Геохимические процессы

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ (а. geochemical processes; н. geochemische Vorgange; ф. processus geochimiques; и. procesos geoquimiсоs) — процессы миграции химических элементов сфер Земли. Наиболее изучены геохимические процессы в литосфере, гидросфере и нижних слоях атмосферы, меньше данных о геохимических процессах в верхней мантии Земли, а о поведении химических элементов в нижней мантии и земном ядре имеются только гипотезы.

Геохимические процессы включают явления концентрации и рассеяния химических элементов. С первыми связано образование месторождений полезных ископаемых, со вторыми — вторичных ореолов рассеяния месторождений на изучении которых основаны геохимические методы поисков. С рассеянием химических элементов связано также загрязнение окружающей среды в районах промышленных предприятий, в том числе и горнорудных. В зависимости от формы миграции химических элементов различают механические, физико-химические, биогеохимические и техногенные геохимические процессы и их сочетания.

К механическим геохимическим процессам относятся речная эрозия, дефляция, плоскостной смыв и образование делювия, морская абразия, механическая седиментация и т.д. На изучении механических геохимических процессов основаны шлиховой и шлихогеохимический методы поисков рудных месторождений. С механическим геохимическим процессом связано образование россыпей золота, платины, алмазов и др. 

Физико-химические геохимические процессы исключительно разнообразны. Эндогенные геохимические процессы протекают при высоких температурах и давлениях, к ним относятся магматические, гидротермальные и метаморфические геохимические процессы. Гипергенные геохимические процессы характерны для земной поверхности и небольших глубин, где господствуют низкие температуры (условно ниже 40°С) и давления.

Магматические геохимические процессы протекают в силикатных расплавах (магмах) в глубоких частях земной коры и верхней мантии, на земной поверхности и дне океана (при вулканических извержениях). Очаги гранитоидного магматизма залегают главным образом на глубине до 25 км, базальтовая магма формируется обычно значительно глубже. Температура кристаллизации пород из магмы колеблется от сотен до 1100-1300°С, давление в магме — от 10⁵ Па на земной поверхности до 10⁹ Па в глубинных очагах. Вещество в магме в основном диссоциировано, это ионно-электронная микрогетерогенная жидкость. Разнообразные процессы магматических дифференциаций приводят к концентрации химических элементов и образованию их магматических месторождений. При дифференциации ультраосновной магмы, относительно бедной кремнезёмом и щелочными металлами и обогащенной железом и магнием, образуются месторождения хромовых и платиновых руд, титаномагнетитов, алмазов (в кимберлитовых трубках взрыва). С дифференциацией основной базальтовой магмы связано формирование медно-никелевых, титаномагнетитовых и других рудных месторождений.

При дифференциации кислой (гранитной, гранодиоритовой) магмы формируются пегматиты, являющиеся источником драгоценных камней, полевого шпата, кварца, флюорита, слюды, бериллия, лития и других редких элементов. К апикальным частям гранитных батолитов направлен поток F, В и других летучих элементов, в связи с чем такие апограниты обогащены литиевыми слюдами, танталониобатами, топазом. Для многих гранитных массивов характерно обогащение рудными элементами (оловоносные и другие граниты).

Образование месторождений апатитов, нефелина, ниобия и других редких элементов обязано дифференциации щелочной магмы. С щелочными породами генетически связаны магматические карбонатные породы (карбонатиты) — источник апатит-магнетитовых и редкометалльно-редкоземельных руд (особенно ценны руды ниобия).

Гидротермальные геохимические процессы. Ниже пояса холодных подземных вод в земной коре повсеместно распространены горячие и перегретые воды с температурой от 40 до 500°С (границы условны). С их деятельностью связано формирование разнообразных гидротермальных рудных месторождений — основной источник меди, свинца, цинка, серебра, ртути, сурьмы, молибдена, вольфрама и других металлов, а также различного нерудного сырья (магнезита, хризотил-асбеста и др.). Гидротермальные геохимические процессы наиболее характерны для верхней части земной коры — до глубины 8 км, в вулканических районах они развиваются также на земной поверхности и на дне океана. Термальные воды вызывают глубокое изменение горных пород, так называемый гидротермальный метасоматоз (альбитизацию, березитизацию, грейзенизацию и др.), в связи с чем рудные тела гидротермальных месторождений, как правило, окружены широкими ореолами метасоматитов, имеющих важное поисковое значение. Установлены разнообразные гидротермально-метасоматические формации, с которыми связаны определенные рудные месторождения (с грейзеновой формацией — W, Mo, Be, Li, В и др., с березитовой — Pb, Zn, Au, U и др.).

Гидротермальные растворы и руды полигенетичны, происхождение их дискуссионно, среди источников вод указывают магму, метаморфизм пород, атмосферные воды. Различают мантийный и коровый источник рудных элементов (в том числе коровая магма, вмещающие породы).

Метаморфические геохимические процессы — изменение магматических и осадочных горных пород в земных глубинах под влиянием высоких температур и давлений, отчасти растворов и флюидов. При этом происходит распад первоначальных минералов и образование новых устойчивых минеральных видов в соответствии с законами физико-химических равновесий. В результате метаморфических геохимических процессов глины превращаются в кристаллические сланцы, известняки — в мраморы, кислые изверженные породы — в гнейсы и т.д.

Гипергенные геохимические поиски, как правило, связаны с деятельностью живых организмов, т.е. носят биогеохимический характер. Менее распространены геохимические поиски, в которых деятельность живых организмов несущественна или отсутствует (галогенез, криогенез и др.). Галогенез – геохимический поиск концентрации растворимых солей, обязанный испарению вод. Они распространены на 1/3 поверхности материков, были особенно характерны для кембрийского, девонского, пермского, юрского и неогенового периодов, с которыми связано образование разнообразных месторождений соды, гипсов, поваренной и калийных солей (пермская каменная соль Донбасса и Илецка, калийные соли Приуралья и Белоруссии и т.д.). В современную эпоху галогенез протекает в соляных озёрах и почвах лесостепей, степей и пустынь (образование солончаков и солонцов). С современным и древним галогенезом связано также накопление многих редких элементов — F, Br, I, Li, Sr, W и других, имеющих промышленное значение. Криогенез – геохимические поиски, протекающие при отрицательных температурах; они характерны для районов развития многолетней мерзлоты и учитываются при строительстве и эксплуатации горнорудных предприятий. Гипергенез сульфидных месторождений протекает при окислении многих сульфидных руд вблизи земной поверхности (особенно колчеданов). При этом образуются серная кислота и геохимические процессы протекают в сильнокислых условиях. В результате энергично мигрируют многие рудные элементы, формируются подзоны выщелачивания и вторичного сульфидного обогащения металлов, имеющие важное практическое значение. Эти геохимические процессы учитываются при поисках руд, эксплуатации месторождений.

Биогеохимические геохимические процессы характерны для верхней части земной коры — биосферы. При этом развиваются и механические и физико-химические явления, но определяющее значение имеют специфические геохимические процессы, обусловленные деятельностью организмов. Совокупность живых организмов (живое вещество, по В. И. Вернадскому) — главная геохимическая сила земной поверхности. В результате биогеохимических процессов формируются почвы, коры выветривания, частично континентальные отложения, химический состав поверхностных, грунтовых и неглубоких подземных вод (до глубины в сотни и тысячи метров). С этими геохимическими процессами связано образование месторождений торфа, угля, горючих сланцев, возможно также нефти и газа. Биогеохимические процессы играли важную роль в образовании некоторых месторождений типа медистых песчаников, ураноносных песчаников и др. Велика роль биогеохимических геохимических процессов в образовании вторичных ореолов рассеяния месторождений, формировании геохимических аномалий. На протяжении геологической истории биогеохимические процессы создали современную кислородную атмосферу Земли (фотосинтез растений), почти освободили атмосферу от СО₂, изменили состав поверхностных и подземных вод, в частности привели к образованию сероводорода в илах и подземных водах, осаждению сульфидов металлов. На определении элементного состава растений основаны биогеохимические методы поисков рудных месторождений.

Техногенные геохимические процессы обусловлены хозяйственной деятельностью. Включают в себя и механические, и физико-химические, и биогеохимические явления, однако их природа специфична. Многие техногенные геохимические процессы возникли только в результате человеческой деятельности — получение Al и других металлов в свободном виде, синтез веществ, неизвестных в природе (полимеров и др.), производство радиоактивных изотопов и т.д. Разновидностью техногенных геохимических процессов является загрязнение окружающей среды, образование так называемых техногенных геохимических аномалий. Последние могут быть глобальными (например, повышение содержания СО₂ в атмосфере в результате сжигания горючих ископаемых), региональными (применение удобрений и др.) и локальными, связанными с отдельными рудниками, заводами, населёнными пунктами. В результате техногенных геохимических процессов образуются техногенные почвы, коры выветривания, водоносные горизонты, ландшафты (например, на участках горнорудных предприятий), наконец, вся область Земли, охваченная техногенными геохимическими процессами, — ноосфера. Исследования техногенных геохимических процессов служат теоретической основой борьбы с загрязнением окружающей среды, в частности рекультивации районов горных работ.