7099

1

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Е.А. Моралова

ГЕОХИМИЯ БИОСФЕРЫ

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям по дисциплине «Учение о

геосферах земли с основами геохимии» для обучающихся по направлению подготовки 05.03.06 Экология и природопользование, профиль Прикладная экология и природопользование

Нижний Новгород

2022

2

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Е.А. Моралова

ГЕОХИМИЯ БИОСФЕРЫ

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям по дисциплине «Учение о

геосферах земли с основами геохимии» для обучающихся по направлению подготовки 05.03.06 Экология и природопользование, профиль Прикладная экология и природопользование

Нижний Новгород ННГАСУ

2022

3

УДК 574

Моралова Е. А. Геохимия биосферы [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. /Е.А. Моралова; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2022. – 44 с; 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Даются тематика лекций, их краткое содержание, для обучающихся по дисциплине «Учение о геосферах земли с основами геохимии». В пособии также приведены указания по выполнению практических работ по дисциплине «Учение о геосферах земли с основами геохимии», рассмотрены содержание и последовательность выполнения данных работ.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным и практическим занятиям по направлению подготовки 05.03.06 Экология и природопользование, профиль Прикладная экология и природопользование.

© Е.А. Моралова, 2022

© ННГАСУ, 2022.

5

Глава 1. Геохимия литосферы

1.1. Распространение химических элементов.

Одной из фундаментальных концепций геохимии является анализ распространенности химических элементов в различных сферах и оболочках Земли и их компонентах. Этой проблемой занимались практически все крупные геохимики. Особенно большой вклад в изучение среднего химического состава геосфер Земли внесли Ф.У.Кларк, И.Фохт, В.И.Вернадский, А.Е.Ферсман,

В.М.Гольдшмидт, А.П.Виноградов, А.А.Беус, А.Б.Ронов, К.Турекьян,

К.Ведеполь, С.Тейлор и др.

В честь Ф.У.Кларка, посвятившего всю свою жизнь исследованию состава земной коры, А.Е.Ферсман в 1923 г. предложил среднее содержание химического элемента в земной коре или какой-либо ее части называть термином кларк.

Для понимания закономерностей распространенности химических элементов в изучаемых системах важное значение имеют основные геохимические законы.

Закон Гольдшмидта - абсолютное количество элементов, т.е. кларки,

зависят главным образом от строения атомного ядра; распространение элементов, связанное с их миграцией, определяется строением наружных электронных оболочек и в меньшей степени ядерными свойствами.

Закон Вернадского - указывает на всеобщность рассеяния химических элементов в природе. Его важным следствием является обнаружение любого из всех известных в природе химических элементов практически во всех системах Земли, т.е. наличие или отсутствие элемента в изучаемом объекте или системе зависит не от их собственных свойств, а от чувствительности используемых аналитических методов.

Различают глобальные, региональные и локальные (местные) кларки элементов.

6

В настоящее время установлен ряд глобальных кларков литосферы и основных типов горных пород (табл. 1,2), которые можно использовать в дальнейших расчетах.

Таблица 1

Среднее содержание элементов в литосфере в целом и в осадочных породах, %

1.2. Кларки литосферы

Содержание химических элементов в различных типах горных пород, как правило, отличается от кларка литосферы. Количественно это отличие В.М.Вернадский предложил выражать кларком концентрации КК,

представляющим собой отношение весового содержания данного элемента в природном объекте Ci к кларку литосферы К:

КК = Ci / К >1.

Эта величина всегда больше 0. Если КК=1, то содержание элемента в объекте равно его содержанию в литосфере. В том случае, когда Ci значительно меньше К, для получения целых чисел и большей контрастности показателя целесообразно рассчитывать обратные величины - кларки рассеяния КР,

показывающие во сколько раз кларк больше содержания элемента в данном объекте:

KP=K / Ci>1.

7

Таким образом, кларки концентрации и кларки рассеяния - показатели,

характеризующие относительную распространенность химических элементов в природе.

Таблица 2

Кларки микроэлементов и литосфере и осадочных породах, n·10-3%

Среднее содержание химических элементов в главнейших типах горных пород иногда именуют кларками этих пород. Одни типы пород близки по химическому составу к литосфере, другие могут очень сильно отличаться от нее

имежду собой. Графически элементные химические составы пород и других систем можно сопоставить путем построения геохимических спектров элементов, представляющих собой в данном случае ряды кларков концентрации

икларков рассеяния в разных объектах. Элементный состав горных пород сопоставляется на графике геохимических спектров, которые являются графическим отражением рядов КК и КР элементов. При этом один из спектров, размещенных на графике, обычно выбирается как эталонный. Это значит, что именно по нем ранжируются элементы на горизонтальной шкале графика (элементы выстраиваются по убыванию значений КК и возрастанию

8

КР), а сама линия эталонного спектра строится в виде монотонно убывающей ломаной (спектр а на рис. 1). Другие геохимические спектры будут иметь вид разнонаправленных ломаных (спектр б на рис. 1).

Глобальные породные кларки наиболее распространенных силикатных горных пород слабо отличаются от состава литосферы. Так, гранитная и базальтовая оболочка Земли обогащены или обеднены отдельными элементами по сравнению с литосферой в целом не более чем в 1,6-7-1,7 раза. В гранитной оболочке преобладают кремний и алюминий, но меньше магния, титана,

марганца, железа, кальция. В базальтовой, наоборот, больше кальция, железа,

титана и меньше калия.

Наиболее контрастно распределение в природных объектах микроэлементов. Сравнение средних содержаний микроэлементов в различных горных породах указывает на их сильную литогеохимическую

9

дифференциацию. Особенно большие различия характерны для редких и рассеянных элементов (торий, кобальт, никель, хром, ниобий, лантан и др.), а

также некоторых элементов - биофилов (углерода, азота), содержание которых в породах различается в десятки и даже сотни раз.

Среди осадочных пород резко преобладают глины и сланцы (около 80%

общей массы), их кларки дают представление о составе осадочной оболочки Земли, который по своему химизму ближе всего к составу гранитного слоя.

Карбонатные породы, как правило, обеднены большинством химических элементов, за исключением кальция, магния, углерода, стронция. В

органогенных породах (углях, глинистых сланцах) концентрация некоторых элементов - бора, германия, молибдена, напротив, составляет десятки, и даже сотни кларков концентраций.

Практическая работа 1

Кларки горных пород

Цель работы: расчетать кларки концентрации и рассеяния для нескольких типов горных пород; ранжировать величины КК и КР для эталонного объекта исследования; построить геохимические спектры этих пород; сделать краткое заключение об особенностях химического состава пород каждого типа в сопоставлении кларков литосферы с кларками пород.

Ход работы:

Для расчета кларков концентрации и рассеяния предоставляются аналитические данные по содержанию редких и рассеянных элементов в нескольких типах пород представленных в таблице 3.

10

Таблица 3

Содержание элементов в породах, n·10-3%

Для получения выразительных геохимических спектров набор элементов должен быть не менее 10 и включать в себя определенные парагенетические ассоциации химических элементов с литогенной или региональной специализацией. Для практических занятий обычно выбираются аналитические данные, характеризующие контрастные по своему лито- и петрохимическому составу породы, которые дают резко различные геохимические спектры.

Задание 1. Подсчет кларков концентрации и рассеяния (КК и КР) с ис-

пользованием табличных данных и сведений о кларках элементов по формулам:

КК = Сi /К ; KP = К /Сi.

где Ci - содержание в породах, К - кларк литосферы

Задание 2. Ранжирование значений КК и КР для эталонного объекта. При построении геохимических спектров один из изучаемых объектов выборочно принимается за эталонный (например, породы кислого состава), с которыми сравниваются основные метаморфические или осадочные породы. Величины КК и КР для эталонного объекта располагаются в порядке их убывания (для КК) и возрастания (для КР). Форма записи выглядит следующим образом: