Внутренние факторы геохимической миграции химических элементов в земной коре

В качестве главных внутренних факторов миграции могут быть выделены следующие свойства атомов: 1) гравитационные; 2) свойства связи; 3) химические, 4) радиоактивные.

1. Гравитационные свойства атомов связаны с величиной их массы и имеют очень большое значение в процессах дифференциации элементов на Земле и в космосе. Особенно большую роль гравитационные свойства атомов играли на ранних стадиях формирования Земли.

Все земные процессы миграции элементов идут в первую очередь под влиянием сил мирового тяготения, при этом в центре космических тел концентрируются более тяжелые атомы, в наружных частях – более легкие. К гравитационным свойствам атомов относятся удельные веса и атомные объемы.

Давно известно, что такие ранние минералы магматической кристаллизации, как хромит, оливин, пироксены, имеющие довольно большой удельный вес по сравнению с полевыми шпатами, кварцем, осаждаются под влиянием сил гравитации на дно магматического очага и там образуют породы соответствующего состава. Также известно, что континенты в земной коре сложены, главным образом, более легкими породами, чем подстилающие их породы. В центральных частях Земли по всей вероятности, находятся железо и никель, самые тяжелые элементы из числа наиболее распространенных.

Однако, распространение ряда элементов в различных породах показывает, что далеко не всегда наиболее тяжелые элементы и даже их соединения подчиняются гравитационным свойствам. Например, для таких элементов как Nb, Ta, Zn, Hf, W, Mo и особенно Th и U (атомные номера которых - 41, 73, 30, 72, 74, 42, 90, 92), характерна связь их преимущественно с кислыми магмами и даже с постмагматическими дереватами кислых магм, т. е. с породами относительно легкими.

Таким образом, с точки зрения распределения элементов их гравитационные свойства преимущественно проявляются на относительно ранних этапах формирования Земли среди элементов, играющих ведущую роль в сложении оболочек Земного шара. В распределении же малораспространенных элементов гравитационные свойства, по-видимому, не имеют определяющего значения. Все это относится к магматическим процессам.

В гипергенных породах гравитационные свойства не столько отдельных элементов, сколько их соединений, имеют важное значение для миграции. Многие элементы, образующие тяжелые и механически прочные соединения (золото, алмаз, касситерит, циркон, топаз, вольфрамит, рутил, ильменит и др.), способны к образованию концентраций, связанных с гравитационными свойствами этих соединений (россыпи).

Атомные (и молекулярные) объемы, связанные с геохимическими типами элементов, по В.М. Гольдшмидту, также определяют пути миграции элементов, играя роль в пространственном распределении этих типов в космических телах, сходных с Землей, от периферии к центру – (атмофильные – H, N, C, O, Cl, Br, J, He/ Ne, Ar, Kr, Xe, литофильные – Si, Ti, Zt, Hf, Th, F, B, Al, Sa, K, Na, Rb, Li, Be, Mg, Sr, Ba, Cr, халькофильные – S, Sc, Te, As, Sb, Bi, Ca, In, Tl, Pb, Zn, Cu, Cd, Hg, Ag, Ni, Co, сидерофильные – Ke, Ni, Co, P, C, Os, Ir, Pt, Pd/ Au, Ge, Sn, Mo, Ta.

П. Свойства связи (термические свойства) – заключаются в способности элемента или соединения противостоять силам, направленным к разобщению его атомов, ионов или молекул. Этими силами могут быть механические или тепловые (механическая – это отрыв, тепловая – это сообщение атомам (ионам) такого количества тепловой энергии, которое приведет его в более подвижное состояние).

При воздействии разобщающих сил, связанных с переходом атомов или их соединений из одного агрегатного состояния в другое, свойства связи определяются температурами кипения (летучестью) и плавления соответствующих химических элементов или соединений.

Летучесть элементов, связанная с температурами кипения, а отсюда их высокая миграционная подвижность уменьшается в таком порядке: летучие газы (He, Ar, N, O и др.), подвижные металлоиды (F, Cl, Br, J, S), металлы (Hg), щелочные и щелочноземельные металлы (Li, Rb, Cs, K, Na, Ca, Mg и др.), обычные металлы (Fe, Ni, Co, Cu и др.) и, наконец, наиболее труднолетучие элементы (Pt-группы, C, W, Тa, Mo, Hf, B, Zr и др.).

В процессах миграции, идущих в земной коре, летучесть играет заметную роль в геохимической истории элементов, температура кипения, которых не превышает 60⁰ С.

Для элементов, имеющих температуру кипения менее 400⁰ С, летучесть является главным фактором их миграции в геохимических процессах.

Подобно летучести для миграции химических элементов в условиях магматических расплавов земной коры существенную роль играют температуры плавления не самих элементов, а их соединений, преимущественно окислов, силикатов и галоидных соединений.

Наиболее вероятный интервал внутрикоровых магматических температур лежит в пределах 700 – 1300⁰ С. Этот температурный интервал и рассматривается как область проявления термических свойств элементов и их соединений в условиях земной коры.

Ш. Химические свойства. В природе при очень высоких температурах все соединения несомненно находятся в диссоциированном состоянии (диссоциация – распад молекул) и в этих условиях по преимуществу проявляются факторы, связанные с природой самих атомов и ионов. По мере же понижения температуры среды главное значение в процессах миграции приобретают молекулы. Характер и степень миграции отдельных элементов при этом зависят от миграционных свойств наиболее типичного и вероятного в данных условиях соединения.

Следует обратить внимание, что химические свойства элементов и их соединений являются главным фактором геохимической миграции элементов в послемагматическую стадию эволюции горных пород земной коры, когда миграция вещества преимущественно осуществляется при участии надкритических, позднее гидротермальных и, наконец, поверхностных водных растворов.

Роль химических свойств элементов в процессах миграции (согласно А.Е. Ферсману) характеризуется следующими основными положениями.

1) Степень и пути миграции зависят от устойчивости основных соединений данного элемента в соответствующих условиях, т.е. в каждой данной термодинамической и химической обстановке миграция элемента определяется устойчивостью его главных соединений:

а) так, например, в условиях высоких температур магмы способность к миграции будет в значительной мере зависеть от возможности образования данным элементом тугоплавких соединений с наивысшими точками плавления и кипения, выпадающих в этих условиях в твердую фазу;

б) в условиях водных растворов уменьшение миграционных способностей для целого ряда элементов определяется трудной растворимостью их соединений, например, образованием трудно растворимых фосфорнокислых или сернокислых солей;

в) в условиях гипергенеза наиболее стойкими с этой точки зрения будут те соединения, которые не подвергаются процессам окисления.

2) Образование тех или иных соединений элемента при наличии нескольких возможностей определяется свободными энергиями.

Обычная последовательность выделения сульфидных минералов в природных парагенезисах следующая за счет свободной энергии: Fe(FeS₂), Cu, Zn (Mn), Pb, Ag, Cd, Te, Hg.

Способность элементов к образованию ковалентных связей (с кислородом, серой) является главным фактором, определяющим, возможность миграции этих элементов в водных растворах в составе комплексных соединений: ZnS, Fe₂O, FeO, CaO, CaMgCO₃.

А.Е. Ферсман высказал следующие предположения о роли потенциалов ионизации атомов химических элементов для процессов миграции:

а) атомы с близкими потенциалами ионизации обладают сходными свойствами миграции (R, Na, Li, Rb, Si, Ge);

б) атомы или ионы, строящие решетки одинакового типа, сходны по миграционным свойствам.

3) Сходство радиусов атомов и ионов химических элементов обуславливает сходство путей миграции. А.Е.Ферсман отмечал, что атомы и ионы, имеющие слишком большие (более 1.60 Ǻ - Cs ⁺¹, S^-2, Cl ^-1, Se^-2, Br ^-1, J ^-1, Ne, Ar, Kr) или слишком малые (0, 40 Ǻ - C⁺⁴, B⁺³, N ⁺⁵, Be ⁺², S ⁺⁶, P⁺⁵, Cr ⁺⁶) радиусы, обладают повышенной способностью к миграции и перераспределению (при прочих равных условиях). Например, гранитные пегматиты, где накапливаются элементы с очень малыми (Ве, В) и очень большими Rb, Cs) величинами радиусов иона.

4) Радиоактивные свойства атомов в процессе миграции заключаются в непрерывном изменении (уменьшении) количества радиоактивных элементов при их распаде и в образовании новых ядер с иными физико-химическими свойствами.