Шершнева М.В., Макарова Е.И.. Естественно-научные основы геоэкохимической картины мира

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

М. В. Шершнева, Е. И. Макарова

ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ГЕОЭКОХИМИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА

Учебное пособие

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ ПГУПС

2014

УДК 539.1 ББК 22.3

Ш49

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент Государственного института экономики, финансов, права и технологий

Е. В. Бенза;

доктор технических наук, доцент кафедры «Техносферная и экологическая безопасность» Петербургского государственного

университета путей сообщения (ПГУПС)

Н. А. Бабак

Шершнева М. А.

Естественно-научные основы геоэкохимической картины миШ49 ра : учебное пособие / М. В. Шершнева, Е. И. Макарова.– СПб. : Пе-

тербургский гос. университет путей сообщения, 2014. – 29 с.

ISBN 978-5-7641-0548-2

Изложены основные представления геоэкохимии о классификации, свойствах и применении горных пород и минералов. В практической и экспериментальной частях пособия предложено ознакомиться с геоэкозащитными свойствами минералов и веществ на их основе, обнаруженными учеными кафедры «Инженерная химия и естествознание», и исследовать их.

Предназначено для студентов специальностей ПСИ, ЛБ и КБ.

2

Верхний слой (твердая оболочка Земли) называется литосферой (от греч. lithos – камень и sphaira – шар, сфера), которая состоит из земной ко-

ры и верхней части мантии – астеносферы.

Состав твердой части земной коры впервые определил американский исследователь Ф. Кларк в 1889 г. Позже эти данные были уточнены В. И. Вернадским, В. М. Гольдшмидтом, А. П. Виноградовым и др. учеными. Академик А. Е. Ферсман предложил называть среднее содержание отдельных элементов земной коры «числами Кларка», или просто кларками, и выражать эти величины не только в весовых процентах, но и в атомных.

Из всех химических элементов, известных в настоящее время, лишь немногие широко распространены в земной коре. Такие элементы в таблице Д. И. Менделеева располагаются преимущественно в верхней ее части, имеют малые порядковые номера и называются петрогенными. Наиболее распространенными из них являются следующие элементы: О, Si, Al, Fe, Ca, Na, К, Mg, Ti, H и С. На долю всех остальных элементов (металлогенных), встречающихся в земной коре, приходится только несколько десятых процента (по весу). Большинство таких элементов в земной коре присутствует в виде химических соединений. К числу элементов, встречающихся в самородном виде, относятся очень немногие. Все вещества (простые и сложные) возникают в результате химических реакций, протекающих в земной коре при различных геологических процессах, приводящих к образованию разнообразных по составу массивов горных пород и месторождений полезных ископаемых.

В природе родственные по своим свойствам химические элементы образуют ассоциации. Эти ассоциации отражены в преобразованной А. Н. Заварицким таблице Д. И. Менделеева (рис. 1), в соответствии с которой выделяются 10 групп элементов: 1 – благородные газы; 2 – элементы

4

горных пород; 3 – элементы магматических эманаций; 4 – группа железа; 5 – редкие; 6 – радиоактивные; 7 – металлические; 8 – металлоидные и металлогенные; 9 – группа платины; 10 – тяжелые элементы. При концентрации элементов образуются месторождения полезных ископаемых.

Горные породы представляют собой природные агрегаты минералов более или менее постоянного состава. Термин «горные породы» впервые в современном понимании был использован русским ученым В. М. Севергиным. Минералами являются любые химические элементы, соединения или другие гомогенные вещества (растворы), встречающиеся в природе как продукты неорганических процессов.

Рис. 1 Геохимическая таблица элементов

Воснове классификации минералов лежат их химические и структурные признаки. Минералы делятся на две группы – простые вещества и соединения.

Внастоящее время известно более 3000 минералов, среди них наиболее распространены: силикаты (25 % от общего числа минералов; оксиды и гидроксиды (12 %); сульфиды и их аналоги (13 %); фосфаты, арсенаты, ванадаты (18 %). Физические и химические свойства минералов обусловлены их кристаллической структурой и химическим составом. В основу классификации минералов положены различия в типах химических соединений, кристаллических структур и их пространственных мотивов (островные, цепочечные, слоистые и др.).

5

Большинство минералов – твердые тела, имеющие кристаллическое строение. Вода и ртуть являются примерами жидких минералов, воздух и гелий (из скальных пород или гелиевых источников) – примеры газообразных минералов. Амальгама (раствор серебра или золота в ртути) – пример раствора, являющегося минералом. Горные породы представляют собой либо простые минералы, например, известняк, состоящий из минерала кальцита СаСО3, либо смеси минералов, например, гранит, который является смесью трех минералов – кварца, полевого шпата и слюды. Всего известно несколько тысяч минералов, но в состав горных пород в основном входит несколько десятков наиболее распространенных минералов, которые называются породообразующими (табл. 1.2).

Кроме минералов, входящих в состав горных пород, возможны и другие формы их существования:

o отдельные кристаллы или их сростки (друзы);

o конкреции – шаровидные агрегаты радиально-лучистого строения; o секреции, которые образуются в результате заполнения минеральным веществом полости в горных породах;

o натеки в виде желваков, почек, сталактитов и т. п.

1.2 Образование минералов и горных пород

Минералы и горные породы в зависимости от характера энергии процесса их образующего делятся на эндогенные, связанные с внутренней энергией Земли, и экзогенные, связанные с внешними видами энергии – ветровой и солнечной.

Эндогенные минералы в основном образуются в результате следующих процессов:

1) магматизма – внедрения магмы или излияния ее на земную поверхность в виде лавы с последующим остыванием и затвердеванием. Горные породы, состоящие из образовавшихся таким образом минералов, называются магматическими (МГП) (см. табл. 1.2) и классифицируются по химическому составу и по условиям образования. Что касается состава, то наиболее важным является содержание в породе оксида кремния (SiO2). В зависимости от этого МГП подразделяются на:

o кислые (содержание SiO2 > 65 %);

o средние (52 % < SiO2 < 65 %);

o основные (40 % < SiO2 < 52 %); o ультраосновные (SiO2 < 40 %).

К магматическим горным породам относятся гранит, кварц, полевые шпаты, пемза, габбро, базальты и др.

6

8