Введение
Миграция – перемещение молекул и атомов в земной коре, движимое посредством целого ряда факторов различного происхождения и протекающее несколькими способами.
Способность элемента к миграции определяется формой его нахождения в земной коре: горные породы и минералы, живое вещество, магма, рассеянная форма. Разнообразие миграции элементов характеризует число его минералов, генетических типов рудных месторождений и т. д. Участки земной коры, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрация.
Геохимическая миграция в различных средах различается в зависимости от степени трещиноватости:
В непрерывной пористой среде, миграция проходит с одинаковой скоростью между частицами породы;
В дискретной пористой среде, т.е. из отдельных частиц (почва, глина). Размеры пор внутри частицы отличается от пор между ними, следовательно, скорости миграции в разных частях породы различны;
В дискретной среде, взаимодействие с раствором происходит только на поверхности частиц среды.
Факторы миграции подразделяются на внутренние и внешние. Внутренние факторы – это факторы, связанные только со свойствами атомов и их соединений, в их число входят:
Свойства связи, включающие физические концентрации веществ;
Химические свойства, степень реакционной способности атомов и соединений;
Энергетические и кристализационно-химические свойства веществ;
Гравитационный фактор, связанный с атомной массой;
Радиоактивные свойства атомов.
Внешние факторы определяются состоянием окружающей среды, не зависят от индивидуальных свойств миграции веществ и включают следующие факторы:
Космическая миграция, включающая гравитационную, лучистую, тепловую энергию, давление и электрические поля;
Факторы миграции в расплавах, включающие условия гравитационного равновесия и диффузии;
Факторы миграции в водных растворах, включающие условия миграции как при высоких температурах, та и при низких;
Факторы миграции в газовых смесях и надкритических растворах;
Факторы механической миграции;
Факторы миграции в коллоидальной и монокристаллической среде;
Факторы миграции в твердых телах;
Факторы биохимической и промышленной миграции;
Другие физико-химические факторы.
Данная классификация охватывает основные виды миграции элементов на Земле и является теоретической базой для геохимических исследований.
Механическая миграция (механогенез) обусловлена работой рек, течений, ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и других факторов. Характерное влияние механогенеза – раздробление горных пород и минералов, ведущее к увеличению их дисперсности, растворимости, развитию сорбции и других поверхностных явлений. При диспергировании резко увеличивается суммарная поверхность частиц и их поверхностная энергия, растворимость минералов, происходит разложение многих минералов. При механической миграции тяжелые минералы ведут себя как частицы более крупного размера. Механическое перемещение минералов зависит от их твердости и податливости к выветриванию, а дальность – еще и от податливости к химическому выветриванию.
Механическая денудация – перемещение взвешенных частиц вещества водными потоками на поверхности суши. Интенсивность процесса зависит от климата, геологического строения и рельефа: она минимальна на гумидных лесных равнинах, где преобладает химическая денудации, а в аридных областях возрастает в сотни раз.
Эоловые процессы классифицируются по степени удаленности перемещения взвешенных в атмосфере частиц от поверхности Земли:
- локальный перенос, миграция ни десятки и сотни км;
- тропосферный перенос, на высотах до 12 км на сотни и тысячи км;
- стратосферный перенос, на высотах до 60 км частицы могут многократно огибать земной шар.
Песок, пыль, соли поступают в атмосферу преимущественно за счет развеяния слабо закрепленных песков, глинистых и лёссовых равнин, солончаков, с акваторий соленых озер или морей и т.д. Данные явления выражены резче на участках древней суши, где в течение десятков, сотен тысяч, миллионов лет происходила эоловая аккумуляция.
Простейшая форма физико-химической миграции – диффузия – это процесс самопроизвольного и необратимого переноса вещества из одной части системы в другую, что возникает вследствие теплового движения частиц. Диффузия протекает как в индивидуальном веществе, так и в смеси; и при любом агрегатном состоянии. Диффузия в горных породах обычно сопровождается взаимодействием вещества со средой. Из-за хаотического движения частиц диффузия переносит их из одного местоположения в другое. В системе, состоящей из 2-х и более веществ, образуются диффузионные потоки, стремящиеся выровнять концентрации и прийти к термодинамическому равновесию.
Диффузия в горных породах протекает в более сложной обстановке. Все они содержат поры различных размеров и формы. Породы являются гетерогенными системами, вмещающими растворы и/или газы, которые с ней взаимодействуют. В природе вещества обычно диффузируют через серию неодинаковых пластов с различным коэффициентом диффузии. При этом на ее прохождение могут повлиять пористость среды, ее структура, влажность пород и их слоистость.
Смежный диффузии процесс – конвекция – миграция массовых потоков газа или жидкости, перемещение частиц происходит вместе с растворителем. Конвекция характерна как для верхней мантии, так и для земной коры. Конвекция в пористой среде называется фильтрацией, которая протекает значительно быстрей диффузии и особенно характерна для верхней части земной коры – зоны активного водообмена, хотя может развиваться и в земных глубинах. Фильтрация энергичнее в складчатых поясах и слабее на платформах и щитах.
Другая форма миграции – сорбция. При этом процессе происходит поглощение газов или жидкостей твердыми или жидкими веществами из окружающего пространства поверхностью (адсорбция) или всем объемом (абсорбция) тела. Поглощающие вещества называются адсорбентами (абсорбентами), а поглощаемые адсорбатами (абсорбатами).
Адсорбция происходит на границе раздела фаз вследствие действия на частицы силы притяжения бóльшей, чем действующие равномерно со всех сторон силы притяжения частиц друг другом. Адсорбция протекает интенсивнее, чем больше площадь раздела фаз или развита поверхность тела.
Адсорбция в свою очередь подразделяется на физическую, когда происходит занятие адсорбатом поверхности адсорбента, и химическую, когда адсорбент и адсорбат вступают между собой в химическую реакцию.
Развитию физической адсорбции неизменно препятствует десорбция, процесс обратный адсорбции, из-за стремления к тепловому равновесию и при этом число адсорбирующих и десорбирующих частиц в единицу времени образуется одинаковое количество.
При помещении адсорбента в раствор электролита происходит самопроизвольный ионный обмен между адсорбентом и раствором, который может быть как с ионами на поверхности, так и с ионами в объеме в результате диссоциации молекул адсорбента.
Ионный обмен обычно сопровождается побочным процессом проникновения и растворителя и растворенного вещества в поры горной породы.
Химическая адсорбция протекает с образованием связей, определяемых структурой адсорбента. Существует химическая адсорбция газов на металлах, угле, оксидах металлов, при гетерогенном катализе.
Физическая адсорбция при возрастании температуры способна преобразоваться в химическую. При химической адсорбции выделяется значительное количество тепловой энергии.
Гетерогенный процесс происходит, когда реагирующие вещества находятся в разных фазах, следовательно, реакция возможна только на границе их раздела. В силу этого появляются осложняющие факторы, связанные с транспортировкой веществ в зону реакции. В природе гетерогенные реакции происходят главным образом между мигрирующим веществом и вмещающей породой.
Любые гетерогенные реакции включают следующие стадии своего протекания:
Подвод вещества к поверхности породы;
Акт химического взаимодействия;
Отвод образующихся в результате реакции веществ в объеме раствора
Скорость гетерогенного процесса на разных стадиях может существенно отличаться.
Изоморфизм – способность химических элементов, атомов, ионов, блоков кристаллической решетки замещать друг друга в минералах, при этом решающую роль играют размеры ионов и атомов. Изоморфные замещения возможны, когда радиусы ионов и атомов различаются не более чем на 15 % от размера меньшего радиуса. При температурах, близких к точке плавления минералов, эта величина достигает 30 %, т.е. изоморфная совместимость возрастает. В алюмосиликатах возможно повышение показателя до 60 % и выше. Для изоморфизма, кроме близости ионных и атомных радиусов, необходимы химическая индифферентность и схожесть природы межатомной связи. Ион меньшего размера легче замещает большего размера, ионы с более высоким зарядом предпочтительнее замещают ионы с более низким зарядом, т.к. этот процесс сопровождается выделением большего количества энергии и повышает энергию решетки.
Газы составляют сотые доли % массы земной коры и десятые доли % – гидросферы, однако геохимическая роль газов не пропорциональна их массе: решающее значение имеет высокая подвижность газов, которые мигрируют интенсивнее, чем вещества в твердом и жидком состоянии. В земной коре выделяются газы воздушного, биохимического, химического и радиоактивного происхождения.
Миграция газов осуществляется путем фильтрации и диффузии. Основное значение имеет фильтрация, скорость которой определяется проницаемостью пород (трещиноватость, тектонические нарушения) и изменяется в сотни тысяч раз.