Геохимия меди
МEДЬ
я_Введение
Медь (лат.Cuprum) - химический элемент.
Один из семи металлов,из-
вестных
с глубокой древности. По некоторым
археологическим данным -
медь
была хорошо известна египтянам еще за 4000 лет до Р.Хр. Знакомс-
тво
человечества с медью относится к более ранней эпохе,чем с железом;
это объясняется
с одной стороны более частым нахождением меди в сво-
бодном
состаянии на поверхности земли, а с другой - сравнительной лег-
костью
получения ее из соединений. Древняя
Греция и Рим получали медь
с
острова Кипра (Cyprum),откуда и название ее Cuprum. Особенно важна
медь
для электротехники.
По электропроводности медь занимает
второе место среди всех ме-
таллов, после
серебра. Однако в наши дни во
всем мире электрические
провода, на которые раньше уходила почти половина
выплавляемой меди,
все
чаще делают из аллюминия. Он хуже проводит ток, но легче и доступ-
нее. Медь же, как и многие другие цветные
металлы, становится все де-
фицитнее.Если в 19
в. медь добывалась из руд, где содержалось 6-9%
этого
элемента, то сейчас 5%-ные медные руды считаются очень богатыми,
а промышленность многих стран
перерабатывает руды, в которых всего
0,5%
меди.
Медь входит в число жизненно важных
микроэлементов. Она участвует
в
процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует син-
тезу
сахара, белков, крахмала,
витаминов. Чаще всего медь
вносят в
почву в виде пятиводного сульфата - медного
купороса. В значительных
количествах
он ядовит, как и многие другие
соединения меди, особенно
для низших
организмов. В малых же дозах медь совершенно необходима
всему
живому.
я_Химические и физические свойства
элемента,определяющие его миграцию.
Медь -
химический элемент I группы периодической системы Менделее-
ва;атомный
номер 29, атомная масса 63,546. По
геохимической классифи-
кации
В.М. Гольдшмидта,медь относится к
я6халькофильным я0элементам с вы-
соким
сродством к S,Se,Te, занимающим восходящие части на кривой атом-
ных
объемов; они сосредоточены в нижней
мантии, образуют сульфидноок-
сидную
оболочку. Халькофилы имеют ионы
с 18-электронной оболочкой
(также
как Zn,Pb,Ag,Hg,Sb и др.)
Вернадским в первой половине 1930 г были
проведены исследования из-
менения
изотопного состава воды, входящего в
состав разных минералов,
и опыты
по разделению изотопов под влиянием
биогеохимических процес-
сов, что и было подтверждено последующими
тщательными исследованиями.
Как
элемент нечетный состоит из двух нечетных изотопов 63 и 65 На долю
изотопа Cu(63) приходится 69,09% ,
процентное содержание изотопа Cu
(65) -
30,91%. В соединениях медь проявляет
валентность +1 и +2,из-
вестны
также немногочисленные соединения трехвалентной меди.
К валентности 1 относятся лишь глубинные
соединения, первичные
сульфиды
и минерал куприт - Cuя42я0O. Все
остальные минералы, около сотни
отвечают
валентности два. Радиус одноволентной меди +0.96, этому отве-
чает и эк - 0,70.Величина атомного радиуса
двухвалентной меди - 1,28;
ионного
радиуса 0,80.
Очень интересна величена потенциалов
ионизации: для одного электро-
на -
7,69, для двух - 20,2. Обе цифры очень велики, особенно вторая,
показывающая
большую трудность отрыва наружных электронов. Одновалент-
ная
медь является равноквантовой и потому ведет к бесцветным солям
и
слабо окрашенным
комплексам, тогда как
разноквантовя двух валентная
медь
характеризуется окрашенностью солей в соединении с водой.
Медь
- металл сравнительно мало активный. В
сухом воздухе и кисло-
роде
при нормальных условиях медь не окисляется.
Она достаточно легко
вступает
в реакции с галогенами, серой,селеном. А вот с водородом, уг-
леродом
и азотом медь не взаимодействует даже при
высоких температу-
рах. Кислоты,
не обладающие окислительными свойствами, на медь не
действуют.
Электроотрицательность атомов - способность
при вступлении в соеди-
нения притягивать электроны.Электроотрицательность Cuя52+ я0- 984
кДЖ/моль, Cuя5+я0-753
кДж/моль. Элементы с резко различной ЭО образуют
ионную
связь, а элементы с близкой ЭО - ковалентую.Сульфиды тяжелых
металлов
имеют промежуточную связь, с большей
долей ковалентной связи
( ЭО у
S-1571,Cu-984,Pb-733).Медь является амфотерным элементом - об-
разует
в земной коре катионы и анионы. По расчетам Г.А.Голевой,в силь-
нокислых
водах зоны окисления медных месторождений Cu находится в фор-
ме Cuя52+
я0(14-30%),CuHSOя44я5+я0(1-25%),недиссоциированныой молекулы
Cu-
SOя50я44я0(70-90%).В
щелочных хлоридно-гидрокарбонатных водах зоны
востано-
вительных процессов
Cu находится в формах CuCOя43я50 я0(15-40%),Cu(COя43)2я52-
(5-20%),Cu(OH)я5+ я0(5-10%).B
кислых хлоридных водах
нефтегазоносных
структур преобладает анион Cu(OH)я43я5-
я0(45-65%),хотя имеются и катионные
формыCuя5+я0(20-46%),CuCLя5+я0(20-35%).
Некоторые термические свойства
меди.Температура плавления-1083 C;
температура
кипения- 2595 C;плотность-8,98 г/смя53я0.
Среднее содержание меди в
различных геосферах.
в земной коре составляет 5,5*10я5-3я0(вес %)
литосфере континентальной 2*10я5-3
гранитной оболочки 3*10я5-3
в живом веществе 3,2*10я5-4
в морской воде 3*10я5-7
хондриты 1*10я5-2
ультраосновные 2*10я5-3
(дуниты и др.)
основные 1*10я5-2
(базальты,габбро и др.)
средние 3,5*10я5-3
(диориты,андезиты)
кислые 2*10я5-3
(граниты,гранодиориты)
щелочные 5*10я5-4
Среднее содержание меди в осадочных
породах.
глины - 4,5*10я5-3
сланцы - 4,5*10я5-3
песчаники - 0,1*10я5-3
карбонатные породы - 0,4*10я5-3
Среднее содержание меди в глубоководных
осадках.
известковистые - 3*10я5-3
глинистые - 2,5*10я5-2
Вывод:содержание
меди больше в основных породах,чем в кислых.
я_Минералы.
Медь входит более чем в 198 минералов, из
которых для промышленнос-
ти
важны только 17,преимущественно сульфидов, фосфатов, силикатов,кар-
бонатов,сульфатов. Главными
рудными минералами являются
халькопирит
CuFeSя42я0,ковеллин
CuS,борнит Cuя45я0FeSя44,я0халькозин Cuя42я0S.
Окислы: тенорит ,куприт
Карбонаты: малахит ,азурит
Сульфаты: халькантит ,брошантит
Сульфиды: ковеллин ,халькозин ,халькопирит,
борнит
Чистая медь - тягучии,вязкий металл красного,
в изломе розового
цвета, в очень тонких слоях на просвет медь
выглядит зеленовато-голу-
бой. Эти же цвета, характерны и для многих соединений меди, как в
твердом
состаянии, так и в растворах.
Понижение окраски при повышении валентности
видно из следующих двух
примеров:
CuCl - белый Cuя42я0O - красный
CuClя42я0+Hя42я0O -
голубой CuO - черный
Карбонаты характеризуются синим и зеленым
цветом при условии содер-
жания воды,
чем намечается интересный практический признак для поис-
ков.
Практическое значение имеют: самородная медь, сульфиды, сульфосо-
ли,и
карбонаты(силикаты).
С.С.Смирнов так характеризует
парагенетические ряды меди:
при окислении сульфид - куприт + лимонит
(кирпичная медная руда)
-
мелаконит (смоляная медная руда) - малахит + хризоколла.
я_Геохимия меди.
Из приведенной характеристики ионов
вытекает общии тип миграции ме-
ди: слабая миграция ионов w=1 и очень сильная -
ионов w=2 с рядом до-
вольно
легко растворимых солей галоидов и аниона(Soя44я0); равным образом
осаждаемость благодаря активной
поляризации ионами:
(Coя43я0),(SiOя44я0),(POя44я0),
(AsOя44я0).
Типы распределения и концентрации меди
весьма многочисленны и раз-
нообразны. Мы можем выделить шесть главных типов,
причем в основе бу-
дут
лежать следующие гохимические положения:
1) легкое
отщепление меди из магм с
переходом в пневматолиты еще
при
дифференцации основных пород и даже может быть при ликвации уль-
траосновных;
2) при гидротермальном процессе главное
осаждение меди в геофазы
прцессов
G-H, т.е. около 400-300я50я0;
3) в гипергенной обстановке фиксация меди
преимущественно анионами
(Soя43я0),(SiOя43я0)
при общей большой миграционной способности меди (особенно
в виде
легкорастворимого сульфата).
С.С. Смирнов характеризует миграцию так:
"миграция меди тем более
облегчается,
чем выше в рудах отношение серы к меди, чем менее активна
обстановка,
чем менее влажен климат и чем более проницаема рудная мас-
са".
Рассмотрим более подробно геохимическую
миграцию элемента.
В гидротермах Cu мигрирует в форме
различных комплексов Cuя5+ я0и Cuя52+
и
концентрируется на геохимических барьерах в виде халькопирита и дру-
гих
сульфидов (меднопорфировые,медноколчеданные и др. месторождения).
В поверхностных водах обычно содержится
n*10я5-6 я0г/л Cu, что соот-
ветствует
коэффиценту водной миграции 0,n.
Большая часть Cu мигрирует
с глинистыми
частицами, которые энергично ее
адсорбируют. Наиболее
энергично
мигрирует в сернокислых водах зоны окисления сульфидных руд,
где образуется
легко растворимый CuSOя44я0.
Содержание Cu в таких водах
достигает
n г/л, на участках месторождений
возникают купоросные ручьи
и
озера.
Однако такая миграция
непродолжительна: при нейтрализации кислых
вод на
барьере Д1 осождаются вторичные минералы Cu,
она адсорбируется
глинами, гидроксидами марганца, гумусом, кремнеземом. Так образуется
повышенное
содержание меди в почвах и континентальных отложениях ланд-
шафтов
на участках месторождений. Медь здесь активно вовлекается в би-
ологический
круговорот, появляются растения,
обогощенные медью, круп-
ные размеры
приобретают моллюски и
другие животные с
голубой
кровью.Многие
растения и животные плохо переносят высокие концентрации
меди и
болеют.
Значительно слабее миграция
Cu в ландшафтах влажного климата
со
слабокислыми
водами. Медь здесь частично
выщелачивется из почв. Из-
вестны
болезни животных а растений, вызванные
недостатком меди. Осо-
бенно
бедны Cu пески и трфянники, где
эффективны медные удобрения и
подкормка
животных.
Медь энергично мигрирует и в пластовых
водах, откуда она осаждается
на
восстановительном сероводородном барьере. Эти процессы особенно ха-
ракткрны
для красноцветной формации, к которым
приурочены месторожде-
ния и
рудопроявления типа "медистых песчаников".
я_Основные типы генезиса наиболее
крупных месторождений.
1) В ультраосновных породах и наритах вместе
с пирротином и, следова-
тельно,
в ассоциации с никелем, кобальтом, частично с палладием. Обыч-
но
халькопирит является последним сульфидом в этом ряду кристаллизации
и
следовательно приурочен преимущественно или
к эндоконтактовым или
даже к
экзаконтактовым зонам.
2) Выделение меди в пустотах мелафиров и
вообще в основных эффузивах
вместе
с циолитами в начале геофазы H.
3) Выделение пирита вместе с халькопиритом из
дериватов гранодиорито-
вой
магмы и связанных с ними альбитофиров.Колчиданные линзы с цинком и
золотом
(например Урал).
4) Медно-жильный комплекс в связи с кислыми гранитами, с выделением
меди в
геофазах G-H, между комплексами Au-W-B
и B-Zn-F. К этому типу
относятся
ивзрывные месторождения меди в парфировых рудах и во вторич-
ных
кварцитах. В этом случае интересна
связь с молебденом и бором.Ок-
варцевание
с выносом всех катионов, очевидно, перегретыми гидролизиру-
ющими
водами и эманациями. Генетический тип
представляет огромный ин-
терес, но самый ход процесса остается не
ясным. Большое промышленное
значение,
несмотря на низкое содержание (1-2%)Cu.
5) Контактный тип кислых и гранодиоритовых
магм обычно во вторую фазу
коктактового процесса
накопления
гранато-пироксенного
скарна;медь
обычно
накапливется в геофазы G-H с молебденитом,
пиритом, шеелитом,
иногда
гематитом среди магнитита более ранней кристаллизации. Этот тип
в небольших количествах всегда присутствует в контактных магнетитах.
Очень
типичен для Срдней Азии (Тянь-Шань).
6) Очень
многочисленна и своеобразна осадочные скопления меди в пес-
чаниках, сланцах, песках, битуминозных осадках.
Весьма возможен в от-
дельных случаях
билогический процесс образования (Мансфильд в Тюрин-
гии,пермские
песчаники в Приуралье). Геохимически
изучен плохо. Инте-
ресна
связь с молебденов, хромом, ванадий, обуславливающие особые руд-
ные
концетрации. Иногда наблюдаются
корелляция между Cu и С; однако,
далеко
не всегда и, как показали исследования А.Д.Архангельского, наи-
большие
концентрации меди вызваны чисто химическими процессами.
Четыре типа колчеданных
месторождений:
1. Месторождения Кипорского и Уральского
типа
отношение Pb:Zn:Cu -
1:10:50
2. Рудно-Алтайский -
1:3:1
3. Малый Кавказ - 1:5:10
4. Курака - 1:4:1
(схема строения колчеданного
месторождения см. рис 1)
К зонам
химического выветривния
относятся медно-сульфидные место-
рождения
(строение зоны окисления медно-сульфидных
месторождений см.
рис 2)
|
