23.03.2018

Изучение упаренных фильтратов выветривания в присутствии СО2


Характер новообразованных продуктов. Фильтраты выветривания опытов с CO2 после упаривания никогда не давали однородной опалесцирующей суспензии, как это наблюдалось в опытах с дистиллированной водой. Обычно они состояли из двух фаз. Первая из них была представлена очень большим количеством зеленоватых частиц, образование которых в фильтрате отмечалось с самого начала разложения породы и продолжалось на протяжении всего опыта. В конце концов эти частицы осаждались на дно колбы, образуя характерный зеленоватый осадок. Вторая фаза представлена обычной коллоидной суспензией, но всегда гораздо менее опалесцирующей, чем в контрольном опыте с чистой водой (T2).

Учитывая все это, мы пришли к выводу о необходимости изучить отдельно каждую из фаз. Данные об общем составе фильтратов приведены в табл. 62, 63, 65.

Опыт по выветриванию базальта. Зеленый осадок. На долю осадка зеленого цвета, накопившегося в процессе опыта, приходится приблизительно 35% всей массы высушенного фильтрата.

По данным рентгеновского и термического анализов определены следующие новообразованные минералы (табл. 72 и 73, фиг. 27, 28, 29).
1. Триоктаэдрический глинистый минерал с четкими рефлексами на диаграмме: 12-16 А (001); 4,49 А (02; 11); 2,56 А (20,13) и 1,518 А (06,33) и эндотермическим пиком при 750° на ДТА (фиг. 28). Диаграммы, полученные после насыщения глицерином и нагревания до 500°, типичны для разбухающего глинистого минерала.

2. Кальцит CaСO3, хорошо окристаллизованный [отражения (104), (110), (113), (102)...], с примесью арагонита CaCO3, с отражениями (111), (021), (012), (220) и др. Кроме того, присутствие этих двух карбонатов кальция подтверждается эндотермическим пиком около 810° С на ДТА (фиг. 28). Химический состав зеленого осадка приведен в табл. 74. Исходя из этих данных, мы использовали для расшифровки минерального состава такую же методику, как и при изучении фильтратов первой серии опытов. Прежде всего, по CO2 был рассчитан карбонат кальция, затем остаток Ca и Al2O3 были введены в структуру алюмосиликатного минерала типа полевого шпата. Оставшийся после этого SiO2, железо и Mg были использованы для построения структуры трехслойного глинистого минерала. Распределение элементов указывает на наличие железо-магнезиального минерала стивен-сита с приблизительной структурной формулой:

Si4O10[FeIII0,5 FeII0,6 Mg1,4] (OH)2Mg0,25.

В табл. 75 приведен минеральный состав зеленого осадка.
Сухой остаток жидкой фазы (табл. 72, фиг. 28 и 29). Рентгенограмма сухого остатка жидкой фазы (составляющей 65% от всего фильтрата) указывает на содержание некоторого количества щелочных карбонатов, выкристаллизовавшихся в процессе высушивания в сушильном шкафу. Наиболее четко идентифицируются нахколит NaHCO3 (рефлексы 9,75-4,85-2,95 А) и трона Na2CO3*NaHCO3*2Н2O (3,04-2,63-2,42 А). В меньших количествах отмечаются термонатрит Na2CO3*H2O (2,83—2,63 А) и пирссонит CaCO3*NaCO3*2Н2O (2,49—2,02—1,95 А).
После промывания теплой водой всех этих минералов оставался нерастворимый осадок, дающий на рентгенограмме только диффузное кольцо около 3,60 А (табл. 72). Следовательно, сухой остаток, полученный в опыте с базальтом, состоит из смеси щелочных карбонатов и аморфных силикатных соединений.
Опыт по выветриванию гранита. Зеленый осадок (табл. 73, 76, фиг. 30, 31, 32). В этом опыте зеленый осадок составляет еще более значительную часть фильтрата, чем в опыте с базальтом; на его долю приходится около 45%. Что касается минерального состава осадка, то он ничем не отличается от состава осадка, уже описанного в опыте с базальтом. В состав осадка входят: 1) триоктаэдрический разбухающий глинистый минерал с характерными рефлексами 15,9 А (001), 4,49 А (02,11), 2,56 А (20,13), 1,518 А (06,33) и с эндотермическим пиком ДТА при 735° С; 2) кальцит CaCO3 с рефлексами (102), (104), (110), (113), (202), (108)... Отмечается, кроме того, незначительное количество первичных минералов гранита: кварца, полевых шпатов и биотита. Присутствие последних связано с засорением фильтрата тонкими продуктами дезагрегации породы.
Общий минералогический баланс осадка (табл. 78) был установлен в результате пересчета химического анализа (табл. 77). Так же, как обычно, по CO2 был рассчитан карбонат кальция; остаток Ca и Al пошел на построение беспорядочного каркаса полевошпатового типа, а оставшиеся SiO2, Fe и Mg вошли в состав железистого сапонита типа боулингита, имеющего следующий состав:
Сухой остаток жидкой фазы (табл. 76). Дифрактограмма сухого остатка обнаружила главным образом присутствие кальцита (пики 3,83—3,02—2,48—2,27—2,09 А и др.), с которым ассоциирует небольшое количество сидерита FeCO3 (пики 3,56—2,81—2,13 и 1,94 А). В этом случае при выпаривании жидкой фазы в отличие от опыта с базальтом не наблюдалось образования щелочных карбонатов.
В заключение можно сказать, что данные минералогического изучения упаренных фильтратов выветривания двух типов пород (табл. 79) могут служить основой для генетической интерпретации явлений, происходящих в фильтрате в колбе-приемнике прибора.

Генезис новообразований. Генезис разбухающих глинистых минералов. Кристаллизация триоктаэдрических разбухающих минералов в колбе-приемнике происходила непрерывно как в опыте с гранитом, так и в опыте с базальтом. Таким образом, условия формирования состава фильтрата в присутствии CO2 значительно отличались от условий первой серии опытов с чистой водой, когда не наблюдалось «самозарождения» глинистых силикатов. В последних опытах непосредственно была продемонстрирована та решающая роль, которую играет в процессе новообразования глинистых минералов соотношение компонентов в среде (SiO2 — структурные катионы).

В каждом опыте нам приходилось определять для фильтратов величину отношения SiO2/(MgO+Fe2O3+FeO) (табл. 80). Присутствие в воде углекислого газа способствовало более интенсивному выносу катионов, особенно Fe, Mg и Ca, по сравнению с SiO2, в результате чего в фильтрате создавалась основная среда, в которой молекулярное отношение SiO2/Структурные катионы указывало на их равновесие в растворе в отличие от суспензий в опытах с чистой водой. По-видимому, равновесие SiO2 — структурные катионы является существенным фактором кристаллизации глинистых минералов.

В опытах с CO2 слоистые силикаты, полученные в двух случаях, были обогащены железом и принадлежали к группе триоктаэдрических монтмориллонитов (железистый стивенсит — боулингит). Эти результаты хорошо совпадают с данными синтеза глинистых минералов, содержащих железо. Эти исследования, выполненные Кайе и др, показали, что в присутствии ионов Fe2+ и Fe3+ в среде, относительно богатой кремнеземом, при pH выше 8 новообразованные слоистые силикаты всегда представлены трехслойными разбухающими минералами независимо от содержания алюминия и магния.

Итак, триоктаэдрические железосодержащие минералы групп монтмориллонита возникают в основной среде, на что указывает присутствие карбонатов как в экспериментально полученных продуктах, так и в природных образованиях.
Генезис карбонатов кальция. Образование карбонатов кальция в фильтратах происходило при упаривании инфильтрационных вод. Постоянное кипение способствовало непрерывному растворению свободного CO2, попавшего в колбу, а в водной среде происходила постепенная концентрация бикарбоната кальция. В результате равновесие бикарбонат —> карбонат постоянно сдвигалось и CaCO3 выпадал в осадок. В опыте с гранитом в составе осадка наблюдался один кальцит, а в опыте с базальтом одновременно выпадали из раствора кальцит и арагонит.

Присутствие арагонита и даже сосуществование кальцита с арагонитом в фильтрате выветривания базальта на первый взгляд трудно объяснить.

В наших опытах не существовало ни разницы температур [кальцит/арагонит = f(0)], ни разницы в величинах pH, ни влияния чужеродных ионов (Mg, Sr, Ba, Pb), которые могут играть существенную роль при образовании разных полиморфных модификаций карбоната кальция. Зеллер и Bpe показали, что при низком содержании Mg в присутствии Sr, Ba и Pb возникает арагонит; в присутствии Mg, но при незначительном содержании Sr, Ba и Pb образуется кальцит. Такие условия заведомо исключали ассоциацию кальцит — арагонит, которая наблюдается в наших опытах.

Единственное, чем можно объяснить возникновение рассматриваемого парагенеза, — это различная степень насыщения исходных растворов, и разница в величинах растворимости карбонатов (14,3 мг/л для кальцита, 15,3 мг/л для арагонита в дистиллированной воде при обычной температуре). По данным Побегэн, «кальцит начинает выпадать в осадок, как только в растворе достигается предел его насыщения; арагонит не может осаждаться только тогда, когда раствор уже будет пересыщенным для кальцита и начнет приближаться к пересыщению для арагонита...».

Сравнение содержаний кальция в фильтратах двух опытов показало, что в одном и том же объеме молярная концентрация по CaO была в 3,3 раза ниже в фильтрате выветривания гранита, где осаждался чистый кальцит, чем в фильтрате выветривания базальта, для которого характерно сосуществование кальцита и арагонита. Следовательно, в первом случае содержание кальцита в колбе никогда не превышало величину пересыщения кальцита, в то время как во втором оно было выше предела насыщения для арагонита. Такое объяснение возникновения различных минералогических форм карбонатов в зависимости от степени насыщения раствора нам кажется вполне удовлетворительным.

Генезис эвапоритов. Выпаривание жидкой фазы фильтратов во всех случаях приводило к образованию карбонатных минералов, состав которых определялся составом исходной породы.

В фильтрате выветривания базальта осаждались «двойные» карбонаты Na и Ca, главным образом пирссонит. Известно, что для образования карбонатов подобного состава требуется высокая концентрация Na2CO3 в растворе. В опыте с базальтом и создавалась такая среда в фильтрате, на что указывает одновременное появление щелочных карбонатов: соды, нахколита и т. п.

В опыте с гранитом, где содержание натрия в фильтрате было гораздо ниже (табл. 81), при выпаривании осаждался только карбонат кальция.
Заключение. В процессе опытов в колбе-приемнике прибора, где концентрировались химические компоненты, вынесенные из пород, наблюдалось новообразование минералов. Среда упаренных фильтратов при углекислом выветривании во всех случаях была основной; она была бедна свободным CO2 и лишена кислорода. Эта среда обнаруживает сходство с субаквальными геохимическими фациями лептохлоритового типа, описанными Пустоваловым. В экспериментально полученных фильтрах формировались зеленоватые железосодержащие слоистые минералы (боулингит — железистый стивенсит) в ассоциации с карбонатами, т. е. появлялся парагенез минералов, довольно характерный для зеленоцветных пород базальных слоев разрезов, содержащих осадочные месторождения железа (Лотарингия и Нормандия, Англия и Уэльс).

И наконец, при выпаривании жидкой фазы фильтратов наблюдается выпадение ряда щелочных и известково-щелочных карбонатов. Эти искусственные соли напоминают природные минералы эвапоритов, возникающие в бассейнах засушливых районов (озеро Чад, Большое Соленое озеро, озеро Эйр и др.).

В экспериментальных условиях наблюдался следующий порядок образования минералов по мере упаривания фильтратов: железосодержащие глинистые минералы —> карбонаты —> эвапориты, что вполне согласуется с законом химической дифференциации среды осадконакопления.





Яндекс.Метрика