УДК 553.068.36:549.521.4
ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ УЧЕНИЯ О РУДОНОСНЫХ КОРАХ ВЫВЕТРИВАНИЯ В XXI ВЕКЕ
© 2011 г. Н. С. Бортников, Ю. Ю. Бугельский, А. Д. Слукин, В. М. Новиков, Г. О. Пилоян
Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН 119017, Москва, Ж-17, Старомонетный пер., 35 Поступила в редакцию 11.05.2011 г.
Учение о рудоносных корах выветривания (КВ) формировалось в Институте геологических наук АН СССР (ныне ИГЕМ РАН) в 30-х годах прошлого столетия. Основоположником учения был И.И. Гинзбург. Собранный в последующее время огромный фактический материал по изучению ни-келеносных, бокситоносных, золотоносных, редкометальных и редкоземельных КВ позволил создать общую теорию образования экзогенных рудных месторождений, которая неоднократно подтверждалась практикой прогноза, поисков и разведки твердых полезных ископаемых. Рассматривая современное состояние учения о КВ, базирующееся на материалах прецизионных методов исследования (рентгеноструктурные, ИК-спектроскопические, ЭПР, термические, электронно-микроскопические и др.), можно выделить четыре основных аспекта, определяющих его дальнейшее развитие: 1) физико-химическое моделирование процессов корообразования; 2) выявление и изучение нано-минералов в КВ; 3) изучение роли органического вещества в процессах выветривания; 4) использование КВ в качестве индикаторов климатических изменений в истории Земли. В настоящее время установлено, что КВ являются природными химическими реакторами наночастиц различных минералов. Изучение наноминералогии КВ поможет в выборе наиболее рациональных методов отработки месторождений и технологий извлечения полезных компонентов. С помощью электронной микроскопии доказано, что практически во всех КВ присутствует фоссилизированные микробиаль-ные сообщества, биопленки и циано-бактериальные маты. Несомненна важность более детального изучения причин взаимосвязи неорганического и органического вещества в КВ. Развитие представлений о роли КВ в качестве индикаторов палеоклиматов позволит глубже понять процессы, приводящие к глобальным изменениям окружающей среды, внести вклад в результаты традиционных палеоклиматических методов в изучении эволюции климата в истории Земли. Рассматриваемый аспект особенно актуален в связи с широко обсуждаемой сегодня проблемой глобального потепления климата.
ВВЕДЕНИЕ
Основоположником учения о рудоносных корах выветривания (КВ) был И.И. Гинзбург. Первоначально работы его школы были сосредоточены на изучении никеленосных КВ и связанных с ними месторождений силикатного никеля (Гинзбург, 1947). В дальнейшем круг объектов исследования был значительно расширен за счет бок-ситоносных, золоторудных, редкометальных и редкоземельных КВ. Большое внимание также уделялось установлению пространственно-временных закономерностей размещения КВ, разработке основ теории их минерально-геохимической зональности, изучались типоморфные минеральные ассоциации каждой зоны. Проводились работы по бактериальному выщелачиванию глинистых минералов. Введено понятие об "экзогенной рудообразующей системе", включающей сходные и отличительные черты КВ, сформированных на различных материнских породах. Оха-
Адрес для переписки: В.М. Новиков. E-mail: novikov@igem.ru
рактеризованы эпохи мощного корообразования и экзогенного рудогенеза в истории Земли (Бугельский и др., 1990; Савко и др., 2007).
В настоящее время признано, что КВ — совокупность горных пород, которые на поверхности Земли имеют глобальное значение и занимают равноправное место в ряду с магматическими, метаморфическими и осадочными генетическими классами. Их значение и экономическая продуктивность отражены при обзоре месторождений рудных и нерудных полезных ископаемых. Это 100% бокситов: 85% — латеритных и 15% — ассоциирующих с ними осадочных (Вагёо88у, Л1еуа, 1990). К КВ приурочены: крупнейшие по запасам и лучшие по качеству оксидные и гидроксидные месторождения железа и марганца; 65% силикатных никелевых руд (часто с кобальтом); богатейшие месторождения золотоносных КВ, а также связанные с ними россыпи. Ураганные содержания редких земель, ниобия, тантала и других элементов связаны с латеритными КВ карбонатитов (Слукин, 2005). Исключительна важна роль КВ в
качестве поставщика глинистых минералов. КВ вызывает традиционный интерес также как глобальный и локальный индикатор палеоклимата, стратиграфии, палеотектоники, палеогеографии, палеогеоморфологии, палеопочв.
Рассматривая сегодняшнее состояние учения о рудоносных КВ, можно констатировать, что, наряду с необходимостью дальнейшего познания общих геологических факторов, способствующих появлению КВ, особое внимание следует уделить четырем четко определившимся аспектам его современного развития: 1) физико-химическое моделирование процессов корообразования; 2) выявление и изучение наноминералов и их особенностей; 3) изучение роли органического вещества в процессе формирования КВ; 4) детализация роли КВ в качестве индикатора климатических изменений в истории Земли. Следует отметить тесную взаимосвязь первых трех направлений. Четвертый аспект актуален в связи с широко обсуждаемой сегодня проблемой глобального потепления климата.
НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ В КОРАХ ВЫВЕТРИВАНИЯ
Под "выветриванием" обычно понимается совокупность физических, химических и физико-химических процессов преобразования горных пород и слагающих их минералов на поверхности суши. К основным факторам, влияющим на скорость разрушения материнской породы и образования новых минералов, относятся: 1) заметные годовые колебания давления и температуры; 2) обязательное наличие водных растворов, обусловливающих развитие гетерогенных химических реакций вода — горная порода; 3) наложение сложных процессов, связанных с развитием живых организмов и почвообразованием.
Важный вклад в решение этих проблем внесли Ф.В. Чухров, И.И. Гинзбург, В.П. Петров, А.И. Перельман, Д.Г. Сапожников и многие другие. Существенно меньше работ посвящено физико-химическому моделированию процессов минералообразования в КВ (Бугельский, 1970; Кашик, Карпов, 1978; Димон и др., 1982; Шварцев и др, 2007. В указанных работах проблемы моделирования изучаются с использованием классической термодинамики.
Особенность гипергенеза КВ — образование значительной доли новых минералов в ультрадисперсной форме. Они представляют собой обычно коллоидные и коллоидно-дисперсные образования или ультрадисперсные кристаллы. По суще-
ству КВ являются своеобразными химическими реакторами по синтезу природных наночастиц. Выделение особого класса наночастиц обусловлено тем, что именно в диапазоне 1—100 нм наиболее отчетливо проявляются размерные эффекты. Размерные эффекты (влияние дисперсности на свойства вещества) известны в науке с середины 19 в. со времен Гиббса и Томсона. Однако интерес к ним значительно возрос в начале XX в. в связи с развитием коллоидной химии и в последнее десятилетие в связи с успехами нанотехнологии.
Многие ученые и ранее предвидели сильное влияние дисперсности на процессы минералооб-разования. Так, В.И. Вернадский (1960) писал: "Распыленная материя всегда наиболее химически деятельная. Мы знаем, что в геологическом времени мелкие явления дают в конце концов самые грандиозные эффекты". Современные авторы неоднократно подчеркивают, что при исследовании процессов в земной коре следует особое внимание обращать на дисперсность вещества в процессах минералообразования (Плюснина, 2004).
Процессы минералообразования в КВ протекают в условиях, далеких от равновесия, при невысоких температурах и давлениях, близких к комнатным величинам. Общепризнано, что КВ представляет собой открытую неравновесную систему. В подобных системах наблюдаются минеральные ассоциации, невозможные с точки зрения классической термодинамики. Например, совместное сосуществование гиббсита, бемита и диаспора, каолинита и диккита, кальцита и арагонита и т.д. Число примеров можно увеличить, принимая во внимание минеральные ассоциации в карбонатах, цеолитах, сульфидах, фосфатах и т.д. Попытки объяснить образование этих ассоциаций с помощью классической термодинамики или термодинамики необратимых процессов оказались безуспешными.
Ряд зарубежных исследователей предложил для объяснения процессов минералообразования в КВ привлекать два эмпирических правила, впервые сформулированных в 1897 г. В. Оствальдом.
1. Правило ступеней Оствальда: одна стабильная фаза превращается в другую стабильную фазу, как правило, не прямо, а проходя через ряд мета-стабильных состояний (Feenstra, de Bruyn,1981; Van Santen,1984). Например, каолинит при нагревании должен превращаться, согласно диаграмме состояния, в стабильную ассоциацию: муллит + кристобалит. На самом деле он превращается в метастабильную фазу — метакаолинит, которая в свою очередь превращается в Al-Si-шпи-нель, и только потом образуется стабильная ассоциация: муллит + кристобалит. Более сложная
картина наблюдается при дегидратации гиббси-та Al(OH)3. На РТ-диаграмме гиббсита при дегидратации он должен переходит в стабильную фазу a-Al2O3 (корунд). Однако, по экспериментальным данным, дегидратация гиббсита развивается по двум направлениям. При низких значениях PH2O наблюдается следующая последовательность превращений:
Al(OH)3 —- x-Al2O3 — K-Al2O3 — a-Al2O3.
При более высоких значениях PH2O наблюдается другая последовательность превращений:
Al(OH)3 — Y-AlOOH (бемит) — y-Al2O3 — —- S-Al2O3 —- 0-Al2O3 —- a-Al2O3.
К сожалению, правило Оствальда не может предсказать, в какой последовательности будут появляться промежуточные метастабильные фазы при переходе одной стабильной фазы в другую.
2. Укрупнение частиц по Оствальду (Ostwald ripening ): более крупные частицы растут за счет более мелких (Voorhees, 1985). Этот процесс отличается от обычного процесса слипания или агломерации. Второе правило Оствальда находит объяснение с точки зрения термодинамики дисперсных систем: более мелкие частицы обладают более высоким химическим потенциалом по сравнению с более крупными. В системе при наличии частиц разной дисперсности
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.