|
Конспект лекций, прочитанных в ГЕОХИ РАН в зимнем семестре 2003-2004 г.
Содержание
1. Осадочные горные породы являются главным типом вещества земной коры, формирующегося на поверхности Земли в пределах биосферы; по данным А.Б.Ронова (см. Ронов и др., 1990) в настоящее время они составляют приблизительно 2.29∙10 24 г (~ 8 % массы земной коры), но учитывая осадочную природу первичного вещества основной массы метаморфических пород, по крайней мере, верхней части континентальной коры, эту оценку надо увеличить не менее чем в 5 раз.
2. В современном строении земной коры основная масса осадочных пород сосредоточена в пределах континентального блока - 2.12∙10 24 г; в составе пород океанической коры на осадки приходится не более 0.17∙10 24 г.
3. Геохимическая структура осадочной толщи (гольдшмидтовская классификация осадочных образований) отражает стремление к формированию термодинамически устойчивых в условиях биосферы соединений и основной физико-химический принцип дифференциации химических элементов в процессах выветривания и осадкообразования - разделение согласно их растворимости в водных растворах биосферы.
4. Основные типы реакций химического выветривания в зоне гипергенеза: гидратация и гидролиз, карбонатизация, окисление, конгруентное и инконгруентное растворение.
5. Распределение химических элементов по типам осадочных образований формируется, прежде всего, в процессах окислительного выветривания в ходе формирования кор выветривания и почв на континентах; итогом этого распределения является структура речного стока, в балансе которого для подавляющего большинства химических элементов преобладает твердая составляющая.
6. Основные глобально значимые потоки осадочного материала в бассейны седиментации (Лисицын, 1974): речной сток 21.73∙10 15 г / год (78.1 %), эоловое поступление ~ 1.6∙10 15 г / год (5.7 %), ледовый сток 1.50∙10 15 г / год (5.4 %), абразия берегов ~ 0.5∙10 15 г / год (1.8 %), вулканогенный материал (2-3)∙10 15 г / год (9.0 %); к этим цифрам теперь надо добавить подводную разгрузку гидротермальных вод. Формирование речного и других стоков с поверхности континентов в глобальном масштабе приводит к существенной гомогенизации питающего материала; локальная геохимическая неоднородность питающих провинций может контролировать лишь появление локальных геохимических <аномалий> типа элювиальных, аллювиальных или прибрежно-морских россыпей, но их доля в осадочном материале в целом исчезающе мала - в бассейны седиментации поступает усредненный материал, общий состав которого должен отвечать среднему химическому составу питающих провинций.
7. Основные типы химических реакций при поступлении материала в бассейны седиментации:1) на границе река-море - сорбция на поверхности терригенных минеральных зерен и органических взвесей, ионный обмен между обменными комплексами терригенных минералов и морской водой, окисление, гидролиз; 2) в условиях седиментации - выпадение из раствора морской воды в результате локального пересыщения как следствие биогеохимических процессов, поступления в раствор морской воды элементов в ходе подводной вулканической и гидротермальной деятельности, преобладания испарения над осадками; выпадение из раствора морской воды твердых фаз сопровождается процессами сорбции и ионного обмена; 3) в условиях раннего диагенеза в достаточно открытой системе - реакции окисления органического вещества и восстановления, прежде всего, соединений S и Fe и как следствие изменение Eh , pH и активности растворенной СО 2 , что ведет к изменению условий растворимости и реакциям растворения-переотложения, сопровождающимся в том числе обменом между иловой и наддонной водой и некоторому изменению состава формирующихся осадков.
8. Осадочная дифференциация в бассейнах седиментации определяется законами гидродинамики (перераспределение взвешенных фаз), активностью живого вещества, климатической и гидродинамической зональностью, формированием локальных обстановок с преобладанием испарения над осадками (перераспределение растворенных компонентов); главная масса поступающего с континентов материала, в основном терригенного с некоторой добавкой биогенного материала, осаждается в пределах шельфов и материкового склона; лишь около 2 % материала, по оценке А. П. Лисицына, достигает глубоководной части океана и осаждается в виде тонкой взвеси и биогенного материала в пределах океанической коры. Такой баланс материала в бассейнах седиментации ведет к очень важному принципу - материальный обмен между континентальным и океаническим секторами земной коры в пределах биосферы не имеет существенного значения, эти два глобальных блока земной коры остаются в своей геологической истории практически геохимически независимыми.
9. Пути и механизмы отложения химических элементов в бассейнах седиментации определяются стабильностью их собственных твердых фаз (породообразующих и второстепенных минералов осадков и осадочных пород) и соосаждением на этой минеральной матрице элементов, не образующих в условиях седиментации собственных фаз; механизмы соосаждения разнообразны: и физическая адсорбция, и хемосорбция, изоморфное соосаждение, и ионный обмен с структурными компонентами аутигенных минералов или компонентами их обменных комплексов; наибольший вклад в такие процессы вносит взаимодействие с водными растворами глинистых минералов, а также гидроокислов Fe , Mn , биогенного фосфата, органического вещества. Весь этот комплекс факторов приводит к достаточно хорошо установленным эмпирическим закономерностям распределения химических элементов по главным типам осадочных пород.
10. В ходе выветривания, переноса в бассейны седиментации и осадконакопления в целом условия для формирования локальных (рудных) концентраций химических элементов реализуются относительно редко; в качестве известных типов месторождений можно назвать месторождения коры выветривания (бокситы, никелевые коры выветривания, вторичные концентрации в зонах окисления рудных месторождений), элювиальные, аллювиальные, прибрежно-морские россыпи Au , элементов группы Pt , минералов Ti , Zr , Sn и др.; первично-седиментационных значительных концентраций химических элементов, например, в связи с осадками, обогащенными органическим веществом, обычно не формируется - для появление высоких локальных концентраций Р, халькофильных и других элементов необходимо постседиментационное перераспределение и, вероятно, проявление дополнительных локальных источников (например, подводной гидротермальной деятельности).
11. Постседиментационное перераспределение и локальное концентрирование химических элементов в процессах диагенеза, катагенеза и эпигенеза являются важным этапом формирования геохимического облика осадочных пород; в ходе этих процессов происходит резкий рост числа минералов химических элементов, практически все элементы, ранее рассеянные как примеси в породообразующих минералах, получают возможность индивидуализироваться в форме собственных минералов, что становится в том числе причиной их локальной самостоятельной концентрации. Движущими силами этого перераспределения являются устойчиво сохраняющаяся в биосфере поляризация обстановок: аэробной и анаэробной, неравновесный характер первичных минеральных ассоциаций осадочных пород (прежде всего, сосуществование окисленных аутигенных минералов и биогенного органического вещества), возможность фильтрации водных растворов в пористой среде осадков и осадочных пород. В масштабах осадочной оболочки такое перераспределение не может быть значительным и не приводит к значимому изменению состава самих пород, но локально в обстановках зон повышенной проницаемости при высоких отношениях вода/порода могут формироваться геохимические барьеры, способные концентрировать значительные, в том числе рудные, концентрации элементов, представляющие промышленный интерес.
12. Распределение удельной массы осадочных пород (массы на единицу времени) в зависимости от геологического возраста не только иллюстрирует главную идею геологической истории осадочной оболочки (осадочные породы образуются и вслед за этим вовлекаются в процессы разрушения - повторной эрозии и метаморфизма), но и позволяет оценить скорость круговорота вещества осадочной оболочки; среднее время пребывания вещества земной коры в составе осадочной оболочки континентов составляет величину около 400 млн. лет, среднее время пребывания вещества в составе осадочной оболочки океанов оказалось менее 100 млн. лет. Такой темп осадочного круговорота свидетельствует о том, что в среднем вся масса континентальной земной коры за 4 млрд. лет земной истории должна была <успеть> пройти через осадочный цикл, т. е. через биосферу, а сама осадочная оболочка уже геологически давно находится в стационарном режиме.
13. Средний химический состав осадочных пород как пород вторичных, производных в глобальном геохимическом круговороте, в конце концов, за счет корообразующего магматического вещества глубинного происхождения, должен, за исключением так называемых <избыточных летучих> ( H 2 O , CO 2 , S , Cl , Br , I , B ), быть равным среднему составу пород магматических. Эта формулировка соответствует классическому пониманию принципа геохимического баланса процессов осадкообразования Кларка-Гольдшмидта-Виноградова. Однако удивительным делом этот принцип резко нарушается огромным избытком в составе осадочных пород не только СО 2 , но и связанного с углекислотой в форме карбоната Са. Этот избыток Са требует либо специфического дополнительного к эрозии континентов источника Са, либо потери осадочной оболочкой в ходе геологической истории всех других типов отложений, кроме карбонатных. Ни тот, ни другой путь обогащения осадочной оболочки Са не вытекает из данных геологии, и проблема баланса Са остается на сегодня нерешенной.
1. Завершение разработки системы кларков всех химических элементов в осадочных породах в зависимости от их геодинамической позиции и геологического возраста.
2. Дальнейшее накопление экспериментальных данных, необходимых для разработки системы термодинамических параметров, определяющихся состояния многокомпонентных систем при составах и условиях, отвечающих природным, и на этой основе создание серии компьютерных моделей термодинамики осадочных систем.
3. Формирование систематической базы экспериментальных данных в области кинетики геохимически и биогеохимически значимых реакций, обоснование количественных представлений о вкладе механизмов реакций в эмпирически наблюдаемую геохимическую структуру осадочной оболочки и оценки кинетических ограничений достижения термодинамического равновесия в биосфере.
4. Создание моделей физико-химической динамики процессов, развивающихся в бассейнах осадконакопления и на всех стадиях дальнейшего преобразования осадочных пород и на этой основе выявление факторов, механизмов и условий, ведущих к локальной концентрации рудных элементов в осадочной оболочке.
5. Разработка на основе систематических исследований всего цикла современных процессов, приводящих к осадконакоплению, критериев контроля и выявления критических точек в построении кинетических и динамических моделей природных процессов.
6. Дальнейшая разработка глобальной модели динамики формирования и геохимической истории осадочной оболочки на основе резервуарной модели в целях выявления в составе и распределении масс осадочных пород признаков геохимической эволюции биосферы.
7. Необходимо найти, наконец, идею, на основе которой удалось бы количественно решить проблему баланса Са (и других элементов, нарушение баланса которых не так значительно и о них трудно сегодня говорить с уверенностью); представляется, что нерешенность данной проблемы свидетельствует о том, что от нас ускользает что-то весьма существенное в геологической истории осадочной оболочки
<<Назад Содержание Вперед>>
|
