На разпространение, разпределение и формите на присъствие на химичните елементи



страница1/3
Дата31.03.2018
Размер0.91 Mb.
  1   2   3
ОСНОВИ НА ГЕОХИМИЧНАТА МЕТОДИКА

ГЛАВА 10. МЕТОДИ ИЗПОЛЗВАЩИ ПАРАМЕТРИТЕ

НА РАЗПРОСТРАНЕНИЕ, РАЗПРЕДЕЛЕНИЕ

И ФОРМИТЕ НА ПРИСЪСТВИЕ НА ХИМИЧНИТЕ ЕЛЕМЕНТИ

Геохимията е наука за атомите, за тяхното разпространение, разпределение и движение в геоложкото пространство и време. Това не означава, че геохимията трябва да се занимава само с отделни атоми. Атомите в природата са закономерно свързани в системи от различен тип и ранг, като се започне от самата планета като космично тяло и се завърши с възлите на кристалните решетки, хидратираните йони в океана или органичните молекули на живите организми.

Планетата Земя се изучава от множество природни науки. Всяка наука разглежда Земята и нейните съставни части, както и природните процеси, от гледна точка на своята единица. Например основна единица на минералогията е минералът и той определя специфичния подход на минералогията към всички останали системи. Някои от тях се разглеждат като съставни части на минералите (например атомите от кристалните решетки), други - като закономерни комплекси от минерали (например скалите, рудите и др.), трети - като среда на образуването и фактор за изменението и разрушаването на минералите (например природните води, магмите, живите организми и др.). Минералогията изучава както детайлни проблеми (например структурното положение, ефективния заряд, типа връзки на химичния елемент в решетката), така и проблеми от планетарен и космичен мащаб (например спецификата на минералообразуване в дълбоките части на планетата, в условията на космичен вакуум и безтегловност и т.н.). Подобен комплексен подход е характерен за всички модерни отрасли на природознанието. Получава се така, че едни и същи природни образования (природни системи) се изучават в качеството на обект от множество науки, обаче във всеки конкретен случай природната система се дефинира по различен начин в зависимост от единицата на изследване и се тълкува от гледнa точка на тази единица. Химичният елемент, минералът, скалата могат да се дефинират и опишат и сами по себе си, но за да се обяснят генетичните им особености, с които са свързани изуче­ните свойства, те трябва да се разглеждат като звена на поредица от процеси, протичащи на най-различно ниво в природни системи от различен мащаб. Това обуславя органичното преплитане на природ­ните науки, възможността за използване на данните и методиката на разнообразни науки за целите на отделно, специализирано изследване.

Особено важно е да се разбере сложното взаимодействие на природ­ните науки при определянето на същността на геохимията, не само поради теоретичната криза, в която геохимията се намира в момента, но и поради пределно ниския ранг на нейната единица - атома на химичния елемент, който придава на геохимията по-универсален характер в сравнение с останалите геоложки науки. Всички природни системи могат да се дефинират като закономерни асоциации на химични елементи и да представляват обект на геохимията, дори живото вещество, изучавано от биологията или природният ландшафт, изучаван от географията, докато обект на традиционните геоложки науки палеонтология, стратиграфия, исторична геология и др. са само древните форми на живот и древните ландшафти.

И така: обект на геохимията са различните природни образувания и процеси, които се дефинират от нея по специфичен начин. Природните образувания могат да се нарекат геохимични системи, ако се разглеждат като закономерни, естествени асоциации на химични елементи с определена веществена, енергетична и структурна специфика. Природните процеси могат да се нарекат геохимични, ако се разглеждат като процеси на асоциация и разделяне (деасоциация) на атомите, съпроводени с изменение на количе­ственото им съдържание, на разпределението им в пространството и т.н.

За да реши своите задачи като самостоятелна геоложка наука геохимията въвежда специфични параметри характеризиращи разпространението (количественото съдържание) и разпределението (взаимното разположение) на химичните елементи в геохимичната система. Тези параметри в най-общ вид са използвани при характе­рис­тиката на екзосферите - например средното съдържание на елемен­тите в лито-, хидро-, атмо- и биосферата и в главните магмени системи - ултрабазични, базични средни и кисели скали, коефи­циен­тите на относително обогатяване или обедняване на елементи в една система спрямо друга, типичните асоциации на елементите в магмените скали и минерали и др.

Геохимичните параметри са числа, производни на данните от аналитичните определения на системен набор от проби, взети от изучавания обект. Те се използват в непосредствен табличен вид или като координати на различни геохимични диаграми, карти и профили.

Опробването, подготовката на пробите за анализ и самото аналитично определяне се извършват по обща за много науки методика, в която геохимията има съществени приноси. Обаче те са само подготовка към собствено геохимичните методи на интерпретация.

Аналитичните резултати в модерната геохимия задължително се обработват с методите на математичната статистика. Въпреки че получените характеристики сами по себе си са математични величини, те носят толкова съществена геохимична информация и играят толкова важна роля на генетични индикатори, че пълноцен­ното и теоретично обоснованото им използване е основен методичен проблем на геохимията.
10.1. Методична роля на средното съдържание
Средното съдържание на химичните елементи създава обобщена представа за най-съществените и характерни черти на химизма на изследваните обекти и се получава при обработването на данните от множество единични определения. Например за да се изчисли средния химичен състав на гранитите въобще, необходими са анализите на хиляди проби от гранити, събрани по определена система, т.е. с отчитане на количественото съотношение на различните видове гранити. Определянето на обема на всяка разновидност изисква количествени данни не само за повърхностното разпространение на гранитите, но и за тяхното разпространение във вертикалния разрез на литосферата. Все още знанията ни за вътрешните части на Земята са твърде непълни, особено когато става дума не за обобщеното деление на гранити, базалти и седменти, а за конкретни разновидности. Следователно средните състави, с които борави геохимията, са в известна степен условни - те са само едно прибли­жение към действителното разпространение на химичните елементи.

Представа за средното съдържание на даден елемент може да се получи например посредством средно аритметичното , т.е. като се съберат всички данни и се раздели получената сума на броя на определенията. Обаче, според математичната статистика, средно аритметичното съдържание вярно характеризира дадена съвкупност от данни само тогава, когато тази съвкупност се подчинява на т.нар. нормален закон на разпределение. В какво се състои той?

Нека разгледаме примерните данни за съдържанието на олово в гранити от първата колонка на табл. 10.1. Тези данни са твърде моно­тонни. Отклоненията от средно аритметичното са незначи­телни и по-голямата част от определенията отговаря на самото средно аритметично. Ако нанесем съдържанията на олово на абсцисата на координатната система, а на ординатата нанесем броя

Таблица 10.1.
Условни данни за съдържанието на олово в гранити в g/t

Пример

I

II

III























N на пробата

x

x2

x

x2

x

lg x






















1

20

400

5

25

11

1,0414






















5


25

625

20

400

20

1,3010





















Средно




















Аритметично

20

410

20

490

22

20(1,3025)

на пробите, които се характеризират с тези съдържания, или съотно­ше­нието на съответния брой проби към общия брой, получава се една много характерна правилна крива с максимум в областта на средно аритметичното и с еднаква вероятност на положителните и отрицателните отклонения от средната стойност (фиг. 10.1.а). Съвкупностите, които дават такава крива се подчиняват на нормалния закон на разпределение. Става дума за разпределение на членовете на съвкупността по отношение на средното съдържание.

Обаче, ако се опитаме да построим същата крива за извадка от друга съвкупност (колонка III от табл. 10.1., фиг. 10.2.а), оказва се, че кривата е деформирана - с максимум не в средата, а в областта на ниските съдържания на олово. На езика на статистиката тя се означава като крива с лява или положителна асиметрия. Установено е, че в някои случаи такива криви получават нормална форма, ако вместо абсолютните съдържания на елементите използваме техните логаритми (фиг. 10.2.б). Такива съвкупности се подчиняват на лога­рит­мично нормалния (логнормален) закон за разпределение. При тях средното съдържание се получава чрез антилогаритмуване на средно аритметичното от логаритмите на съдържанията. Например в конкретния случай (табл. 10.1.III) средното съдържание е не 22, а 20g/t. Точният антилогаритъм на 1,3025 е 20,06, но с оглед на точността нааналитичните определения цифрата се закръглява до цели грамове на тон.

При криви с положителна асиметрия, превишаваща асимет­рията на логнормалното разпределение (фиг. 10.3.а) и с дясна или отри­ца­телна асиметрия (фиг. 10.3.б), оценката на средното съдър­жание изисква приложение на специален математичен апарат.

Следователно, за да се оцени средното съдържание на даден химичен елемент не винаги е допустимо да се изчисли средно аритме­тичното от получените данни или техните логаритми. Необходимо е да се докаже правомерността на използване на това средно аритме­тично като геохимичен параметър, характеризиращ средния състав на природните образувания. Преди всичко трябва да се провери дали даденият набор от данни (извадка от съвкупност) се подчинява на нормалния или логнормален закон на разпределение. За целта съществуват определени методи, изучавани в курсовете по матема­тична геология.

Средното съдържание само по себе си не е достатъчно за да характеризира определена съвкупност от аналитични данни. Например ако сравним двете криви на разпределение от фиг. 10.1, отразяващи данните от колонки I и II на табл.10.1, вижда се, че независимо от еднаквата стойност на средно аритметичното и еднаквия закон на разпределение, двете извадки от съвкупности се различават съществено по степентта на отклонение на членовете от средното съдържание. Във втората съвкупност разсейването на съдържанията е значително по-голямо. Съответно и формата на кривата е по-разширена. Математичната статистика разполага с параметър, наречен средно (стандартно) отклонение s, който характеризира количествено отклонението на членовете на съвкупността от средното съдържание. Средното отклонение се изчислява по различни формули, една от които е:

s = ,

където n е броят на пробите, а x - съдържанието на елемента (при логнормален закон вместо абсолютните съдържания се използват логаритмите на съдържанията).

От табл. 10.2. се вижда, че въпреки еднаквото средно съдържание на олово, двете извадки от съвкупности силно се различа­ват по средното отклонение от това съдържание. За да бъдат сравними данните за s при различни средни съдържания се използва коефициентът на вариация v:

v=100 s/

С помощта на средното отклонение може да се установи дали полученото средно съдържание е статистически достоверно. Грешката на средното съдържание или т.нар. доверителен интервал се определя по формулата:

λ5%=2s/

Тя показва в какви граници ще се колебае средното съдържание на даден елемент в определена извадка от съвкупност на аналитични данни при добавяне на нови членове на съвкупността. Математически е доказано, че ако в пример I от табл. 10.2. грешката представлява 3 g/t, то в 95% от случаите средното съдържание на олово при добавяне на нови проби от същите гранити ще се колебае в границите 203 g/t, т.е. от 17 до 23 g/t. Ако грешката λ5% е повече от 20% от средното съдържание, то това съдържание от гледна точка на математичната статистика е недостоверно. Например от табл. 10.2. се вижда, че при добавяне на нови аналитични данни към втората съвкупност, възможните минимална и максимална стойности на средното съдържание 11 и 29 g/t ще се различават почти три пъти. Известни са още по-големи различия, свързани с


Таблица 10.2.
Изчисление на статистическите параметри на разпределение на оловото на примера на условните данни от Табл. 10.1.


I

II

















λ5%=.100=15,5%

λ5%=.100=47,5 g/t






=20 3,1 g/t

e недостоверно

крайно неравномерното разпределение на химичния елемент в изучавания обект или с голяма аналитична грешка. В случаите, когато средното съдържание е недостоверно, необходимо е да се прибавят още проби Математичната статистика може да обоснове във всеки конкретен случай какъв е минималният брой проби n, необходими при даденото s, за получаване на достоверно средно съдържание.

Доказано е, че средното отклонение и законът на разпределение са свързани с формата на присъствие на химичните елементи. Например ако оловото е разсеяно в скалообразуващите минерали на гранитите - киселия плагиоклаз, калиевия фелдшпат и биотита, то ста­ти­сти­ческото разпределение на съдържанията му като правило се подчинява на нормалния закон и е сравнително монотонно, без големи отклонения от средно аритметичното. Обаче ако по-голямата част от оловото в скалата е свързана с акцесорна галенитова минера­ли­зация, т.е. само с един минерал, то кривата на разпределение на оловото е логнормална. При наличие на постмагматични процеси, съпроводени с привнос или преразпределение на оловото, неговото количество в пробите зависи силно от неравномерното пространствено разпределение на галенитовите кристалчета, което се налага върху сравнително равномерния фон на оловото, включено в силикатните минерали. В някои участъци галенитът образува микроскопични струпвания - гнезда и прожилки, в други може да отсъства напълно. Съответно, съдържанията на олово се колебаят силно и се подчиняват на сложни закони на разпределение.

Средното съдържание на химичните елементи може да се изра­зи в различни измерения - тегловни, атомни или обемни проценти

Най-употребявани, но не най-рационални, са тегловните средни съдържания - в проценти спрямо общото тегло на пробата, прието за 100. Те се получават непосредствено в процеса на химичния анализ. При слабо разпространените елементи се използват също измерения­та грам на тон (g/t) или част на милион (ppm), които са равни на 0,0001 тегл. %. В хидрохимията съдържанието на елементите често се дава в грамове или милиграми на литър или килограм вода.

Широкото приложение на тегловни съдържания при химичните изследвания във всички области на съвременната геология е принципен методичен недостатък, който няма разумно оправдание и може да се обясни единствено с инерцията на научното мислене. Всяка химична интерпретация, било на природните химични процеси или на природните химични съединения, изисква задължителен преход към атомни количества, тъй като съществен е броят на реагиращите частици, а не тяхното тегло. В този смисъл представянето на химич­ния състав на природните системи в атомни проценти е много по-информативно. От една страна то позволява непосредствен преход към химични уравнения и преизчисления на потенциалното съдържание на определени минерални фази. Например за да се изчисли потенциалното количество на калиевия фелдшпат в системата даденото количество калиеви атоми се свързва с равно количество алуминиеви атоми и тройно по-голямо количество силициеви атоми, съгласно стехиометричното съотношение на елементите в химичното съединение KAlSi3О8. От друга страна се получава по-реална представа за качествената и количествена специфика на природните системи. Например химичният състав на световния океан се дава традиционно във вид на 10 тегл. % водород и 86,5% кислород. Обаче в атомни проценти водородът представлява около 66% от водната обвивка на планетата, т.е. тя би трябвало да се разглежда като една предимно водородна, а не кислородна геосфера. Тегловният процент на берилия в BeO е 36, а на живака в HgS е 86. В действителност броят на атомите на берилия и живака в тези съединения е еднакъв и степентта на концентрация на всички елементи - еднаква, независимо от привидния дефицит на сяра в HgS и излишък на кислород в BeO и привидното рязко различие между берилия и живака. Съвършено очевидно е, че от начина на пред­ста­вяне на средния състав зависи правилната постановка и интерпре­тация на фундаменталните проблеми на геохимията - качествената и количествена характеристика на геохимичните системи, количестве­ната оценка на процесите на концентрация и разсейване на елемен­тите и т.н. Използването на атомните количества като измерение на геохимията произтича от нейната същност като наука, от нейната единица на изследване - атома на химичния елемент.

Първата таблица на атомни средни съдържания е съставена от Ферсман, но и до сега тяхното значение не е оценено по достойнство. Огромният фактически материал, натрупан от гео­химията, се нуждае от цялостно преосмисляне с оглед на относител­ното количество на атомите в природните системи.

Забележително е, че космохимията, чийто частен раздел е геохимията, от самото си създаване си служи само с атомни коли­чества, но не във вид на проценти, а отнесени към определено стан­дартно количество атоми - в последно време към 106 атома силиций. Това позволява уточняване на аналитичните данни, без да се налага преизчисление на всички количества, както е при процентите.

Обемните средни съдържания на атомите имат особено значе­ние за кристалохимичното направление на геохимията. Представата за химичното съединение като пространствена постройка, запълнена по определени закони, изисква оценка на обема на частиците, които я изграждат. Геохимията може да определи приноса на всеки елемент в запълването на обема на минералите и съответно - на литосферата и цялата планета. Според Голдшмидт около 92% от обема на земната кора са заети от големите аниони на кислорода, а останалите елементи се разполагат предимно в тетраедричните и октаедрични празнини между кислородните сфери. Голдшмидт привежда следните обемни проценти за петрогенните елементи:

кислород 91,77 магнезий 0,56

силиций 0,80 калций 1,48

алуминий 0,76 натрий 1,60

желязо 0,68 калий 2,14

общо 99,79%

Средното съдържание е основен параметър на геохимията, който служи за класификация на химичните елементи по тяхното разпространение и за оценка на количествената специфика на вещест­ве­ния състав на природните системи.

В зависимост от относителното им тегловно съдържание в лито­сферата геохимията разделя химичните елементи на две групи. Първата група обхваща осемте най-разпространени елемента, които се наричат главни, скалообразуващи (петрогенни) или макроелементи. Съдържанията им в литосферата са от порядъка на няколко процен­та или десетки проценти. Втората група включва останалата, по-голяма част от химичните елементи, които са слабо разпространени. Те се наричат микроелементи, редки елементи, елементи-следи, второстепенни, елементи-примеси, разсеяни и т.н. Съдържанията им в т.% варират от n10-1 до n10-8, без да се броят най-дефицитните като радий, проактиний и др. Количественото степенуване на еле­мен­тите може да се извърши чрез разделянето им на групи в зависимост от порядъка на съдържанията - 10-1, 10-2 и т.н. Тези групи са означени от Вернадски като декади. Вътре в декадите елементите могат да се подредят по постепенно понижаващо се съдържание, означено в грамове на тон като индекс към символа на елемента (напр. табл. 7.2.).

Необходимо е да се отбележи, че понятието “рядък” не винаги се приема за синоним на слабо разпространен елемент. Често то включва само някои елементи, които в последно време намериха прило­жение в модерните отрасли на промишлеността - литий, рубидий, цезий, берилий, редки земи, цирконий, хафний, ниобий, тантал, рений, галий, германий, индий, талий, селен и др. Обаче оловото, среброто, живакът, златото, уранът, платиноидите и др., които са с няколко порядъка по-слабо разпространени, например от циркония и рубидия, не се наричат редки. В случая понятието “рядък” елемент няма строг качествен и количествен смисъл, а зависи от техноложките свойства. Много нееднозначна, често противоречива е и употребата на останалите термини, свързани с разпространението на химичните елементи. Това е недопустимо, тъй като тези тер­мини имат отношение към фундаменталните проблеми на геохи­мията. Те се намират в основата на геохимичната теория и от рационалността им зависи рационалността на всички производни понятия и логични връзки. Ето защо названията на елементите, показващи тяхното относително разпространение, се нуждаят от строго дефиниране и систематизиране.

От гледна точка на словообразуването именно думата “рядък” означава слабо разпространен (рядко срещащ се). “Микро” и “макро”, които широко се използват в някои приложни направления на геохимията за да се избегне нееднозначността на понятието “рядък” всъщност имат смисъл на размер, а не на количество и са лишени от логика. Следователно, независимо от това какво означава понятието “рядък” в други области на науката и техниката, в геохимията то е длъжно да заеме своето законно, ключово място. По своето разпространение в земната кора елементите следва да се разделят на разпространени /петрогенни/ и редки. Това са понятия от глобален мащаб.

От гледна точка на геохимичните системи въобще, без оглед на ранга, химичните елементи могат да бъдат главни, ако изграждат цели проценти или десетки проценти от масата на системата и второстепенни, ако количеството им е под 1%. В литосферата главни са петрогенните елементи, а второстепенни - редките, но в други системи главни могат да се окажат някои редки елементи, а второстепенни - петрогенните елементи. Например в световния океан главен елемент е хлорът, а второстепенен - силицият.

Както беше отбелязано, в съвременната геохимична литература доминира оценката на разпространеността на химич­ните елементи според техните тегловни проценти. Много по-рацио­нално е разделянето на разпространени и редки, главни и второсте­пенни да става по тяхното относително атомно съдържание. Напри­мер ако се използват атомни проценти водородът попада в групата на петрогенните елементи, което е справедливо и принципно важно. Поради изключителната лекота на водородните атоми използването на тегловни проценти пречи за реалната оценка на значението на водорода в геохимичните системи. Деформира се и представата за относителната разпространеност на редките елементи. Така берилият и уранът се приемат за редки елементи от един порядък, обаче при еднакво тегловно съдържание, примерно 3 грама на един тон гранити, количеството на берилиевите атоми е 26 пъти по-голямо от това на урановите атоми.

В зависимост от мащаба на геохимичните системи Беус разграничава три категории средни съдържания - глобални, регионални и локални.

Глобалните статистически параметри на разпространението на елементите характеризират типовете и групите скали в мащаба на цялата земна кора. Получените средни съдържания се наричат още глобални кларки. “Кларк” е синоним на средно съдържание, въведен от Ферсман като признание на заслугите на американския геохимик Френк Кларк за изясняване на разпространението на химичните елементи в земната кора. Глобалните параметри служат за основа, норма, стандарт при оценка на отклоненията при регионалните параметри. Пример за глобален параметър е средното съдържание на литий в гранитите - 38 g/t.

Регионалните параметри характеризират типовете и групите скали, изграждащи конкректни райони. Обикновено като такива райони се разглеждат големи структурни единици на земната кора с общо геоложко и геохимично развитие. Регионалните параметри слу­жат за оценка на отклонението от нормата на локалните парамет­ри. Например регионалните средни съдържания на лития са: в Украинския кристалинен масив - 40 g/t, в Източното Забайкалие - 90g/t и т.н.

Локалните параметри характеризират отделни масиви и други геоложки образувания в пределите на ограничена площ. В скалите неза­сегнати от рудообразувателни процеси те съставят т.нар. геохи­мичен фон. Например в конкретни участъци на Украинския криста­линен масив са установени локални съдържания на литий 33 g/t, а в участъците на Източното Забайкалие - 120 g/t. Локалните параметри служат за оценка на отклонението от нормата на участъците с повишени съдържания на химични елементи, възникнали в резултат на рудообразувателни процеси, които се означават като геохимични аномалии.

Значението на така разграничените геохимични параметри може да се види на примера на приведените по-горе средни съдържа­ния на лития. Очевидно е, че докато регионалното и локално средно съдържание на литий в Украинския кристалинен масив е близко до глобалния кларк на лития в гранитите на земната кора, то Източ­ното Забайкалие се характеризира с обогатяване на литий, което се озна­ча­ва като геохимична специализация. Както посочва Беус (Беус, Григорян, 1975), ако в двата изучени локални участъка се установи съдържание на литий 100 g/t, то за Източното Забайкалие съдържанието ще бъде нормално, съвсем слабо превиша­ващо регионалното средно съдържание, обаче за гранитите на Украинския кристалинен масив такова съдържание е ясно изразена гео­хи­мична аномалия, причините за възникването на която трябва задължително да се изяснят. Статистически може да се установи, че вероятността за появата на съдържание на литий 100 g/t в Украинския кристалинен масив е по-малка от два случая на сто.

За разграничаване на геохимичните аномалии е необходимо да се определи така нареченото минимално аномално съдържание. Съгласно правилата на математичната статистика то е равно на фон 3s. Установено е, че при нормално разпределение в границите на  s попадат 68,3% от членовете на съвкупността. Стойностите ограничени от 2s включват съответно 95,4%, а тези ограничени от 3s 99,7%, т.е. практически всички членове на съвкупността. Следователно съдържанията които се отклоняват от фон с повече от 3s , вече не принадлежат към дадената извадка от съвкупност и не могат да се разглеждат като фонови. Стойностите по-малки от фон -3s характеризират отрицателните, а по-големите от фон+3s положителните геохимични аномалии, които са свързани съответно с процесите на разсейване и концентрация на химичните елементи.

Положителните геохимични аномалии са типични за рудните находища и техните геохимични ореоли, които биват първични, образувани едновременно с находището и вторични - образувани при неговото по-късно разрушаване. Първичните ореоли се наричат още ореоли на концентрация на химичните елементи. Тяхното възникване е обусловено от привноса на рудни компоненти и нарастване на съдържанието им в сравнение на това във вместващите скали. По данни на Овчинников обемът на първичния ореол в едно от медно-пиритните находища на Урал е 360 пъти по-голям от рудното тегло, което съдържа само 53% от общото съдържание на мед, 35% от цинка, 10% от оловото и 1,6% от кобалта. Границата между рудното тяло и първичния ореол е условна - тя зависи от технологични и икономически причини. От собствено геохимична гледна точка рудното тяло, заедно с неговия първичен ореол, ограничен от минимално аномалното съдържание, е единно образувание, притежаващо всички отличителни свойства на само­стоя­телна геохимична система.

Вторичните геохимични ореоли също представляват поло­жителни геохимични аномалии, но поради механизма на своето възник­ване - извличане и преотлагане на компоненти от рудното тяло, се нари­чат ореоли на разсейване.

Типичен признак за перспективността на скалите по отно­шение на рудни находища е силното нарастване на средното откло­нение или на квадрата на средното отклонение, наречен дисперсия.

Регионалните параметри на химичните елементи дават коли­чествена основа за разграничаването на геохимичните провинции - геохимично еднородни области, характеризиращи се със специфично обогатяване на даден елемент под влияние на процеси от общо­планетен мащаб. Например Източното Забайкалие е типична литиева провинция. В геохимията понятието провинция е комплексно. То обхва­ща едновременно много елементи, тъй като химичните еле­менти рядко имат напълно самостоятелно поведение и образуват закономерни асоциации. Интересен пример за геохимична провинция е прочутият медно-молибденов пояс, простиращ се на хиляди километри по тихоокеанското крайбрежие на Северна и Южна Америка. Само в една точка на земното кълбо, в находището Клай­макс, принадлежащо към тази провинция, са концентрирани около 9/10 от запасите на молибден в западните страни.

Средното съдържание е основа за оценка на процесите на разсейване и концентрация на химичните елементи в земната кора. Един елемент се намира в състояние на концентрация (или разсейване) ако неговото съдържание е по-високо (по-ниско) от сред­ното съдържание в друга система, служеща за сравнение. Като уни­вер­сален еталон за сравнение се използват:

а) средните съдържания на химичните елементи в литосферата или нейните части - гранити, базалти, седименти и др.

б) средните съдържания на химичните елементи в хондрито­вите метеорити, приемани като аналог на недиференцираното земно вещество.

За получаване на реална информация преди всичко трябва да се изясни дали различията в съдържанието на даден елемент в сравня­ваните системи са статистически значими, т.е. дали ще се запазят при добавяне на нови данни, които, както видяхме, могат съществено да изменят стойностите на . За целта се използва т.нар. критерий на Стюдънт, изучаван в курсовете по математична геология. Беус привежда пример за привидно различие между съдържанията на тантал в проби от биотит и мусковит, съответно 55 и 37 g/t, които при статистическа проверка се оказват незначими. Следователно няма основание да се твърди, че биотитът е по-важен концентратор на тантала от мусковита и да се търсят генетичните и кристалохимични причини за различието в съдържа­нието на тантал.

Коефициентите, получени чрез деление на съдържанието на определен елемент в дадена система на съдържанието на същия елемент в друга система, се използват широко при количественото сравнение на геохимичните системи помежду им и при количе­стве­ната оценка на процесите на концентрация и разсейване. При стой­ности по-големи от единица коефициентите се наричат коефициенти на концентрация, а при стойности по-малки от единица - коефи­циенти на разсейване. За съпоставимост на данните е предложено да се използват реципрочните стойности на коефициентите на раз­сейване. Самото понятие “коефициент на разсейване” може да се избег­не, ако се въведат положителни и отрицателни стойности на коефи­циента на концентрация. Например КК=+3 означава, че в първата система съдържанието на даден елемент е три пъти по-голямо, КК=1, - че съдържанието на елемента е еднакво в двете системи, КК=-3, - че съдържанието в първата система е три пъти по-малко и т.н. Коефициентът на концентрация е един от малкото геохимични параметри, при които използването на тегловни проценти вместо атомни не деформира получените изводи. Причината е в това , че и в числителя и в знаменателя участва един и същи елемент. Тъй като атомните количества се получават чрез деление на тегловните проценти на една и съща величина /атомното тегло на елемента/, стойностите на КК не се изменят.

Коефициентите на концентрация имат важно методично значе­ние в геохимията. Примери за такива коефициенти са:

1) Коефициентът на локална концентрация спрямо регионал­ното средно съдържание. Ако се върнем към разгледания по-горе пример

КК1локрег=100/90=1,1 (Източно Забайкалие)

КК2локрег=100/40=2,5 (Украински кристалинен масив)

2) Средният коефициент на аномалност, равен на частното от средните съдържания на елемента в границите на геохимичната анома­лия и локалното средно съдържание (геохимичния фон);

3) Коефициентът на биогенно поглъщане, равен на частното от съдържанието на елемента в живия организъм или в пепелта от неговото изгаряне и съдържанието на елемента в окръжаващата среда, почвата, литосферата и т.н.

Особено съществени са коефициентите, показващи относител­ното обогатяване или обедняване на химичния елемент в системи от различен ранг спрямо неговото средно съдържание (кларк) в лито­сферата. Те могат да се нарекат кларкови коефициенти на концен­трация. В някои области на приложната геохимия, например в геохимичните методи за търсене на рудни находища и в геохимията на ландшафтите много широко се използва понятието “кларк на концентрация” като синоним на коефициента на концентрация спрямо кларка. Това понятие е принципно недопустимо, тъй като кларкът е размерна величина със смисъл на относително количество (тегловно, атомно, обемно), докато коефициентът на концентрация няма измерение. Не е все едно дали геохимичният параметър означава 2,5 g/t литий или 2,5 пъти по-високо съдържание на литий от някаква изходна система. Например в Украинския кристалинен масив такава стойност на КК съответства на 100 g/t литий.

Перелман (1972) неправилно използва така наречения кларк на концентрация т.е. коефициента на концентрация като заменител на тегловното съдържание на елементите в геохимичните системи. Всъщност КК е параметър за сравнително изучаване на системите. Той не може да замени количествените параметри на конкретна сис­те­ма. Степентта на обогатяване и значението на елемента в систе­мата трябва да се определя спрямо сумарното количество на компо­нентите на системата, а не спрямо други системи.

В своите съединения или в самородно състояние химичните елементи се концентрират до определена степен. Например съдържа­нието на молибден в минерала молибденит MoS2 е 400 000 пъти, а на златото в къс самородно злато 200 000 000 пъти по-високо от това в литосферата. Колкото по-сложен е съставът на химичните съединения или по-голямо средното съдържание на елемента в лито­сферата, толкова по-ниска е относителната степен на концентра­ция. Например в кварцовите пясъци, които са пределна степен на концентрация на силиция в природата, съдържанието на силиций е само около два пъти по-високо отколкото в литосферата като цяло.

Типични системи на разсейване, т.е. на понижение на съдър­жанията на повечето химични елементи в сравнение с литосферата са природните води и живите организми.

За проследяване на закономерното изменение на съдържанието на даден елемент или група елементи спрямо други елементи или определени генетични фактори се строят различни геохимични диагра­ми в нормален или логаритмичен мащаб (например вариационните диаграми на петрогенните и редки елементи в четирите главни разновидности магмени системи, приведени в раздела за литосферата).

Наред със средните съдържания много важна методична роля имат количествените отношения на определени елементи като инди­ка­тори (показатели) на генетичния тип и еволюцията на геохимич­ните системи.

Например магнезият и желязото са геохимични аналози. Те заемат еднаква структурна позиция в тъмноцветните магмени минерали и се заместват един друг в неограничена степен. Коли­честве­ното съдържание на магнезия и желязото закономерно се понижава от ранните към късните етапи на магматизма, особено при наличието на диференцирани магмени серии с базични, средни и кисели разновидности. Понижението се съпровожда от закономерно изменение на отношението Mg/Fe поради избирателното включване на магнезия в най-ранните продукти на магмената кристализация и обогатяването на остатъчната топилка с желязо. Следователно по абсолютното съдържание на магнезий и желязо и стойностите на отношението Mg/Fe може да се съди за последователността на формиране на скалите, принадлежащи към една и съща генетична серия. Нещо повече, мащабите на относително обогатяване на желязо спрямо магнезия са различни в зависимост от генетичния тип на магматизма. Съдържанието на желязо нараства най-рязко, а отно­шението Mg/Fe се понижава най-силно при т.нар. толеитов магма­тизъм в условията на бърза загуба на летливите компоненти поради образуването на широки пукнатини на океанското дъно. Продукт на толеитовия магматизъм са особени разновидности на средните и кисели скали с аномално висока железистост.

В други случаи съдържанието на химичните елементи нараства в късните етапи на магматизма. Особено важно е това, че елемен­тите с близки геохимични свойства, макар и незначително се различа­ват по мащаби на концентриране. Например калият се съпровожда от цяла свита геохимични аналози, по-голямата част от които го изпреварва по степен на обогатяване в най-късните продукти на магмената кристализация. Съответно отношенията K/Rb, K/Cs, K/Pb и K/Tl закономерно се понижават. Същата тенденция имат редките елементи един спрямо друг. Например отношението Rb/Cs се изменя в полза на цезия. Барият, обратно, предпочита най-ранните и високотемпературни минерали на калия, откъдето следва законо­мерното нарастване на отношението K/Ba при еволюцията на магмения процес. Поради контрастното поведение на рубидия и бария много показателни за степентта на диференциация на химичните елементи са стойностите на отношението Ba/Rb.

Индикаторно значение имат не само закономерната еволюция на отношенията на калия с неговите спътници, но и абсолютните стойности на отношенията и средните съдържания на тези елементи в магмените скали. В гранитите и пегматитите, принадлежащи към т.нар. редкометален тип, явяващи се резултат на най-висока степен на диференциация на корово вещество, средното съдържание на литий, рубидий, цезий е многократно по-високо, отколкото в другите генетични разновидности, а стойностите на отношенията K/Rb, K/Cs и Rb/Cs - са многократно по-ниски.

Генетичен смисъл имат също стойностите на отношенията Nb/Ta, TRCe/TRY, Zr/Hf, Th/U и др. Например тегловното съотно­ше­ние на ниобия и тантала в литосферата е близко до 10, докато в редкометалните пегматити се понижава до 1 - 0,2 , а в алкалните магми нараства до 100 и повече. Едновременно нараства и абсо­лют­ното съдържание на ниобий - от 150-200 g/t до 3-4 kg/t Nb2O5.

Спектърът от индикаторни отношения, използван от геохи­мията, е изключително богат, обаче все още емпиричните данни не са систематизирани и теоретично обобщени и не е осъзнато тяхно то значение като основен метод на геохимията.


Каталог: files -> su files
su files -> "Икономиката е история на човешката трудова дейност." Маршал
su files -> Календар и хронология Астрономични основи на календара
su files -> 1. предмет и задачи на историчната геология
su files -> Икономика на околната среда: Преглед
su files -> Регулиране на пазара: информация и несигурност
su files -> 1. Същност предмет и задачи на екологията. Етапи на формиране място сред другите науки, подразделения, основни методи и значение
su files -> Отлики и единство на цивилизациите От праистория към история
su files -> Карл Велики е един забележителен за времето си властелин
su files -> Панславизмът е културно-политическо движение, имащо за цел освобождението, а след това политическото, културното и икономическото обединение на славяните


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2019
отнасят до администрацията

    Начална страница