально-структурной перестройки. При значительных погружениях региональный метамор­ физм переходит в ультраметаморфизм. В связи с этим возникает во­ прос относительно глубины регионального метаморфизма и ультра­ метаморфизма.

По многочисленным экспериментальным данным, температура наи­ более легкоплавкой из силикатных природных систем — гранитной эвтектики — при давлениях 2—3 108 Па лежит около 500° С. В земной коре эти термодинамические условия достижимы на следую­ щих глубинах: в орогенных зонах — на глубинах около 10 км, под платформами — около 30 км, под щитами — на глубинах около 55 км.

279

Эти глубины соответствуют нижней границе нормальных метамор­ фических процессов/ протекающих без переплавления вещества. Ниже этих глубин располагается зона ультраметаморфизма. Таким образом* очевидно, что региональный метаморфизм охватывает рею земную кору (или по крайней мере ее континентальную часть) до глубин в среднем 25—30 км. Глубина проявления нижней границы нормального метаморфизма (метасферы) в общих чертах обратно про­ порциональна мощности земной коры (рис. 58).

Интенсивность метаморфических процессов определяется не толь­ ко температурой и давлением. Не меньшую роль играют и летучие компоненты, присутствующие в породах в виде поровых растворов. Влияние поровых растворов на интенсивность метаморфизма сводит­ ся к следующему:

принимают активное участие в различных химических реакциях (на­ пример, образование гидроксилсодержащих минералов).

3. Часто летучие вещества играют роль катализаторов при различ­ ных процессах (химические реакции, кристаллизация и др.). Такова, например (как установлено Д. П. Григорьевым), роль фтора при крис­ таллизации амфиболов.

Следует подчеркнуть, что присутствие летучих компонентов ус­ коряет многие метаморфические процессы в миллионы раз, хотя их количество в кристаллических породах, как правило, незначительно и редко превышает 2—3% (массовых).

МИГРАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ МЕТАМОРФИЗМЕ

В геохимическом отношении чрезвычайно важно выяснить меха­ низм миграции различных веществ в виде молекул, атомов и ионов.

Миграция в жидком состоянии. Вопросы миграции элементов в жидком состоянии при метасоматических процессах особенно детально были рассмотрены Д. С. Коржинским, который считал, что межгра­ нулярная жидкость служит той средой, в которой происходит миг­ рация вещества при метасоматозе. В зависимости от динамики среды выделяются два типа метасоматоза: диффузионной и инфильтрационный. При диффузионном метасоматозе поровые растворы остаются не­ подвижными. Это имеет место в случае отсутствия перепадов давления. При этом ведущим фактором метаморфизма (метасоматоза) высту­ пает концентрация растворенного вещества: элементы (ионы, атомы, молекулы) мигрируют через неподвижные поровые растворы в сторону понижения концентрации.

При инфильтрационном метасоматозе миграция элементов проис­ ходит путем транспортировки их движущимся поровым раствором. Фильтрационный метасоматоз не имеет места при отсутствии более или менее значительных перепадов давления, обусловливающих те­ чение жидкостей. Поэтому фильтрационная миграция происходит обычно в зонах дробления, рассланцевания, по микротрещинам и зонам тектонических нарушений. Эти условия, естественно, опреде-

280