Лекция 9
.DOCОсаждение с полимеризацией. Этот процесс имеет породообразующее значение для силикатных аквагенных пород, но несомненно протекает и в почвах и корах выветривания – при формировании терригенных глинистых минералов. Например, образование монтмориллонита из хлорита можно себе представить как комбинацию: «растворение + гидролиз»: нужно удалить из структуры хлорита бруситовый гидроокисный слой и на его место «вставить» молекулы воды и поглощенные катионы (рис. 5).
-----------------------------------------------------------------
Рис. 5 Схема образования монтмориллонита из хлорита
(Mg)3 Alx[AlxSi4–xO10] (OH)2х Mg (OH)2
(Mg)2–x (Al,Fe3+)x[Si4O10] (OH)2–xх (Na,1/2 Ca)x*nH2O
------------------------------------------------------------------
Однако для формирования монтмориллонита из пироксенов или амфиболов этого уже недостаточно вследствие явного различия кристаллических структур. Поэтому скорее всего монтмориллонит, столь характерный для кор выветривания по базитам – синтезируется из растворов. Также и распространеннейший минерал глинистых пород – диоктаэдрическая гидрослюда – по химическому составу ближе к структурно чуждому ей триоктаэдрическому биотиту, а не к структурно родственному диоктаэдрическому мусковиту. Значит, и гидрослюда, скорее всего, является полимерным продуктом ресинтеза из растворов – т.е. отчасти минералом аутигенным. Наконец, полимерным продуктом является и аутигенный кварц кремнистых пород, но он, как мы уже отметили, имел своим предшественником биохимический опал, так что полимеризация началась еще в живой клетке.
Окисление-восстановление – это основной процесс формирования аутигенных («своим рожденных») силикатов – новообразованных минералов осадка, возникших в основном в диагенезе. .
Например, мы разбирали с вами простой гидролиз фаялита с выносом кремнезема:
Fe2SiO4 + 4H2O 2Fe2+ + 4OH– + H4SiO4
Но в действительности двухвалентное железо быстро окислится и получится охристое образование гидроокислов железа – характерный продукт выветривания гипербазитов. Как видим, здесь гидролиз сопровождался окислением.
Приведем две важнейшие реакции окисления и восстановления, связанные с изменением валентности серы:
(а) окисление пирита (Щербина, 1972, с.199):
FeS2+ H2O + O2 FeSO4х7H2O Fe2(SO4)3х9H2O KFe3+ (OH)6(SO4)2
пирит мелантерит фиброферрит ярозит
Fe2O3*1.5 H2O или HFeO2
лимонит гетит
(б) бактериальное восстановление сульфат–иона морской воды:
SO42– SO32– S2O32– Sо S2–
сульфат сульфит осульфат сера сульфид
Первый процесс характерен для выветривания (собственно стадии гипергенеза) а второй – для диагенеза. Это надо запомнить. Обратите внимание, что в этой реакции окисление серы и железа сопровождалось гидратацией: это характернейшая особенность гипергенного окисления. Только в очень сухом (аридном) климате окисление может идти без гидратации.
Совершенно исключительное породообразующее значение имели процессы окисления-восстановления в докембрии. Вы знаете, что трехвалентное железо гидролизуется уже при очень низком рН и становится неподвижным, образуя гидроокись Fe(OH)3, скопления которой образуют бурый железняк, который, вы, кстати сказать, могли наблюдать в Нювчиме («болотные руды»). Двухвалентное железо могло бы благополучно мигрировать, но при тех Eh, которые существуют в природных водах, век его недолог – Fe2+ быстро окисляется до Fe3+ (Eh этой реакции в кислой среде – 0.77 В). Причина в том, что в современной гидросфере есть свободный кислород – он и задает высокий Eh среды.
Сорбция (адсорбция на поверхности + абсорбция в объеме + хемосорбция) как будто самостоятельного породообразующего значения не имеет, но иногда придает породам специфические черты. Однако по большому счету именно сорбции обязано образование двух ведущих минералов глинистых пород (а последних, напомню – добрая половина стратисферы) – гидрослюд и монтмориллонитов. Дело в том, что при разложении породообразующих минералов в раствор поступают щелочи и щелочные земли, но если Na и Ca благополучно выносятся (Са может задержаться только на карбонатном барьере – это наблюдается в сухом климате), то калий жадно поглощается новообразованными алюмосиликатными коллоидами, и магний – тоже, хотя и менее интенсивно:
хAl2O3*ySiO2*zH2O + K+ (сорбция) гидрослюды
х Al2O3*ySiO2*zH2O + Mg2+ (+ Na+,Ca2+) монтмориллониты
Кроме того, сорбция, даже не будучи породообразующим процессом, придает геохимическую специфику продуктам и процессам гипергенеза. Так, осадочные железные руды обязательно несут вредную примесь фосфора – в результате сорбции фосфат-иона; природные глинистые сорбенты (монтмориллониты и глаукониты) бывают «легированы» примесями сорбированных металлов (Ni, Cr и др.), содержания которых могут достигать первых процентов. Особенно важен этот процесс для океанических железо-марганцевых конкреций (ЖМК), которые вследствие сорбции цветных металлов оказываются рудой на никель, кобальт, медь и цинк.
Фоссилизация (консервация) – процесс, не указанный А.Б.Роновым. Он всегда сопровождается полимеризацией и ответственен за накопление в стратисфере органического вещества (ОВ) – как терригенного, так и аквагенного. Как известно, ОВ аккумулирует солнечную энергию [Вернадский, 1987]; оно термодинамически нестабильно и может сохраниться только в фоссилизированном состоянии. Поэтому процессы накопления углеродистых пород (кахитолитов) – углей и черных сланцев – сильно зависят от скорости «минеральной» седиментации и от содержания кислорода в осадке. Кахитолиты могут образоваться либо при очень быстром захоронении ОВ (угли), либо при медленном захоронении, но в аноксических условиях (многие черные сланцы-доманикоиды) [Юдович, Кетрис, 1988].
Б. Механические процессы
Кластогенез или фрагментация горных пород. Сам по себе может породить только элювий; однако поскольку кластогенез сопровождает или предваряет все прочие процессы гипергенеза, то он имеет породообразующее значение.
Следующие четыре процесса А.Б.Роновым не указывались, хотя их значение в литогенезе огромно.
Гранулометрическая дифференциация – природное классифицирование частиц по крупности в водной или воздушной среде, например – разделение пелитовой и алевритовой фракций при образовании флиша.
Гравитационная дифференциация – природное классифицирование частиц по весу в тех же средах, например – образование россыпей.
Природная флотация – всплывание частиц более тяжелых, чем жидкость, с помощью пузырьков воздуха и других природных «флотореагентов». С помощью флотации может переноситься даже мелкое золото.
Совокупность названных процессов имеет важнейшее породообразующее значение – она создаёт гранулометрический спектр осадочных пород, как петро-литогенных, так и аквагенных. Одновременно с дифференциацией частиц по крупности и удельному весу, происходит их разделение и по химическому составу. Поэтому механические процессы способствуют дальнейшей дифференциации химического состава осадочных пород по сравнению со средним составом магматических пород. В результате сочетания химических и механических процессов в гипергенезе возникают породы с контрастными химическими составами: кварцевые песчаники, бокситы, железные руды и др.
Смешивание частиц разной крупности, удельного веса и состава. Этот процесс идет в аллювии крупных рек с многочисленными притоками, в конусах выноса в межгорных впадинах и в океане у континентального подножия, куда сбрасывают свой груз гравитационные потоки. Если на водосборах, например, развиты гранитоиды, основные породы и метаморфиты, то в аллювиальных отложениях мы обнаружим смесь минералов и обломков пород из всех этих источников. Таков, например, состав псефитов базальной алькесвожской толщи в палеозойском комплексе уралид на Приполярном Урале, в которой присутствуют обломки диабазов, риолитов и метаморфических сланцев [Зона..., 1998].
Кроме того, смешивание происходит и в эпиконтинентальных морях при штормах, паводках, моретрясениях. В результате уже отдифференцированные осадки могут вновь стать плохо сортированными.
Наконец, особенно мощным агентом смешивания являются покровные ледники. Именно поэтому В.М.Гольдшмидт считал ледниковые отложения Скандинавии природной «средней пробой» кристаллических пород Балтийского щита, т.е. допускал полное отсутствие гипергенных процессов дифференциации материала по составу.
Важнейшее литогенетическое значение смешивания было подчеркнуто А.Ф.Белоусовым, который считает необходимым отразить это в генетической классификации осадочных пород [Осадочные..., 1987, c. 8]:
«Важное укрупненное генетическое подразделение горных пород – деление на классы ф р а к ц и о н а т о в (продуктов фракционирования, расщепления вещества) и м и к т и т о в (продуктов смешения)... Оно устраняет ориентацию петрологов только на признание фракционирования (дифференциации), которое до недавнего времени было почти самодовлеющим. Достаточно ясно, что на горно-породном уровне фактор смешения проявлен гораздо сильнее, чем на минеральном, где он ограничен твердофазной взаимной растворимостью (изоморфизмом). На уровне минеральных агрегатов (горных пород) появляется возможность неограниченного смешения фаз».
Итак, если процессы механической дифференциации (и большинство химических процессов) способствуют поляризации химического состава осадочных пород (всё большему удалению их от среднего состава пород магматических), то процессы механического смешивания приводят к обратному результату [Неелов, 1980]. И хотя обе тенденции проявлены при формировании как петрогенных, так и литогенных пород, все же литогенные породы как правило более дифференцированы, чем петрогенные. Повторное поступление материала в осадочный цикл все же чаще ведет к его дифференциации, чем к смешиванию.
1 Хотя в некоторых термальных водах найдены бактерии, живущие и при более высокой температуре
2 Но в зонах срединно-океанических хребтов горячая базальтовая магма подходит близко к поверхности дна; здесь, конечно, нижняя граница биосферы расположена выше.
3 Впрочем, есть и важные исключения. Таково, например, мощное выветривание сульфидоносных черных сланцев на Пай-Хое, описанное акад. Н.П.Юшкиным и его учеником А.А.Иевлевым. Оказывается, за счет испарения (вымораживания) воды, концентрация в ней H2SO4 (продукта окисления сульфидов) становится очень высокой, и эта серная кислота эффективно выщелачивает черные сланцы. Поэтому несмотря на суровый арктический климат с 9-месячной зимой, в сульфидоносных черных сланцах развиваются мощные зоны сернокислотного выветривания.
4 Напомним, что рН = – lg [H+], в г-молях на литр. Например. рН = 6 означает 1.10-6 г-моль Н+/л
5 Однако геохимические процессы гораздо сложнее процессов, которые химик может воспроизвести в пробирке.
6 Если сульфиды сопровождаются фосфатами (например, как в черных сланцах на Пай-Хое), то может получиться весьма агрессивная смесь серной и фосфорной кислот, спосбная растворять силикаты!
7 Согласно теории [Гаррелс, Крайст, 1968, с. 156–159], для верхнего предела устойчивости воды, т.е. при рО2 = 1 атм, имеем реакцию 2 Н2Ожидк = О2 газ + 4Н+водн + 4е. Для этой реакции можно вывести уравнение, связывающее Eh и pH: Eh = 1.23 – 0.059pH. Для нижнего предела устойчивости воды, т.е. при рН2 = 1 атм, имеем реакцию: Н2газ = 2Н+водн + 2е. Уравнение зависимости Eh от pH выглядит так: Eh = – (0.059/2)lgPH2 – 0.059 pH. Эти два уравнения «показывают пределы равновесного существования воды в условиях земной поверхности или в близповерхностных средах» [Гаррелс, Крайст, 1968, с. 158].
8 А.А. Сауков [1975, с. 357] пишет, что их называют ультрамикронами, но я этот термин никогда в геохимической литературе не встречал.
9 Полезно напомнить, что Вернадский считал минералоиды (не по названию, а по смыслу) объектом минералогии [Вернадский, 1987, с.172]: «Есть еще одна огромная область природных твердых тел, строение которых, состояние их пространства отличается от кристаллов и мезоморфных тел прежде всего тем, что они изотропны. Это тела аморфные, коллоидальные стекла.
Часть их состоит из мельчайших кристаллов, 10-5 см, может быть даже меньше. Эти тела особенно распространены в биосфере и, может быть, дают некоторое понятие о тех состояниях материи, которые мы имеем в больших массах в глубинах планеты. Это – область, которая все же научно недостаточно изучена. На нее обратили внимание старые исследователи, как Брейтхаупт в Фрейберге, в Саксонии, в первой половине XIX столетия. В начале ХХ столетия ими занялся молодой австрийский минералог Корню (1882–1909), не успевший закончить свои работы и не нашедший заместителя... Значение этой области явлений гораздо больше, чем это обычно принимают. Пространство, сюда относящееся, Эвклидово, изотропно, трехмерно, подобно тому, как мы это наблюдаем в газах и жидкостях».
10 Здесь полезно указать еще один коллоид – FeS*nH2O (гидротроилит), который по мере старения превращается сперва в минерал мельниковит (с некоторым дефицитом серы) а потом в обычный пирит FeS2. Свежеосажденный коллоид сульфида железа (и даже кристаллический пирит!) обладает замечательным свойством поглощать из очень разбавленного раствора другой коллоид золь золота. С этим процессом связывают золотоносность сингенетичных пиритов из многих черных сланцев.