Геохимия природных вод - Перельман А.И.
Скачать (прямая ссылка):
ВЕДУЩИЕ И РЕДКИЕ ИОНЫ
Почти вс» химические элементы мигрируют в ионной форме, причем ионы одного и того же элемента, имеющие разную валентность, ведут себя в водах различно. Например, двухвалентное железо (Fe2+) в геохимическом отношении похоже на щелочиоземельные металлы — Mg, Са и т. д., а трехвалентное железо (Fe3+) — на алюминий. Поэтому, чем больше валентных состояний элемента в водах, тем разнообразнее его' миграция. Так, хлор практически образует только один ион С1“, и его миграция сравнительно однообразна. Сера образует S2_, HS~, SOi2-и другие ионы, ее миграция разнообразнее.
Важнейшие геохимические особенности вод зависят от небольшого числа преобладающих ионов. Такие ведущие ионы образуют элементы с высокими кларками — О, Са, Mg, Na, К, Cl, S и др. Редкие элементы из-за низкого кларка содержатся в водах в ничтожных количествах — часто менее п • 10“5 г/л (до п • 10~14 г/л у радия). Это исключает существенное влияние их ионов на геохимические свойства вод, т, е.' на способность вод определять условия миграции элементов.
На земной поверхности и в верхней части земной коры в водах наиболее распространены шесть ионов — три
катиона (Са2+, Mg2+, Na+) и три аниона (НСОз, S042-, С1_). Ведущее значение во многих водах имеют водородный (Н+) и гидроксильный (ОН-) иопы, хотя их содержание в 1 л редко превышает 1 мг (10~3 г/л). Реже ведущее значение приобретают карбонат-ион (С032_), гидро-сульфид-иоп (HS~), сульфид-ион (S2-). В гидротермах возрастает роль и других ионов, например фтор-иона (F“).
Иногда о видах ионов, можно судить по формуле ми-
нерала, как, например, в случае с поваренной солью (NaCl-^Na"1" + С1~). Однако часто задача оказывается значительно труднее и выводы делают на основании сложных расчетов. На помощь приходит химическая термодинамика, которая позволяет рассчитывать формы нахождения элементов в растворах, зная их концентрацию, свойства вод и так называемые константы диссоциации химических соединений, приводимые в справочниках по физической химии. В последние годы ЭВМ значительно облегчили и ускорили эти расчеты. В результате для многих вод установлены характерные для них ионы. Один и тот же элемент в зависимости от его концентрации, температуры воды, концентрации других ионов, газового состава вод и других факторов образует различные ионы.
При изучении гидротерм наряду с термодинамическими расчетами большое значение приобрел анализ газожидких включений в минералах, методы которого разработаны Н. П. Ермаковым и др. Многие гидротермальные минералы содержат микровключения, чаще всего пузырьки с газом и жидкостью и так называемыми минералами-узниками. Их размеры измеряются микронами или десятками микрон. В 1 г минерала обнаруживают миллионы таких включений. При нагревании вещество пузырьков становится однородным: газы и минералы-узники раст-ввряются в жидкости. Предполагается, что образующийся раствор является остатком той среды, из которой образовались гидротермальные минералы. «Прямо как чудо наблюдаешь под микроскопом зарождение, рост и растворение мииералов-узников из капелек среды, законсервированных сотни миллионов лет назад»,— пишет Н. П. Ермаков25. Для определения элементного состава включений используют микроспектральный и другие виды анализов. Изучение газожидких включений, начатое несколько десятилетий назад, оформилось в самостоятельное научное направление — термобарогеохимию (рис. 5).
, Анализ газожидких включений, изучение состава гидротермальных минералов, термодинамические расчеты свидетельствуют о большом разнообразии^ ионов гидротермальных растворов. Так, для меди приводятся ионы Си2+, CuHS04+, [Gu(G03)J2“, GuOH+, Gu(OH)3-, Cu+, CuCl+; для свинца - РЬС1+, PbF+, PbOH+, [Pb(OH)J-, PbHS+, lPb(HS)3J-, lPb(S2Q3)3]4-, [Pb(S203)2J2- и т. д.
85 Ермаков H. П. Термобарогеохимпя мипералов Земли п коемо-. са,— Природа, 1980, № 5, с, 57.
Viic. 5. Гомогенизация включении в топазах Волыни (по Н. П. Ермакову), увеличено в 360 раз
а — при температуре 40Х раствор доминирует по объему над газовым пузырьком (темный) (1 — галит, 2 — сильвин); б — при температуре 285°С газовый пузырек и кристаллы галита уменьшились; в — при ЗЮ'С достигнуто гомогенное жидкое состояние вещества включения
Не менее разнообразны и ионы молибдена. В термальных водах, по данным геохимика В. И. Рехарского (1973), этот металл образует оксимолибдатные, кремнемолибденовые, молибден-урановые, молибдатные, гидросульфид-мо-либдатные и другие комплексные ионы. Молибден-урапо-вые комплексы, например, имеют состав [U02(Mo04);!J2'', lU02Mo04(OH)2J2-. Исследования члена-корр. В. Л. Барсукова'показали, что в переносе олова важное значение имеют фторгидроксильные комплексы типа Sn(F, ОН)62_,
Среди ведущих ионов в гидротермах большое значение придается хлор-пону (С1~), многие гидротермы имеют хлоридный состав. Этот ион образует растворимые комплексы типа МеС1+ с бо<цьшинством металлов.
Ионные реакции. В земной коре часто наблюдается смешение вод, приводящее к реакции между ионами. Это происходит, например, в устьях рек, где пресная речная вода смешивается с соленой морской. В зоны разломов нередко поступают воды из различных водоносных горизонтов. Контакты между такими водами представляют обычно геохимические барьеры, на которых концентрируются элементы. Ионные реакции возможны и при изменении температуры вод, давления и других параметров. В результате из вод осаждаются различные минералы.
