Белорусский государственный университет

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра почвоведения и земельных информационных систем

Л. И. Смыкович

ОСНОВЫ ГЕОХИМИИ:

МЕХАНИЧЕСКАЯ И БИОГЕННАЯ

МИГРАЦИЯ

Практикум

для студентов специальностей

1-31 02 01 «География»,

1-33 01 02 «Геоэкология»

МИНСК

2013

УДК 550.424:551.14(076.5)(075.8)+550.424:550.4(076.5)(075.8)

ББК 40.3я73

C52

Утверждено

на заседании кафедры почвоведения и земельных

информационных систем БГУ

27 февраля 2013 г., протокол № 7

Рецензент

доктор географических наук,

профессор Н. К. Чертко

С52	Смыкович, Л.И. Основы геохимии: механическая и биогенная миграция : практикум для студентов специальностей 1-31 02 01 «География» 1-33 01 02 «Геоэкология» / Л. И. Смыкович. – Минск : БГУ, 2013. – 26 с.
	Практикум содержит разработки по изучению особенностей перераспределения химических элементов в земной коре, включая педосферу, и в биосфере. Даны теоретические пояснения, разработаны индивидуальные задания по каждой теме практикума, приведены примеры выполнения работы.

УДК 550.424:551.14(076.5)(075.8)+550.424:550.4(076.5)(075.8)

ББК 40.3я73

©БГУ, 2013

Тема 1. Механическая миграция в земной коре

1.1.Распространненость и перераспределение элементов в системе «почва-земная кора»

Цель: Изучить особенности перераспределения химических элементов в системе «почва - земная кора».

Кларк. По В. И. Вернадскому (1954), геохимия изучает историю химических элементов нашей планеты [1]. В геохимии существуют две важнейшие теоретические проблемы: одна связана с изучением распространенности химических элементов в литосфере и других сферах Земли, планетах земной группы, другая – с особенностями пространственного перераспределения (миграции) химических элементов в природных и техногенных системах. Количественную распространенность химических элементов в земной коре впервые установил американский ученый Ф. Кларк. В 1923 г. А. Е. Ферсман предложил ввести в геохимию термин «кларк¹», под которым понимается среднее содержание химического элемента в земной коре. Кларк обозначается литерой К и выражается в весовых или объемных процентах. Установление кларков элементов имеет настолько важное значение для науки, что А. Е. Ферсман назвал его новой константой мира. Кларк используется, прежде всего, как всеобщий показатель, по которому может быть нормировано содержание любого элемента в любой системе Земли. Сравнение содержания химического элемента, например, в дерново-подзолистой почве Беларуси и в земной коре, позволяет сделать вывод о степени концентрации (или рассеяния) данного элемента в почве относительно земной коры. Важно, что к кларку может быть приведен химический состав не только твердых сфер Земли (литосферы, педосферы), но и гидросферы, атмосферы, биосферы; а также любых природных и техногенных объектов.

В зависимости от выбора системы содержание химических элементов может сильно колебаться. Например, Солнце состоит преимущественно из H и He; ядро Земли считается железо-никелевым, гидросфера образована кислородом (85,77 %) и водородом (10,73 %). Для земной коры также характерно крайне неравномерное распределение химических элементов: 8 элементов составляют более 99 % от массы земной коры.

Кларки элементов, % вес.

К_O=47%, K_Ca=2,96%, К_Ti=0.45, К_V=9х10^-3,

К_Si=29,5%, K_Mg=1,87%, К_Mn=0.1, К_Cr=8.3х10^-3,

К_Al=8,05%, K_K=2,50%, К_Cu=4.7 х10^-3, К_Zr=1.7 х10^-2,

К_Fe=4,65% K_Na=2,50% К_Ni=5.8 х10^-3, К_Pb=1.6 х10^-3.

-------------- -------------- К_Co=1.8 х10^-3,

∑ 89,2% ∑ 99,03%

В зависимости от величины кларка элементы подразделяются на основные, редкие и рассеянные. Основные (или макроэлементы) – элементы с высокими кларками (>0.01%), например, Si, Al, Fe, K, Na, Ca, Mg; они могут определять геохимическую обстановку в системе. Редкие ( или микроэлементы) - Br, In, I, Hf, Re, Sc и др. - подчиняются условиям, создаваемым главными, их содержание в системе может изменяться от 1×10^-2 до 1×10^-5%. Редкие элементы могут накапливаться, образуя собственные минералы (собственно редкие). Если редкие элементы обладают слабой способностью к концентрации, и встречаются в земной коре в виде примесей, их относят к редким рассеянным элементам (или ультрамикроэлементам ). Распространенные элементы (К>1) относятся к ведущим (или структурным) элементам, их часто называют макроэлементами. Элементы с К<0,01 относятся к микроэлементам. Однако, следует помнить, что данные границы для макро- и микроэлементов являются ориентировочными. В разных системах среднее содержание одного и того же элемента, как правило, различно. Например, Al в литосфере является макроэлементом, в биосфере – микроэлементом.

Кларк концентрации. Чтобы оценить способность системы накапливать элементы, недостаточно знать только содержание элемента в данной системе. Например, известно, что в иллювиальном горизонте дерново-подзолистой почвы содержится 2,8% Fe и 5.8х10^-3% Cu. Как определить, много это или мало и содержание какого их этих элементов выше в данной системе? Простое арифметическое сравнение двух значений некорректно, поскольку элементы Fe и Cu относятся к разным «весовым» категориям. В. И. Вернадский (1960) предложил рассчитывать относительные единицы содержания – кларки концентрации [1]. Кларк концентрации (КК) -- отношение содержания элемента в данной системе к его кларку.

КК= к_i / К_i, (1)

где к_i – содержание i-го элемента в изучаемой природной системе (горная порода, почва, растение, воды), К_i – кларк i-го элемента.

Кларк концентрации показывает степень концентрации химического элемента в конкретной природной системе (или ее части) по сравнению с земной корой (при КК>1). Если КК<1, то рассчитывается кларк рассеяния (КР), который представляет собой отношение кларка i-го элемента (К_i) к содержанию i-го элемента в изучаемой природной системе (к_i):

КР= К_i / к_i (2)

Использование кларка рассеяния необходимо, прежде всего, для большей наглядности графических построений, т.к. на графике КР и КК откладываются на одной оси: их значения возрастают в разные стороны от 1, которая фиксирует кларковое содержание элементов.

Коэффициент накопления микроэлементов (коэффициент Шоу) рассчитывается по формуле

n

R_n=1⁄n∑( к_i / К_i), (3)

i=1

где n- число элементов.

Коэффициент Шоу – это средний кларк (коэффициент) концентрации группы микроэлементов изучаемого объекта. Он дает количественную оценку способности системы накапливать микроэлементы. С помощью коэффициента Шоу можно оценить концентрационные свойства системы в целом, чего нельзя сделать, анализируя КК отдельных элементов. R_n должен учитывать все микроэлементы, или максимально возможное их число. Поскольку это не всегда возможно, то число анализируемых элементов n указывается в индексе R_n (пример расчета приведен на стр.7).

При интерпретации R_n исходят из того, что R_n литосферы равно 1, поэтому при R_n>1 можно констатировать накопление микроэлементов в системе, при R_n<1— их рассеяние. Величина R_n дает представление о генезисе пород (особенно, подстилающих пород, почв).

Формула накопления – это короткая запись основных особенностей вещественного состава изучаемых объектов, показывающая их геохимическое своеобразие. В соответствии с названием в нее включаются лишь накапливающиеся элементы. В числителе – характерные макроэлементы или их специфические соединения с КК>1, в знаменателе - R_n и в скобках – индексы микроэлементов с КК>1 (пример составления -- на с.7). Таким образом, в формуле накопления показывается парагенная ассоциация микроэлементов и уровень их общей концентрации. Формула накопления имеет компактный вид и несет информацию об аккумулятивных свойствах системы. Это позволяет выносить ее на ландшафтно-геохимические профили и карты.

ЗАДАНИЕ 1. Рассчитать кларки концентрации (КК) и рассеяния (КР) химических элементов в почвах Беларуси

Исходные данные: кларки элементов, индивидуальное задание. Индивидуальное задание содержит характеристику 3 почв, наиболее распространенных в бассейнах рек Беларуси (Припять, Днепр, Неман, Западная Двина) или среднего химического состава почв в бассейнах названных рек [2]. Каждая почва характеризуется по содержанию 14 (16) химических элементов или их соединений.

Ход выполнения задания.

1. Рассчитать КК по формуле 1. Если КК<1, рассчитать КР по формуле 2. Для всех микроэлементов рассчитать КК. Результаты расчетов записать в таблицу 2.

2. Рассчитать коэффициенты накопления микроэлементов R_n для всех объектов исследования (почв) и занести их значения в таблицу 2.

3. Составить формулы накопления для почв и записать в таблицу 2.

4. Дать название таблице 2.

Пример выполнения.

Вариант индивидуального задания.

Таблица 1