Железо

Железо — среди металлов по распространению занимает второе место после алюминия. Оно входит в состав многих химических соединений, присутствующих в водной среде. Круговорот железа схематически представлен на рис. 2.16. Железо относится к химически активным элементам и проявляется в биосфере в двух- и трехвалентной форме.

Наиболее характерны соединения железа с кислородом. К числу распространенных минералов железа относятся: магнетит Fe3O4, гематит Fe2O3, гетит FeOOH, вюстит (предполагается в нижней мантии Земли) FeO, ильменит FeTiO3, сидерит FeCO3, пирит FeS2 и пирротин Fe7S8.

В магматических горных породах большая часть железа сосредоточена в темноцветных силикатах — оливинах, пироксенах, амфиболах. Среди силикатов осадочно-метаморфических пород встречаются содержащие железо сложные минералы — миннесотаит, стилпномелан, гриналит, грюнерит, которые развиты в докембрийских железокремнистых формациях.

Миграция и формы нахождения железа в магматических горных породах связаны с реакциями окисления. В основных и ультраосновных породах железо присутствует; преимущественно в закисной форме. При магматических процессах в верхних горизонтах земной коры возникает окисленное железо в трехвалентной форме.

Фактором окисления могут быть водяные пары. Образование магнетита при охлаждении магмы связано с поглощением воды и может происходить следующим образом:

3Fe2SiO4 + 3Mg2SiO4 + 2H2О 2Fe3O4 + 6MgSiO3 + 2H2.

Реакции приводят к выделению свободного водорода, который действительно наблюдается в вулканических газах.

В процессе круговорота в биосфере железо чаще других металлов образует концентрации в осадочных, метаморфических и магматических горных породах, представленные рудными месторождениями различного генезиса. Миграция и формы нахождения железа подчиняются в общем окислительно-восстановительным условиям среды.

В биосфере Земли на поверхности континентов миграция железа начинается с процессов выветривания, зависящих от климата и химических форм нахождения железа в коренных горных породах. Наиболее легко подвергаются химическому выветриванию сульфиды, которые под действием воды и свободного кислорода переходят в сульфаты (ярозит и др.), а затем в окислы и гидроокислы железа.

Окислительные условия среды приводят преимущественно к осаждению железа, а восстановительные — к его растворению и миграции в водных растворах. Кислая реакция среды с низкими значениями рН (5-7) способствует растворению железа.

Щелочные условия (рН 8) определяют осаждение железа в форме гидроокислов. С этими процессами связано формирование различных рудных месторождений железа в осадочных горных породах разного типа. Окислительные условия, господствующие в биосфере, определяют высокое отношение окисного железа к закисному в большинстве осадков.

Железо выносится в океан в различных формах — в виде грубых взвесей минералов и горных пород, содержащих железо в кристаллической решетке; в форме коллоидов, содержащих железо в адсорбированном состоянии; в виде гидратов, гуматов и органических соединений закисного железа.

В морской воде можно выделить нефильтрующиеся и фильтрующиеся формы нахождения железа. К нефильтрующимся относятся взвеси — глинистые частицы с размером 1-0,01 мм. К фильтрующимся относятся ионные формы, растворимые комплексы, а также железо детритовых частей планктонных организмов.

К этим реагентам относятся растворенные в воде О2, СО2, H2S. Как в морских, так и внутриконтинентальных водоемах наиболее растворимые формы образуются в виде закисного железа с низкими значениями в воде рН и с повышенным содержанием растворенного СО2.

Условия миграции и осаждения железа в природных водных бассейнах в зависимости от физико-химических условий представлены на рисунке 2.17.

Зоны с повышенным содержанием СО2 могут возникать в некоторых замкнутых водоемах при слабой вертикальной циркуляции, что способствует установлению химической стратификации. В этих условияхмасса органического вещества скопляется на дне, образуя гитию или сапропель. В морской воде, в придонных слоях, сульфаты бактериально восстанавливаются и переходят в H2S, который диффундирует в верхние горизонты.

В этих зонах формируются соединения железа так, как это показано на рисунке 2.17.

Наиболее благоприятные условия для миграции железа создаются в средней части углекислой зоны. При этом железо может вымываться из донных отложений.

В реальных условиях гидросферы возникают разные сочетания физико-химических условий — от хорошо стратифицированных водоемов с придонной зараженностью H2S до полностью окисленных водоемов. В зоне устойчивого заражения СО2 устанавливается бикарбонатная система, способствующая осаждению сидерита:

2HCO3+Fe2+→ FeCO3 + H2О + СО2

Кроме окислов, карбонатов и сульфидов железа в ходе осадкообразования формируются в разных зонах также сложные силикаты железа глауконит и шамозит. В глауконитах преобладает окисное железо, а в шамозитах закисное.

Максимальная концентрация железа возникла в железокремнистых формациях докембрия, что привело к образованию уникальных месторождений железных руд (Кривой Рог на Украине, КМА в России, Верхнее озеро в США и Канаде, Минас Жейрас в Бразилии, Хамерслей в Австралии и т.д.).

Так, в них можно было различать сульфидные, карбонатные, силикатные и окисные соединения железа, которые чередуются с тонкозернистым кремнеземом, образуя полосчатые железистые породы — джеспилиты.