52

Геохимическая аномалия – это область заметно повышенных (или пониженных) по сравнению с фоном содержаний химических элементов. Аномалии по масштабам своего проявления могут быть глобальными, региональными либо локальными или точечными. Геохимические аномалии иногда называют ореолами рассеяния элементов.

Различают положительные (выше фона) и отрицательные (ниже фона) аномалии.

Области местного геохимического фона на картах и графиках будут характеризоваться преобладанием относительно низких и сравнительно устойчивых содержаний элементов в пробах, охватывая участки удаленные от заведомых аномалий. Приближенно оценив по этим участкам среднюю величину содержаний каждого из элементов, можно выделить на картах наиболее отчетливые геохимические аномалии. Выделение слабых геохимических аномалий требует более точной оценки местного геохимического фона (Сф) путем статистической обработки данных анализов. Причем величину Сф определяют в зависимости от математического закона, которому подчинено распределение содержаний данного химического элемента в изучаемой системе (нормальный или логнормальный).

Для макроэлементов чаще всего наблюдается нормальный закон распределения, а для микроэлементов наиболее обычен логнормальный закон.

Таким образом, для характеристики местного геохимического фона необходимо сначала установить закон распределения фоновых содержаний данного элемента, а затем (по соответствующим формулам) определить параметры этого распределения – среднее значение и дисперсию.

Наряду с аналитическим методом, эту задачу можно решить и графическим путем (построение графика распределений на специальном бланке или построения гистограмм распределения содержаний данного элемента).

Итак, за фоновые значения (Сф) обычно принимаются наиболее часто встречающиеся содержания элемента (мода), определяемые проще всего с помощью гистограмм. Обязательна предварительная чистка выборок – исключение значений заведомо нетипичных (то есть аномальных). Процесс связан с изрядной долей субъективизма. Проще, если рассматривается техногенное загрязнение – тогда можно опираться на данные по участкам, заведомо загрязнению не подвергшимся.

При явных различиях в геохимической специализации отдельных участков изучаемой территории (например, разных полей или участков одного и того же поля) может возникнуть необходимость раздельной обработки данных по этим участкам с отдельными расчетами фоновых и аномальных содержаний для каждого в отдельности.

Далее производится расчет статистических параметров распределения (аналогично выборке по отдельному геохимическому объекту, что мы уже рассматривали). Определяется среднее содержание и дисперсия.

После этого определяется порог аномальности. Для нормального распределения это величина, отличающаяся от среднего содержания на три среднеквадратичных отклонения (аномалия первого порядка):

Са≥Сф±3s, где

Са – аномальное содержание;

Сф – фоновое содержание элемента;

s - дисперсия или среднеквадратичное отклонение, которое характеризует разброс содержаний изучаемого элемента

Установлено, что существуют геохимические аномалии, соответствующие менее жестким критериям:

Са≥Сф±2s, или даже Са≥Сф±s,

Существуют и аномалии более высоких порядков.

Аномалии могут быть положительными (аномальные содержания превышают фоновые) и отрицательными (аномальные содержания меньше фоновых).

При логнормальном законе распределения (когда близкое к нормальному распределение характерно не для самой величины, а для ее логарифмов) для расчета фоновых и аномальных содержаний используются не среднее арифметическое, а среднее геометрическое дисперсия логарифмированных значений содержаний элементов.

Соответственно, «жесткий» критерий аномальности будет:

Са≥Сф±s³, а более «мягкие» Са≥Сф±s² и Са≥Сф±s соответственно.

Для изучения тонких различий в площадном распределении иногда применяется выделение аномалий нулевого порядка.

Можно применять и другие градации (например, величины ПДК и кратные им).

Нанесение результатов расчета фоновых и аномальных содержаний на карту осуществляется методом изолиний. Если величина порога аномальности оказывается промежуточной между значениями в точках отбора проб, производится интерполяция (рис. 1.2.2).

Рис. 1.2.2. Фрагмент карты геохимического поля с выделенными методом изолиний геохимическими аномалиями различного порядка

Существуют также методы выделения полиэлементных аномалий, основными из которых являются:

1. Метод наложения.

2. Аддитивный метод (суммирование значений).

3. Мультипликативный метод (перемножение значений).

Следует учитывать, что методы (2) и (3) применимы только для ассоциаций элементов, то есть лишь в тех случаях, когда два элемента или более тесно связаны между собой в процессах миграции.

1.3.1. Строение атомов химических элементов

Прежде чем рассмотреть вопрос о закономерностях распределения химических элементов в природе, давайте вместе вспомним - из каких составных частей состоят атомы химических элементов, как они устроены и от чего зависят свойства этих атомов. Из школьного курса физики и химии Вам хорошо известно, что атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Ядро всех атомов (за исключением водорода) , в свою очередь, состоит из положительно заряженных протонов и не несущих электрического заряда нейтронов.

Масса протона составляет 1,67х10^-24 г, а электрона - всего 9,1х10^-28 г, т.е. разница составляет 4 порядка, Размеры: протона и нейтрона – порядка 10^-16 см, а электрона – порядка 10^-13 см, т.е. соотношение как раз обратное.

При этом размер атомов имеет порядок 10^-8 см, т.е. 100 000 раз больше размера электрона и в 100 000 000 раз больше размеров протона, соответственно, атом обладает весьма «ажурной» структурой.

Различие в массе между протонами и нейтронами – всего в 1,0014 раза, что практически несущественно и этой разницей можно пренебречь. Поэтому во всех расчетах массы протона и нейтрона принимаются за 1, а масса электрона – за 0 (т.к. при различии на 4 порядка даже суммарная масса сотни электронов будет столь мала, что ей можно пренебречь, а атомов, в которых число электронов хотя бы приближалось к 1000 в природе не известно, да и теоретически возможность их существования весьма сомнительна).

В целом атом электрически нейтрален. Число положительных зарядов (протонов) уравновешивается числом отрицательных зарядов (электронов).

Если атом теряет или приобретает некоторое число электронов, он переходит в заряженное (ионизированное) состояние.

Химическая индивидуальность атома определяется числом его протонов, т.е. зарядом ядра.

Разновидности одного и того же химического элемента по числу нейтронов (с разными атомными массами) называются изотопами.

Из курса химии Вам известно, что химические свойства атомов определяются числом и расположением электронов. Они располагаются вокруг ядра на строго определённых орбитах (оболочках или энергетических уровнях).

Максимально возможное количество электронов на каждом уровне: 2n² (число Паули), где n – номер оболочки.

Т.о., на 1 уровне могут размещаться 2 электрона, на 2 уровне – 8 электронов, на 3 – 18, на 4 – 32 электрона и т.д.

Внутри каждого из уровней выделяются подуровни, образуемые различными типами электронов (различаются по морфологии орбит и различной энергией):

S – одна сферическая орбита в пределах каждого уровня; на ней может быть расположено не более 2 электронов с противоположными спинами (движущимися в противоположных направлениях;

p – три «гантелеобразных» орбиты, ориентированные взаимно перпендикулярно; тоже до двух электронов на каждой, всего не более 6;

d и f – более удалённые от ядра, морфологически более сложные; вместимость подуровня d – не более 10, f – не более 14 электронов.

Легко запомнить, что количество орбит различных типов соответствует натуральному ряду чисел: 1, 3, 5, 7 …

Число же электронов на каждой орбите можно определить умножением этого ряда на два (2, 6, 10, 14), так как на каждой из орбит могут одновременно находиться два электрона с противоположными спинами.

Отсюда – заполняемость оболочек:

I уровень – только s-подгруппа	- всего 2 электрона
II уровень – s+p;	- всего 8
III уровень – s+p+d;	- всего 18
IV уровень – s+p+d+f	- всего 32 электрона

Максимальной энергетической устойчивостью обладают внешние электронные оболочки с числом электронов 2 и 8.

Ионизация – результат способности атома элемента принять или отдать определённое число электронов для достижения максимальной энергетической устойчивости внешней оболочки. Существуют положительные (катионы) и отрицательные (анионы) ионы. С зарядом ионов связано свойство валентности.

Д.И. Менделеев открыл периодичность изменения химических свойств элементов в зависимости от их атомного веса (точнее, порядкового номера). При составлении Периодической таблицы выяснилось, что периодичность имеет более сложный характер, чем можно было бы предположить. Причина в том, что при увеличении порядкового номера элемента порядок заполняемости уровней и подуровней электронами не является линейно последовательным.

Чтобы разобраться как происходит заполнение электронных оболочек, удобно использовать формулы строения электронных оболочек химических элементов.