Геохимия гипергенных процессов

Гипергенез – изменения горных пород, происходящие на поверхности Земли. Область гипергенеза охватывает первые десятки, местами сотни метров земной коры. Гипергенез протекает в интервале температур от – 60 до + 60 °С и давлений 1–25 атм при высокой концентрации кислорода, углекислого газа и воды (А. И.Тугаринов, 1973). Активно протекает процесс окисления, гидролиз, гидратация, сорбция. Измененные гипергенные породы увеличиваются в объеме по сравнению с исходными. Минералы глубинных горных пород разрушаются в той же последовательности, в какой происходила их кристаллизация из расплава: оливин, пироксен, амфибол, полевой шпат, кварц. Соответственно основные породы выветриваются быстрее кислых. Образование конечных минеральных форм происходит через ряд метастабильных форм. Устойчивые минеральные формы в условиях Земли – оксиды. Основными источниками энергии гипергенных процессов являются энергия Солнца и гравитационная энергия положения. Породы трансформируются в песок, глину, коллоиды, оксиды и гидроксиды. Создаются условия для выноса химических элементов с континентов и аккумуляции их в океанах. Химический состав пород более разнообразен, чем в зоне глубинных (гипогенных) геохимических процессов. Формируются крупные промышленные месторождения железа, марганца, алюминия и других металлов. Здесь сосредоточены разнообразные месторождения нерудного сырья, горючие полезные ископаемые. Перенос химических элементов осуществляется химическим, механическим и биогенным путем. Ведущие химические элементы (O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K) земной коры перераспределяются с образованием новых минеральных ассоциаций.

Ведущими геохимическими процессами в зоне гипергенеза являются окисление, восстановление, гидролиз, гидратация, сорбция, карбонатизация, механическая и химическая денудация, осадконакопление, галогенез. Их активизация определяется климатическим и тектоническим факторами. В зоне гипергенеза проявляют себя механический, физико-химический и биологический барьеры. Среди физико-химических барьеров активны кислый, щелочной, нейтральный, окислительный, восстановительный глеевый и с сероводородом, сорбционный, испарительный, термодинамический. Они могут сочетаться в зависимости от водного и температурного режимов природной зоны.

В гумидном климате полнее протекают процессы выщелачивания, растворения, гидролиза и миграции. Высоковалентные (III, IV) катионы типа Al³⁺, Fe³⁺, Ti⁴⁺, Zn⁴⁺ образуют комплексные ионы с органическими кислотами и мигрируют. Органические соединения создают восстановительные условия, поэтому окисление протекает при более высоком потенциале Eh.

В аридном климате миграция элементов слабо выражена. Преобладают окисление и гидратация. Концентрируются щелочи, мало органических кислот. Формируется щелочная реакция, которая содействует переходу в растворенное состояние Si, Al, Cr, V в форме Na₂SiO₃, NaVO₃ и т. д. Щелочные элементы (Na, K, Ca и др.) в реакции с СО₂ образуют карбонаты, в присутствии которых формируются легкорастворимые комплексные соединения Sc, Y, U, Th, Cu, Nb, Ta.

Тектонический фактор приводит к перегруппировке элементов и их соединений между платформами и геосинклиналями.

На платформах процесс выветривания протекает длительное время. Породы разрушаются и химические элементы переносятся на значительные расстояния. Глубокий процесс выветривания обусловливает преобладание хемогенного материала над обломочным. Мощность осадочных пород на платформах незначительная. Здесь характерны следующие формации: чистых кварцевых песков и песчаников; в гумидном климате – каолинитов, в аридном – монтмориллонита; известняков, реже доломитов. Железорудные формации представлены озерными и болотными рудами, железистыми корами выветривания; бокситами среди песчано-глинистых пород. В переходной зоне геосинклинали – соленосные и нефтематеринские формации.

В геосинклиналях процесс выветривания и преобразования пород протекает быстро. Породы привносятся и отлагаются с неполным разложением материала; обломочный материал преобладает над хемогенным; мощность отложений большая; крупные частицы осаждаются механическим путем; коагулируются коллоидные растворы; образуются осадки из перенасыщенных растворов.

Особенности гипергенеза заключаются в соприкосновении различных геосфер (гидро-, лито-, био-, атмосферы), где происходит грандиозный процесс перегруппировок химических элементов, их миграция и осаждение.

Геохимия гидросферы

Вода является универсальной и самой важной средой миграции в земной коре и мантии. Все воды (поверхностные, океанические, подземные) участвуют в общем круговороте воды.

Способность воды хорошо растворять многие соединения обусловлена полярностью ее молекул, большим дипольным моментом, высокой диэлектрической проницаемостью. Вода обладает амфотерными свойствами, выступая в роли кислоты и основания:

2H₂O Û H₃O⁺ + OH^–

Она выступает в роли окислителя, восстановителя, гидратируется, гидролизует минеральные и органические соединения. Для воды характерны такие аномальные показатели, как теплоемкость, скрытая теплота плавления и испарения, поверхностное натяжение, диэлектрическая постоянная. Эти аномалии определяют многие особенности физиологических, геохимических и геофизических явлений (табл. 12).

Таблица 12