Геохимия меди

МEДЬ 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.Химические и физические свойства элемента,определяющие его миграцию. Медь - химический элемент I группы периодической системы Менделее- ваатомный номер 29, атомная масса 63,546. По геохимической классифи- кации В.М. Гольдшмидта,медь относится к 6халькофильным 0элементам 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 Cu63 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 - Cu 42 0O. 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 Cu 52 0- 984 кДЖмоль, Cu 5 0-753 кДжмоль.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 Cu 52 014-30,CuHSO 44 5 01-25,недиссоциированныой молекулы Cu- SO 50 44 070-90.В щелочных хлоридно-гидрокарбонатных водах зоны востано- вительных процессов Cu находится в формах CuCO 43 50 015-40,CuCO 432 52- 5-20,CuOH 5 05-10.B кислых хлоридных водах нефтегазоносных структур преобладает анион CuOH 43 5- 045-65,хотя имеются и катионные формыCu 5 020-46,CuCL 5 020-35. Температура плавления-1083 C температура кипения- 2595 Cплотность-8,98 гсм 0. Среднее содержание меди в различных геосферах. в земной коре составляет 5,510 5-3 0вес литосфере континентальной 210 5-3 гранитной оболочки 310 5-3 в живом веществе 3,210 5-4 в морской воде 310 5-7 хондриты 110 5-2 ультраосновные 210 5-3 дуниты и др. основные 110 5-2 базальты,габбро и др. средние 3,510 5-3 диориты,андезиты кислые 210 5-3 граниты,гранодиориты щелочные 510 5-4 Среднее содержание меди в осадочных породах. глины - 4,510 5-3 сланцы - 4,510 5-3 песчаники - 0,110 5-3 карбонатные породы - 0,410 5-3 Среднее содержание меди в глубоководных осадках. известковистые - 310 5-3 глинистые - 2,510 5-2 Выводсодержание меди больше в основных породах,чем в кислых. 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 CuFeS 42 0,ковеллин CuS,борнит Cu 45 0FeS 44, 0халькозин Cu 42 0S. 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 Cu 42 0O - красный CuCl 42 0H 42 0O - 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 карбонатысиликаты.

С.С.Смирнов так характеризует парагенетические ряды меди при окислении сульфид - куприт лимонит кирпичная медная руда - мелаконит смоляная медная руда - малахит хризоколла.

Геохимия меди. Из приведенной характеристики ионов вытекает общии тип миграции ме- ди слабая миграция ионов w1 и очень сильная - ионов w2 с рядом до- вольно легко растворимых солей галоидов и анионаSo 44 0 равным образом осаждаемость благодаря активной поляризации ионами Co 43 0,SiO 44 0,PO 44 0, AsO 44 0. 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 400-300 50 0 3 в гипергенной обстановке фиксация меди преимущественно анионами So 43 0,SiO 43 0 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 Cu 5 0и Cu 52 и концентрируется на геохимических барьерах в виде халькопирита и дру- гих сульфидов меднопорфировые,медноколчеданные и др. месторождения.

В поверхностных водах обычно содержится n10 5-6 0гл 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 CuSO 44 0. Содержание Cu в таких водах достигает n гл, 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.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 1-2Cu. 5 Контактный тип кислых и гранодиоритовых магм обычно во вторую фазу коктактового процесса накопления гранато-пироксенного скарнамедь 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 PbZnCu - 11050 2. Рудно-Алтайский - 131 3. Малый Кавказ - 1510 4. Курака - 141 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.