13. Геохимия гипергенеза.

Гипергенез (термин предложен А.Е.Ферсманом в 1922 году) объединяет целую группу процессов, протекающих на границе литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы. Это собственно гипергенез (выветривание), педогенез (почвовобразование), сингенез – накопление осадков и др. Они охватывают то пространство верхних оболочек нашей планеты, которое входит в биосферу. Основные источники энергии гипергенных процессов - энергия Солнца и гравитационная энергия положения. Основные процессы здесь заключаются в изменениях изверженных, метаморфических и осадочных горных пород, заключающихся в приспособлении их к тем физико-химическим условиям, которые здесь существуют. В зоне гипергенеза большую роль играют свободный кислород, коллоидное состояние вещества и деятельность живых организмов. Здесь создаются благоприятные условия для концентрации многих химических элементов, значительно более широкие по своему разнообразию, чем это имеет место в зоне глубинных (гипогенных) геохимических процессов, возникают крупнейшие промышленные месторождения железа, марганца, алюминия и других металлов. Для этой зоны характерно большое разнообразие месторождений нерудного сырья, здесь встречаются все без исключения горючие полезные ископаемые. В зоне гипергенеза в первую очередь происходит коренное перераспределение главных строителей земной коры — восьми ведущих химических элементов (О, Si, А1, Fe, Са, Мg, Na, К), способствующее образованию новых минеральных ассоциаций. Все способы миграции химических элементов при гипергенезе можно разделить на три основных:

Химическую миграцию приводящую к образованию химических осадков.

Механическую миграцию, c которой связано формирование терригенных кластических отложений в виде галечников, гравия, песков, россыпей.

Биогенную миграция, связанную с деятельностью живых организмов, приводящих к накоплению органических компонентов в осадочных породах, и образованию органогенных осадков и полезных ископаемых.

Химическое выветривание как основной процесс зоны гипергенеза заключается в химико-минералогическом преобразовании выветривающихся пород под действием воды, углекислоты, кислорода и продуктов разложения органических веществ. Процесс химического выветривания осуществляется нисходящим током поверхностных вод, которые фильтруются через горизонты пород, выходящих на дневную поверхность.

Диссоциация воды и тем самым скорость реакции гидролиза усиливается при более высоких температурах, т.е. зависит от климата. В тропических условиях при средней температуре + 30⁰С химическое выветривание примерно в 20 раз интенсивнее, чем в полярных условиях со средней температурой + 10⁰ С.

В развитии процессов выветривания важное значение имеет вертикальная гидрохимическая зональность. Выделяют сверху-вниз следующие гидрохимические зоны:

1) Зону аэрации, где происходит просачивание осадков. Воды этой зоны наименее минерализованы и наиболее обогащены активным кислородом и углекислотой, и обладает максимальной окисляющей способностью. Снизу она ограничена уровнем грунтовых вод.

2) Зону истечения, которая располагается ниже уровня грунтовых вод. В ней воды медленно перемещаются в направлении близком к горизонтальному. Имеют нейтральный или слабощелочной характер. Процессы окисления и разложения пород им не свойственны. В этой зоне накапливаются и отлагаются вещества, принесенные из вышележащей зоны, поэтому часто ее называют зоной концентрации или цементации.

3) Зону застойных вод, которая располагается ниже зоны истечения. Воды этой зоны наиболее минерализованы до образования рассолов с крайне слабым водообменом. Однако, не все продукты выветривания выносятся в подземную циркуляцию. Часть материала захватывается поверхностными водами и уносится ими в растворенном состоянии или в виде механической взвеси. В ходе химического выветривания происходит процесс фазового разделения вещества на твердые остаточные продукты, сохраняющие структуру и текстуру выветривающихся пород, и жидкие фазы, выносимые из сферы выветривания в виде растворов.

Среди многочисленных химических реакций зоны выветривания первое место принадлежит гидролизу– реакции ионов воды (H⁺иOH^-) с ионами (элементами) минералов и пород. При гидролизе полевых шпатов, например, происходит образование каолинита. При этом ион водорода вытесняет из алюмосиликатов основания (калий. натрий, кальций). Важное место при гипергенезе принадлежит также реакциям окисления, восстановления, гидратации, карбонатизации, декарбонатизации, катионного обмена.

При катионном обмене ча всего принимают участие щелочные и щелочноземельные металлы, отчасти аммоний. Наиболее активно сорбируются крупные ионы металлов калий, рубидий и цезий в монтмориллонитах и гидрослюдах, в то время как литий и натрий преимущественно остаются в растворах. Опыты по обмену в глинистых минералах показали, что обменная способность растет в рядах:

Li<Na<K<Rb<Cs

Mg<Ca<Sr<Ba

В процессах ионного обмена могут участвовать также органические соединения.

Карбонатные равновесия. Повышение кислотности растворов всегда приводит к растворению в них карбоната кальция:

CaCO₃+H⁺=Ca²⁺+HCO_{3 ,}

и, наоборот, увеличение нейтрализует предыдущую реакцию:

Сa²⁺+HCO₃-+OH^-=CaCO₃+H₂O

Перенос вещества водными растворами. В растворенном виде элементы выносятся согласно миграционному ряду Б.Б.Полынова: Сa>Na>Mg>K.

Таблица 9