Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия окружающей среды. В 3 частях. Ч. 1. Учебное пособие
.pdf
11
100%. Необнаружение элемента при проведении конкретного химического ана-
лиза связано лишь с недостаточной чувствительностью применяемой методики
анализа (закон Кларка — Вернадского).
Если в какой-то части геохимического поля фиксируется отклонение со-
держания элемента (Сх) от его кларка (в сторону понижения или увеличения),
то такое явление называется геохимической аномалией.
Примером положительных геохимических аномалий служат месторож-
дения полезных ископаемых.
В геохимическом поле под воздействием различных по природе сил возникают миграционные потоки химических элементов или геохимические
потоки рассеивания.
Многие процессы в геохимическом поле протекают в условиях подвижно-
го равновесия или стремятся к регулярному режиму. Поэтому для конкретной
геологической эпохи геохимическое поле в целом не зависит от времени, но для
отдельных частей геохимического поля временной параметр играет важную
роль, в частности при формировании техногенных геохимических аномалий.
1.2. ЛИТОСФЕРА
Литосфера является самой верхней твердой оболочкой земной поверхности, включающей земную кору и верхнюю часть мантии. На континентах
(континентальная кора) и под океанами (океаническая кора) имеют резко
различные значения их мощности и состава. В среднем под континентами тол-
щина земной коры составляет 35–40 км, толщина океанической коры — в среднем 7–10 км.
В настоящее время человечество даже с помощью сверхглубокого бурения не может непосредственно исследовать глубины Земли за пределами первых десяти километров. Вследствие этого все представления о строении, свойствах и составе глубоких зон Земли и литосферы составляются на основе всесторонней интерпретации геофизических, главным образом сейсмических,
данных.
Согласно современным научным представлениям, принято считать, что
элементы, составляющие в настоящее время Солнечную систему и нашу Зем-
лю, в большинстве своем возникли в результате ядерных реакций в звездах.
Установлено, что возраст Солнечной системы составляет порядка 5 млрд лет,
когда еще до образования Солнечной системы существовало протопланетное
облако с температурой в десятки миллионов градусов.
12
При этом предполагается, что Солнечная система образовалась на месте
взрыва сверхновой звезды. Под действием гравитационных сил большая часть
образовавшегося вещества после взрыва сконцентрировалась в виде Солнца.
Планеты Солнечной системы образовались из облака горячих газов, остатков
взрыва сверхновой звезды.
В этом облаке не было атомов и молекул, вещество представляло собой
плазму, т.е. полностью ионизированный газ, состоящий из элементарных ча-
стиц — электронов, протонов, нейтронов. При понижении температуры в плаз-
ме синтезировались ядра атомов, в первую очередь легких, содержащих четное
число протонов и нейтронов.
Образование Земли было связано с аккумуляцией вещества солнечного
газа. Большая часть планетарного вещества сгруппировалась 4,56–4,7 млрд лет
назад. Масса планеты продолжала нарастать и через некоторое время стала до-
статочной для удержания атмосферы (4,4 млрд лет назад).
В отличие от Земли, главным элементом космоса является водород Н,
взаимодействие ядер которого в центральных частях звезд при температурах в
десятки миллионов градусов приводит к синтезу ядер гелия Не. Поэтому Все-
ленная в основном имеет водородно-гелиевый состав.
Реакция синтеза ядер не останавливается на образовании гелия. Этот эле-
мент может «сгорать» с образованием ядер углерода (C), кислорода (O), неона
(Ne), которые в результате захвата ядер гелия преобразуются в ядра магния
(Mg), кремния (Si), серы (S), аргона (Ar) и кальция (Ca). Такие реакции проис-
ходят только в наиболее массивных звездах.
Наибольшее значение имел синтез легких ядер, особенно четных (содержащих четное число протонов и нейтронов). Синтез тяжелых ядер, включающих большое число протонов и нейтронов, менее вероятен, образующиеся ядра
часто оказывались неустойчивыми и постепенно распадались. Некоторая часть
этих ядер не полностью разрушилась и дожила до наших дней. Некоторые тяжелые ядра за прошедшие миллиарды лет распались полностью, и на Земле мы
не знаем соответствующих элементов. Они были получены искусственно, часть
открыта в звездах. Это технеций Те (№ 43), астат Аt (№ 85), кюрий Сm (№ 96),
берклий Вk (№ 97), калифорний Сf (№ 98) и другие трансурановые элементы.
Таким образом, главная закономерность распространенности элементов в
литосфере (и биосфере в целом) — преобладание легких атомов, что связано
со строением атомных ядер, их устойчивостью, ядерным синтезом в центральных частях звезд.
13
По мере увеличения массы Земли начался ее разогрев, главным образом
за счет радиоактивного распада нестабильных изотопов химических элементов.
В результате такого разогрева произошло расплавление железа (Fe) и никеля
(Ni), которые вследствие своей высокой плотности погрузились в центр плане-
ты, образовав металлическое ядро Земли (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Предполагаемое строение Земли
Исходя из сейсмических данных, в континентальной коре на глубине
8–15 км (в среднем около 10 км) выделена поверхность Конрада, условно разделяющая более глубокий базальтовый и поверхностный гранитный слои
континентальной литосферы.
Средняя мощность гранитного слоя, контактирующего с гидросферой и
атмосферой, в среднем составляет несколько более 10 км. В результате механического и химического взаимодействия гранитного слоя литосферы с водной и
газообразной оболочками земной коры образовался третий слой литосферы —
осадочный, состоящий из осадочных пород различного состава. Средняя мощ-
ность осадочного континентального слоя составляет 1,8 км.
Под океанами гранитный слой отсутствует и литосфера представлена од-
ним базальтовым слоем толщиной порядка 5 км.
В целом толщина литосферы по современным представлениям достигает
20–40 км. Имеющиеся в настоящее время данные по минералогическому и хи-
мическому составу пород, слагающих литосферу, относятся к ее верхнему слою
толщиной до 20 км.
14
В литосфере преобладают магматические и метаморфические породы
(граниты, диориты, габбро, базальты, сиениты, дуниты, парагнейсы, кристалли-
ческие сланцы). На долю магматических и метаморфических пород приходится
90% массы литосферы. Оставшиеся 10% включают осадочные породы (глины,
песчаники, известняки, эвапориты, эффузивы) (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Распределение важнейших петрографических типов
пород в земной коре
Породы
Распространенность в земной коре,
% от общего объема земной коры
Магматические и метаморфические породы
Гранитоиды, гранитогнейсы и их
метаморфические эквиваленты
20,86
Габбро, базальты и их метаморфические
эквиваленты
50,34
Дуниты, перидотиты, серпентиниты
0,07
Сиениты, нефелиновые сиениты
0,04
Парагнейсы и кристаллические
сланцы
16,91
Метапесчаники
1,73
Метаморфизированные карбонатные
породы
0,69
Осадочные и эффузивные породы
Пески и песчаники
1,83
Глины и глинистые сланцы,
кремнистые породы
4,48
Карбонаты
2,49
Соли и эффузивные породы
1,1
Средний химический состав литосферы определяется в основном «легки-
ми» химическими элементами, которые характеризуются относительно не-
большими и четными атомными массами. Это химические элементы с атомными номерами до 30 (атомный номер соответствует количеству протонов в ядре
атома).
На долю 10 самых распространенных элементов приходится 99,59% от
массы земной коры (табл. 1.2). На долю остальных химических элементов при-
ходится менее 0,5% массы земной коры (табл. 1.3).
15
Таблица 1.2
Кларки основных химических элементов в литосфере
Элемент
Атомный
номер
Содержание
в земной
коре, %
Элемент
Атомный
номер
Содержание
в земной
коре, %
Кислород О
8
47,0
Натрий Na
11
2,5
Кремний Si
14
29,5
Калий К
19
2,5
Алюминий Al
13
8,05
Магний Mg
12
1,87
Железо Fe
26
4,65
Титан Ti
22
0,45
Кальций Са
20
2,96
Марганец Mn
25
0,1
Распределение химических элементов в литосфере подчиняется эмпирическому правилу Оддо — Гаркинса, согласно которому в литосфере наблюда-
ется преобладание химических элементов с четными атомными номерами (четное число протонов в ядре) и четными атомными массами. На их долю прихо-
дится до 86,5% от массы литосферы (табл. 1.4).
В целом в земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтронов.
Таблица 1.3
Распространенность химических элементов в земной коре
Содержание в земной коре, г/т (%)
Химический элемент
100–1000 (10-2–10-1)
Углерод С, фтор F, фосфор Р, сера S, хлор Cl, ванадий
V, рубидий Rb, стронций Sr, цирконий Zr, барий Ва
10–100 (10-3–10-2)
Литий Li, бор В, азот N, скандий Sc, хром Cr, кобальт
Со, никель Ni, медь Cu, цинк Zn, галлий Ga, иттрий Y,
ниобий Nb, свинец Pb, лантан La, церий Ce, неодим
Nd, торий Th
1–10 (10-4–10-3)
Бериллий Ве, германий Ge, мышьяк As, бром Br, молибден Мо, олово Sn, цезий Cs, гафний Hf, тантал Ta,
вольфрам W, празеодим Pr, самарий Sm, европий Eu,
гадолиний Gd, тербий Tb, диспрозий Dy, гольмий Ho,
ербий Er, уран U
0,1–1 (10-5–10-4)
Кадмий Cd, индий In, сурьма Sb, иод I, таллий Tl, вис-
мут Bi, тулий Tm, лютеций Lu
0,01–0,1 (10-6–10-5)
Селен Se, серебро Se, ртуть Hg
Менее 0,01 (менее 10
-6
)
Рутений Ru, родий Rh, палладий Pd, осмий Os, иридий
Ir, платина Pt, теллур Te, рений Re, радий Ra
16
Таблица 1.4
Примеры эмпирического правила Оддо — Гаркинса
Элемент,
атомный номер
Кларк элемента
в литосфере, г/т
Элемент,
атомный номер
Кларк элемента
в литосфере, г/т
Бор (В), 5
Углерод (С), 6
Азот (N), 7
12
230
19
Медь (Cu), 29
Цинк (Zn), 30
Галлий (Ga), 31
47
83
19
Азот (N), 7
Кислород (О), 8
Фтор (F), 9
19
470000
660
Рубидий (Rb), 37
Стронций (Sr), 38
Иттрий (Y), 39
150
340
20
Алюминий (Al), 13
Кремний (Si), 14
Фосфор (Р), 15
80500
290000
930
Иттрий (Y), 39
Цирконий (Zr), 40
Ниобий (Nb), 41
20
170
20
Скандий (Sc), 21
Титан (Ti), 22
Ванадий (V), 23
10
4500
90
Цезий (Cs), 55
Барий (Ва), 56
Лантан (La), 57
3,7
650
29
Марганец (Mn), 25
Железо (Fe), 26
Кобальт (Со), 27
1000
46500
18
Талий (Tl), 81
Свинец (Pb), 82
Висмут (Bi), 83
1,0
16
0,9
В результате этого минеральный состав литосферы на 98% представлен
природными химическими соединениями (минералами) десяти наиболее распространенных элементов.
Минералы, слагающие гранитную оболочку литосферы, вступая на по-
верхности земной коры в химические реакции с растворами гидросферы и кис-
лородом атмосферы, образуют комплекс гипергенных минералов, сочетание ко-
торых определяет химический состав пород осадочного слоя литосферы
(табл. 1.5). Вследствие процессов гипергенеза химический состав осадочных пород в заметной степени отличается от гранитной оболочки литосферы (табл. 1.6).
Таблица 1.5
Распространенность минералов в гранитной оболочке литосферы
Минерал
Содержание, %
Кварц SiO
2
22,9
Полевые шпаты K[AlSi3O8], Na[AlSi3O8], Ca[Al2Si2O8]
54,2
Амфибол R
7
Si4O11](OH)2 (где R= Mg, Ca, Fe)
9,8
Слюды K(Mg,Fe)
3
(OH,F)[Si2O10], KAl2(OH,F)[AlSi2O10]
5,5
Пироксен CaMgSi
2O6
3,5
Магнетит Fe
2O3
FeO
1,3
Ильменит FeTiO
3
0,6
Карбонаты CaCO
3
MgCO3
0,5
17
Таблица 1.6
Кларки главных химических элементов литосферы
в гранитной оболочке и осадочных породах
Элемент
Содержание, %
Гранитная
оболочка
Глинистые
породы
Пески
и песчаники
Карбонатные
породы
Кислород О
48,0
49,5
51,5
49,2
Кремний Si
30,8
25,45
34,7
3,4
Алюминий Al
8,0
9,49
2,86
0,96
Железо Fe
3,5
4,82
2,8
0,86
Кальций Са
2,5
2,22
2,68
32,5
Натрий Na
2,2
0,84
0,92
0,25
Калий К
2,7
2,33
1,32
0,28
Магний Mg
1,2
1,5
0,73
0,95
В процессах гипергенеза гранитного слоя ряд химических элементов полностью или частично выносится водными растворами из зоны гипергенеза и
попадает в гидросферу, почвы и в дальнейшем может усваиваться растениями,
животными и человеком. Следует отметить, что в процессах гипергенеза значи-
тельную, а иногда и решающую роль играет живое вещество биосферы.
1.3. ГИДРОСФЕРА
В состав гидросферы входят воды Мирового океана, поверхностные воды
суши, снега и ледники, подземные воды (табл. 1.7). Основную массу гидросфе-
ры составляют воды Мирового океана (96,567%), запасы пресной воды не пре-
вышают 2,53 % общих запасов.
Основное количество воды на Земле содержится в Мировом океане. При-
родные воды, в отличии от химически чистой воды, представляют собой водные
растворы различных соединений неорганической и органической природы. Ве-
щество гидросферы находится в постоянном движении, развитии и обновлении.
Вода рек в процессе стока сменяется каждые 12 суток, вода озер обновля-
ется каждые 10 лет, воды Мирового океана сменяются каждые 3 тыс. лет,
за 8,5 тыс. лет происходит полный водообмен в ледниках.
18
Таблица 1.7
Состав и количественная характеристика гидросферы
Формы нахождения воды
Общий объем,
106 км3
Доля от общих запасов
гидросферы, %
Воды Мирового океана
1370,0
96,567
Ледники
24,8
1,748
Подземные воды
23,7
1,671
Озера и реки
0,192
0,014
Атмосфера
0,01
0,001
Гидросфера в целом
1418,702
100,0
В процессах испарения, конденсации, стока, гидротермальной деятельности вместе с водой перемещается огромное количество минеральных и органи-
ческих соединений, что приводит к перераспределению, концентрированию и
рассеиванию химических элементов в смежных с гидросферой компонентах
биосферы.
Вследствие того что основная масса гидросферы представлена водами
Мирового океана, кларки гидросферы в основном определяются кларками элементов в океанической воде. В основном по своему химическому составу гид-
росфера — это водный раствор хлорида натрия NaCl концентрацией примерно 3 % масс. (табл. 1.8). На долю этих элементов (О, Н, Cl, Na) приходится
99,46 % массы всей гидросферы.
Таблица 1.8
Кларки главных химических элементов в гидросфере
Элемент
Кларк, %
Элемент
Кларк, %
Кислород О
85,7
Кальций Са
0,04
Водород Н
10,8
Калий К
0,039
Хлор Cl
1,93
Сера S
0,089
Натрий Na
1,03
Углерод С
0,0028
Магний Mg
0,13
Пресные воды на 99,99 % по массе состоят из кислорода О и водорода Н
и представляют собой водный раствор солей с концентрацией 0,01 %. На долю
наиболее распространенных элементов речной воды — натрия Na, хлора Cl,
магния Mg, кальция Са, калия К и серы S — приходится всего 0,004 % от массы пресных вод.
19
В гидросфере наблюдаются иные, чем в литосфере, количественные со-
отношения элементов. Следует отметить очень низкий кларк в гидросфере таких характерных для литосферы элементов, как железо Fe (0,000001%), алю-
миния Al (0,000001%), кремния Si (0,0003%), что связано с крайне низкой рас-
творимостью их соединений в условиях гидросферы.
В гидросфере происходит также разделение ряда элементов, тесно связанных своим поведением в литосфере (натрий Na и калий К, железо Fe и
магний Mg, алюминий Al и кремний Si) (табл. 1.9).
Наблюдаемое явление связано либо с различной растворимостью соединений (соединения кремния Si и магния Mg более растворимы, чем железа Fe и
алюминия Al), либо с избирательным поглощением живым веществом и сорбцией на глинистых минералах (калий К).
Таблица 1.9
Сравнительное содержание химических элементов
в литосфере и гидросфере
Элемент
Массовые отношения
Литосфера
Гидросфера (сухой остаток)
Na : K
1 (2,5 % : 2,5 %)
27,7 (32,2 % : 1,16 %)
Fe : Mg
2,49 (4,65 % : 1,87 %)
7,410-6 (3,1·10
-5
% : 4,14 %)
Si : Al
3,66 (29 % : 8,05 %)
300 (9·10
-3
% : 3,1·10
-5
%)
Для гидросферы характерно также увеличение содержания тех химических элементов (бор B, сера S, бром Br, хлор Cl, иод I), распространенность ко-
торых в литосфере невелика (табл. 1.10).
Таблица 1.10
Сравнительные содержания химических элементов
в гидросфере и литосфере
Элемент
Содержание, г/т
Литосфера
Гидросфера
(минеральный
остаток)
Бор, В
12
140
Сера, S
470
27126
Бром, Br
2.1
1992
Хлор, Cl
170
582358
Иод, I
0,5
1,84
20
Вместе с тем, несмотря на то что кларки гидросферы и литосферы разли-
чаются (в океане на втором месте — водород Н, в литосфере — кремний Si, в
океане на третьем месте — хлор Cl, в литосфере — алюминий Al), можно отметить следующие общие закономерности.
К ним относятся:
резкая контрастность в распространенности атомов;
преобладание в обеих системах кислорода и небольшой группы «лег-
ких» элементов;
элементы, наименее распространенные в литосфере, редки и в океане
(ртуть, золото, радий и др.).
Это объясняется тем, что первоисточником элементов для океана и зем-
ной коры была залегающая на глубине десятков километров мантия Земли. По
современным представлениям, образование литосферы является результатом
выплавления из мантии базальтов и других изверженных горных пород, а гид-
росфера образовалась в результате дегазации из мантии летучих элементов и их
конденсации (в первую очередь водяных паров, частично серы, хлора, фтора,
брома, йода, селена и других элементов, образующих анионы). В настоящую
эпоху вулканические газы играют также определенную роль в формировании
состава океанов (вулканы связаны как с мантией, так и с магматическими оча-
гами в земной коре).
Химический состав современной гидросферы зависит также от выветривания горных пород материков и приноса реками растворенных веществ в Мировой океан. Этот источник имеет ведущее значение для кальция, натрия, маг-
ния и других элементов, образующих катионы.
1.4. АТМОСФЕРА
Газовая оболочка Земли, называемая атмосферой, по химическому составу подразделяется на верхнюю часть — гетеросферу — и нижнюю — гомо-
сферу.
Гетеросфера начинается примерно с высоты 100 км от земной поверхности и простирается до высоты 1000 км. Гетеросфера подразделяется на термо-
сферу и экзосферу.
Гомосфера подразделяется на три оболочки, отличающиеся по характеру
температурного режима, — тропосферу, стратосферу и мезосферу.
Наиболее важной частью атмосферы Земли является тропосфера — га-
зовая оболочка, непосредственно прилегающая к земной поверхности.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]