Розподіл хімічних елементів в гірських породах

На 65% літосфера складена із вивержених порід і біля 90 % із них кристалічних. Практично складають літосферу лише 8 хімічних елементів – O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K. На їх долю приходиться біля 98,89 % маси літосфери. На долю останніх 94 елементів періодичної таблиці Менделєєва приходиться по масі лише біля 1,31 %. З них на долю 10 найбільш важливих у промисловому відношенню елементів (Cu, Ni, Zn, Sn, Pb, Mo, W, Th, U, Co) приходиться біля 3,31×10^-2% маси літосфери.

У літосфері встановлено два кількісно відмінних види існування елементів - розсіяна і концентрована та дві якісно різні форми їх знаходження – безмінеральна і мінеральна.

Найбільш яскравою особливістю розподілу хімічних елементів є їх повсемісне розсіювання в природних утвореннях. М.І.Сафронов цій особливості розподілу елементів придав характер геохімічного закону, який він назвав законом Кларка-Вернадського. Кількісним виразом цього закону є кларк.

Під кларком розуміють кількість даного хімічного елемента в певній геохімічній системі (земній корі, геологічному регіоні тощо) у відсотках від загального числа (або об’єму) атомів даної системи або її маси. Величина кларку є мірою для оцінки міграції хімічних елементів і про результати цієї міграції – концентрації або розсіювання.

Кількість хімічних елементів при їх розсіянні близька до кларку, а в концентрованій формі – вище кларку. В якості показника ступені концентрації елемента А.Ф.Ферсманом введено поняття кларку концентрації, як відношення вмісту елемента в об’єкті досліджень до його кларкового вмісту. Оскільки кларки концентрації елементів у родовищах завжди більше 1, то їх можливо розглядати як позитивні геохімічні аномалії. Неоднорідності вмісту і розподілу хімічних елементів у породах, які були сформовані в різних умовах, при різних проявах факторів міграції, мають об’єктивний характер і обумовлюють високу інформативність по відношенню до особливостей хімізму породоутворення, їх геологічної позиції розміщення, будови.

Для з’ясування геохімічних особливостей окремих територій, масивів або порід важливе значення має встановлення рівня їх геохімічного фону, під яким розуміють модальний (або в деяких випадках – середній) вміст елемента в цих об’єктах у межах значних площ. За своєю величиною геохімічний фон (геофон) може дорівнювати кларку або відрізнятися від нього і характеризувати певну геохімічну провінцію, регіон, район, рудну зону, комплекс, масив, фацію. Якщо він віднесений до кларку (кларк концентрації), то геофон дозволяє оцінити загальну геохімічну (чи металогенічну) спеціалізацію цих об’єктів.

Під мінеральною формою знаходження елементів розуміють їх закономірне знаходження в мінералі у вигляді їх обов’язкової складової. Це мінералоутворюючі елементи.

Мінерали літосфери переважно утворені 28 елементами: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, Ti, H, C, P, S, Zr, Cr, Y, La, Ce, F, Cl, Cu, Ni, Os, Ir, Pt, Mn, B, Sr. З них перші 14 утворюють головніші мінерали порід, а інші – другорядні, і у своїй переважній масі, можуть існувати і в безмінеральній формі. Вони по-різному розподіляються по породоутворюючим мінералам. Так, у гранітах головна маса рудоутворюючих елементів (Cu, Pb, Zn, Cd, Co, Sn, In, B, F, Mn, Mo, W і ін.) концентрується в темнобарвних мінералах, амфіболі, тоді як Y, TR, Th, Ta, Nb, частково U звичайно в калішпатах, мусковіті.

Серед мінералів, які вміщують елементи–домішки, вирізняють мінерали-концентратори і мінерали-носії. Перші відрізняються високими концентраціями елементів-домішок, хоча самі в породах можуть перебувати в невеликій кількості (акцесорні мінерали), інші – містять основну масу елементу в породі головним чином за рахунок своєї значної розповсюдженості.

В таблиц 9.1 наводяться дані, які характеризують розповсюдженість ряду елементів в головних мінералах гранітів (у % до загального вмісту в породі, за В.В.Ляховичем).

Таблиця 9.1 Розповсюдженість ряду хімічних елементів у головних мінералах гранітів

Мінерали

Хімічні елементи

Біотит

Польовий шпат

Акцесорні

З таблиці 9.1 видно, що більшість рідкісних і рудних елементів розсіюється в породоутворюючих мінералах, що не тільки перешкоджає утворенню власних мінералів, але і накопиченню цих елементів в гідротермальних розчинах. Утворення власних мінералів рідкісних і рудних елементів у процесі мінералоутворення можливо тільки при певному співвідношенні концентрації рідкісних і рудних елементів і їх породоутворюючих аналогів. Воно змінюється від 1:5 до 1:20 і для кожного елемента має певне відношення. Згідно з В.В. Ляховичем, імовірність прояву акцесорної мінералізації тим більша, чим менше в породі мінералів-носіїв відповідних акцесорних елементів.

З наведених даних слідує, що головним видом розподілу хімічних елементів у гірських породах слід вважати їх розсіювання в основному в безмінеральній формі, яке утворює поле розсіювання. М.І.Сафронов, виділяє в ньому первинно конституційне, вторинно-накладене і змішане розсіювання.

Головне значення має первинно-конституційне або сингенетичне розсіювання, яке формується в процесі утворення породи. В його межах виділяють два різновиди: первинне нормальне і первинне аномальне розсіювання. Для першого характерною ознакою є сталість низьких концентрацій елемента в межах геологічного об’єкту, що не перевищує кларкових значень; одноманітність видів і форм існування елементів, серед яких переважне значення має безмінеральна форма, хоч для деяких елементів (Ti, Cr, Cu, Ni, Zr і ін.) можливе і первинне мінеральне розсіювання для певних порід. Ця якісна одноманітність видів і форм знаходження елементів не обов’язково супроводжується кількісною одноманітністю. Навпаки, в зв’язку з різним проявом глибинної диференціації речовини, складу вихідних порід, умов їх формування (процеси кристалізації, диференціації, ролі летючих, гібридизму і ін.). вміст елементів при сингенетичному розсіюванні в різних породах може кількісно відрізнятися і утворювати первинну площинну концентрацію. Це дозволило О.Е. Ферсману висунути положення про геохімічні провінції і епохи. Під геохімічною провінцією він розумів область, чи ділянку земної кори, де історично і закономірно склалися певні якісно-кількісні особливості (спеціалізації) розподілу хімічних елементів, а проміжки часу, протягом яких створювались ці геохімічні провінції, отримали назву геохімічних епох.

Наявність геохімічних провінцій в земній корі О.Ф. Ферсман пов’язував з первинним (космічним) розподілом хімічних елементів у Землі, диференціацією земної речовини. Як відмічає В.С. Коптєв-Дворніков, існування різних геохімічних провінцій, пов’язаних з одним і тим же петрохімічним типом магм може свідчити про геохімічну неоднорідність пунктів магмоутворення, що є наслідком вертикальної і горизонтальної неоднорідності земної кори і верхньої мантії.

До основних первинних геохімічних асоціацій (спеціалізацій) елементів вивержених порід можливо віднести:

1) асоціації, що пов’язані з основними і ультраосновними породами (C, P, S, Cl, Ti, V, As, Cr, Mn, Ni, Co, Си, платиноїди);

2) асоціації, що пов’язані із гранодіоритами і іншими породами проміжного складу (Ca, Pb, Zn, Ag(Au), Cd, In, Tl, Ni, Co, As, Sb, Hg, S);

3) асоціації, що пов’язані із кислими і ультракислими породами (H, Li, Be, B, Bi, F, Rb, Cr, Y, TR, Zr, Nb, Tu,Sn, Mo, W, Hf, An, Th, U);

4) асоціації, що пов’язані із лужними і сублужними гранітами (Nb, Zr, TR, Th, Be, Li, U, As);

5) асоціації, що пов’язані із лужними породами - диференціатами основних і ультраосновних магм (Nb, Zr, TR, Th, Mo, Sr, Ba).

Вміст елементів при первинній площинній концентрації елементів перевищує кларк для даного типа порід. Обидві наведені різновидності порід створюють нормальний геохімічний фон – регіональний чи локальний, в залежності від території проявлення. З первинною площинною концентрацією елементів локального характеру пов’язують утворення сегрегаційних і деяких осадових, а також вулканогенно-осадових родовищ.

Під вторинно-накладеним (епігенетичним) розсіюванням (або концентрацією) розуміють розподіл елементів, який виникає після утворення порід під впливом вторинних накладених процесів. Це розсіювання (концентрування), як правило, має локальний характер, проявляється на фоні первинного сингенетичного розподілу хімічних елементів і відрізняється від останнього за вмістом, асоціаціями або формами знаходження елементів.

У цьому виді розсіювання також виділяють дві різновидності: ореоли постмагматичних родовищ і ореоли і потоки вторинного розсіювання родовищ. Перші розвиваються у вміщуючих породах у зв’язку з формуванням постмагматичних родовищ і знаходяться з ними у прямому зв’язку. Другі утворюються у зв’язку з звітрюванням родовищ і їх первинних ореолів і мають місце, як правило, в рихлих утвореннях у твердій, рідкій або газоподібній фазах.

9.1.2 Кількісні особливості розподілу хімічних елементів в породах

Розподіл хімічних елементів (і фізичних властивостей) в породах відрізняється значною складністю і залежить від різноманітних факторів, більшість яких має імовірнісний характер. Дійсно, розподіл елементів, який спостерігається, має таку залежність (для вивержених порід):

Р_сп=Р_рег+Р_лок+Р_фл+Р_пом,

де Р_рег – регіональна складова, яка обумовлена генезисом, умовами формування, особливостями будови і характером ерозійного зрізу геологічного тіла;

Р_лок – локальна складова, яка обумовлена гібридизмом, післямагматичними процесами;

Р_фл - флуктуації за рахунок структурно-текстурних і інших неоднорідностей породи;

Р_пом – похибки за рахунок підготовки проб і аналізів.

З цих складових перші дві мають закономірний функціональний характер, останні – стохастичну природу і характер.

Звідси видно, що при різних схемах опробування і аналізу проб отримуємо різні характеристики розподілу хімічних елементів, що спостерігаються. Так, наприклад, максимальна оцінка флуктуацій буде спостерігатися при опробуванні об’єкту пробами в одне мінеральне зерно. І навпаки, вона буде зменшуватись при збільшенні розмірів проб. Тому важливе значення при геохімічних дослідженнях має вибір обґрунтованої методики опробування і аналізу об’єкту, який вивчається, а по-друге, врахування особливостей розподілу в них хімічних елементів і їх кількісна оцінка.

Передумовою для цього є кількісний характер геохімічної інформації. Приймаючи до уваги переважно її стохастичну природу, найбільш придатним методом її дослідження слід вважати ймовірнісно–статистичний аналіз.

Відомо, що найбільш повну інформацію при статистичному характері поведінки величин, які вивчаються, дають функції розподілу. Функція імовірнісного розподілу є певною динамічною характеристикою, яка несе в собі ознаки тих умов, в яких відбувався розподіл елемента чи мінералу в породі. Основними законами статистичного розподілу хімічних елементів в породах є нормальний і логарифмічно-нормальний (логнормальний) закони. Так, якщо елемент розсіяний у всіх мінералах у рівних пропорціях, розподіл його слід очікувати приблизно нормальним тобто таким, який відповідає нормальній функції розподілу. Можна вважати, що по відношенню до даних елементів процес кристалізації проходив зрівноважено, тобто хімічні потенціали зберігалися постійними в різних частинах розплаву і протягом всього часу кристалізації породи. У той же час розподіл рідкісних елементів, в основному, відбувається в акцесорних мінералах і функції такого розподілу мають позитивну асиметрію. Асиметричний характер розподілу хімічних елементів має місце і при прояві всякого роду накладених процесів (асиміляція, метасоматичні, гідротермальні прояви). Вони є причиною проявів неврівноважених процесів, які відбиваються на характері розподілу хімічних елементів.

Таким чином, порівняльний розгляд характеру статистичного розподілу хімічних елементів може бути індикатором переважної їх форми знаходження і умов формування порід.

Важливе генетичне значення мають також параметри статистичного розподілу хімічних елементів в породах. Так, дисперсія, стандарт, коефіцієнт варіації характеризують ступінь розсіювання ознаки, яка вивчається, і певною мірою, дозволяють зробити оцінку ступеню однорідності їх розподілу, тобто вони є мірою сталості геохімічного процесу. Асиметрія розподілу елементів може бути мірою відмінності досліджуваного процесу від нормального закону і відображає основні тенденції цього розподілу. Оцінка цього коефіцієнту може побічно характеризувати специфіку основних форм знаходження елементів у породі, особливості їх розподілу в мінералах-носіях і мінералах-концентраторах.

Знак і величина коефіцієнта асиметрії характеризує термодинамічну направленість кристалізації мінералів у магматичному розплаві, міру відхилення системи (розчин-мінерал) від рівноважного стану. Виходячи з цього і враховуючи закони кристалізації розплавів, можливо прогнозувати характер процесу кристалізації. Для цього використовується так званий ефективний коефіцієнт розподілу елементів (К) з використанням коефіцієнта асиметрії (А) і дисперсії (S):

S=(K–I)²; A=-2(K-I)³.

Звідки К= I- .

При К=1 система “тверда-рідка магматичні фази” знаходиться в рівновазі і розподіл елементів-домішок у всіх частинах системи рівномірний (А=0). При К<1 оцінка асиметрії має позитивне значення, елемент концентрується в рідкій фазі, а при К>1 оцінка коефіцієнту асиметрії від’ємна, елементи-домішки розсіюються в твердій фазі. Це дозволяє виконувати побічну оцінку металоносності магматичних утворень: при К>1 підвищується ймовірність появи рудопроявів на ранніх етапах кристалізації, при К<1 – на пізніх етапах (у тому числі з гідротермальним процесом).

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.02 сек.