Основы геохимии

Тема 1. Литогенная миграция (Распространенность и перераспределение химических элементов в ландшафтах) (4 часа)

1.Кларк.

Геохимия изучает историю химических элементов нашей планеты (В.И.Вернадский). В геохимии существуют две важнейшие теоретических 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. Земная кора - это часть твердой оболочки Земли до границы Мохо. Поскольку она неоднородна, то Виноградовым А.П. было предложено считать ее состоящей на 2/3 из кислых пород и на 1/3 – из основных. Ф.Кларком в 1889г. впервые было установлено содержание 10, а в 1924 г. -- 50 элементов в земной коре, гидросфере (n % от массы земной коры), атмосфере (0,0n % от массы земной коры). А.Е.Ферсман в 1923 г. предложил термином Кларкобозначать среднее содержание химического элемента в земной коре, какой-либо ее части, Земле в целом, в планетах и других космических объектах. «Геохимия овладела новой константой мира»,- сказал А.Е.Ферсман в 1944г. Кларк обозначаетсяКи выражается в весовых или объемных процентах.

В зависимости от выбора системы содержание химических элементов может сильно колебаться. Например, Солнце на … % состоит из H, на % -- из He; ядро Земли имеет преимущественно железо-никелевый состав, гидросфера образована кислородом ( %) и водородом ( %).

Закономерности химического состава земной коры:

1. Для земной коры характерно крайне неравномерное распределение химических элементов. Восемь химических элементов составляют более 90% от массы земной коры.

К_O=47%, K_Ca=2,96%,

К_Si=29,5%, K_Mg=1,87%,

К_Al=8,05%, K_K=2,50%,

К_Fe=4,65% K_Na=2,50%

---------------- ------------------

Сумма – 89,2% Сумма – 9,83%

2. Наиболее распространены элементы, находящиеся в начале периодической системы. После Fe (№26) нет ни одного элемента с кларком, превышающим 0.01%.

3. Элементы, занимающие порядковые позиции с четными порядковыми номерами, более распространены, чем соседние с ними «нечетные».

4. «Геохимия элемента в земной коре определяется как его химическими свойствами, так и величиной кларка»-- основной закон геохимии.

В зависимости от величины кларка элементы подразделяются на главные и второстепенные. Главные – элементы с высокими кларками. Они могут определять геохимическую обстановку, это так называемые геохимические диктаторы. Для них употребим термин «макроэлементы» (элементы с К>1 относятся к макроэлементам). Второстепенные или редкие элементы подчиняются условиям, создаваемым главными: Br, In, I,Hf,Re,Scи др. Редкие элементы могут накапливаться (собственно редкие). Если редкие элементы обладают слабой способностью к концентрации, то это редкие рассеянные элементы: Пример: U и Br…

Элементы с К<0,01 относятся к микроэлементам. Однако, следует помнить, что данные границы для макро- и микроэлементов являются нестрогими. В разных системах среднее содержание одного и того же элемента, как правило, различно. Например, Al в литосфере является макроэлементом, в биосфере – микроэлементом, т.е. в литосфере Al относится к макроэлементам, в биосфере – к микроэлементам.

Кларк концентрации. Чтобы охарактеризовать способность системы накапливать элементы или способность элемента накапливаться в какой-либо системе, недостаточно знать только содержание элемента в данной системе. В.И.Вернадский в 1937г. предложил рассчитывать относительные единицы содержания – кларки концентрации. Кларк концентрации (КК)- отношение содержания элемента в данной системе к его кларку.

КК= к_i /К_i, [1]

где к_i– содержаниеi-го элемента в изучаемой природной системе (горная порода, минерал, почва, растение и др.), К_i– кларкi-го элемента (содержаниеi-го элемента в литосфере).

Кларк концентрации показывает степень отличия содержания химического элемента в конкретной природной системе (или ее части) от среднего его содержания в литосфере. Полученные величины позволяют судить о степени концентрации (при КК>1) или рассеяния (КК<1) химического элемента в исследуемом объекте относительно литосферы. ЕслиКК<1, то используется геохимический коэффициент кларк рассеяния КР(рассчитывается для случая, когдаКК<1):

КР=1/ КК=К_i/ к_i [2]

Использование кларка рассеяния необходимо, прежде всего, для наглядности графических изображений коэффициентов, т.к. на графике КРи ККоткладываются на одной оси: их значения возрастают в разные стороны от 1, которая фиксирует кларковые содержания элементов.

Коэффициент накопления микроэлементов.

Коэффициент накопления микроэлементов или коэффициент Шоу (назван в честь английского геохимика Денни М. Шоу (1969)) рассчитывается по формуле

n

R_n=1⁄n∑(к_i /К_i),

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 и К_сотдельных элементов.R_nдолжен учитывать все микроэлементы, или, по крайней мере, максимально возможное их число. Поскольку это не всегда возможно, то число анализируемых элементов n указывается в индексеR_n.

При интерпретации R_nисходят из того, чтоR_nлитосферы равно 1, поэтому приR_n>1 можно констатировать накопление микроэлементов в системе, приR_n<1—их рассеяние. ВеличинаR_nдает представление о генезисе пород (особенно, подстилающих пород, почв)

Формула накопления.

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 (К_с)>1, в знаменателе -- R_nи в скобках – индексы микроэлементов с КК (К_с)>1. 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 КК и КР химических элементов в почвах Беларуси.

Индивидуальные задания содержат характеристику среднего химического состава почв Беларуси и 3 видов почв, наиболее распространенных в бассейнах рек Припять, Днепр, Неман, Западная Двина (по Н.Н.Петуховой). Каждая почва характеризуется по содержанию 14 (16) химических элементов или их соединений.

1. Рассчитать содержание макроэлементов в почве.

Данные получены с помощью рентгено-флуоресцентного анализа, особенности которого таковы, что макроэлементы определяются в составе оксидов, микроэлементы – в элементном виде. Поэтому для расчета ККнеобходимо вычленить долю макроэлемента из его оксида. Поскольку доля элемента в его оксиде является величиной постоянной и рассчитывается исходя из соотношения атомных весов, то для расчета доли элемента в его оксиде необходимо использовать коэффициенты (Q), которые рассчитаны для каждого элемента:

Si (в SiO₂) -0,468; Al (в Al₂O₃) – 0,529; Fe (в Fe₂O₃) – 0,699; Ca (в CaO) – 0,715; Mg (в MgO) – 0,603; Na (в Na₂O) – 0,742; K (в K₂O) – 0,83.

Расчет выполняется по формуле:

ХЭл=QОХЭл, [3]

где ХЭл – содержание химического элемента в почве (%),

ОХЭл – содержание оксида этого же элемента в почве (%).

2. Рассчитать ККпо формуле 1. ЕслиКК<1, рассчитать КРпо формуле 2. Для всех микроэлементов рассчитатьКК.

Результаты расчетов записать в таблицу 1.

3. Рассчитать коэффициенты накопления микроэлементов R_n для всех объектов исследования (почв) и занести их значения в таблицу 1.

4. Составить формулы накопления для почв и записать в таблицу 1.

5. Дать название таблице 1.

Таблица 1.

Почва

Макроэлементы

Микроэлементы

Rn

Формула накопления

Si

Al

Fe

Ca

Mg

K…

Ti

Co

Ni

V

Cr

Zr…

КК

КР