Kovalchik_end

ВВЕДЕНИЕ

Учебно-методическое пособие включает задания, направленные на формирование у студентов навыков геохимического анализа природных компонентов. Описываются расчеты, сопоставляются показатели распространенности химических элементов в горных породах и почвах, показатели водной, биогенной и техногенной миграции. Студенты приобретают навыки графического отображения рассчитанных результатов

иих интерпретации.

Вгеохимии важны два теоретических направления: изучение распространенности химических элементов в литосфере и других сферах Земли, планетах земной группы и особенности пространственного перераспределения химических элементов в природных и техногенных системах. В задачи геохимии входит разработка параметров и констант, характеризующих геохимические процессы, протекающие на Земле и в ее геосферах; объяснение химических превращений, происходящих внутри Земли и на ее поверхности [1].

Цель издания – представить геохимические показатели, сопоставить распространенность элементов в различных геосферах и охарактеризовать виды миграции химических элементов.

Учебно-методическое пособие состоит из семи глав, которые соответствуют темам учебной программы. Занятие начинается с краткой беседы преподавателя, в которой раскрывается основное содержание темы. Дается представление о расчетных показателях, применяемых при интерпретации геохимических данных, методических приемах обработки аналитического материала и его графического отображения.

Вкачестве исходных данных используются литературные источники, аналитические материалы авторов, полученные в результате ланд- шафтно-геохимических исследований. Для выполнения работы студентам нужны калькулятор, миллиметровая бумага (А3), простой и цветные карандаши, ручки.

3

КЛАРК ЛИТОСФЕРЫ

Одним из основных понятий, используемых в геохимии ландшафта для оценки распространенности элементов, является «кларк». Этот термин, названный в честь американского химика Ф. Кларка, был предложен А. Е. Ферсманом в 1923 г. для определения «среднего содержания химического элемента в земной коре, какой-либо ее части, Земле в целом,

впланетах и других космических объектах». Кларк обозначается буквой «К» и выражается в весовых или объемных процентах.

Распространенность элементов в природных системах подчинена определенным закономерностям. Для их понимания большое значение имеют основные геохимические законы. Согласно закону Гольдшмидта абсолютное количество элемента, т. е. его кларк, зависит от строения атомного ядра, а миграционные особенности его соединений – от строения наружных электронных оболочек. Закон Кларка – Вернадского указывает на всеобщность рассеяния химических элементов в природе. Это значит, что любой из известных в природе химических элементов может быть найден практически в любой геохимической системе Земли. Их обнаружение зависит лишь от чувствительности аналитических приборов.

Рассчитаны кларки элементов для литосферы и основных типов горных пород. Из табл. 1 видно, что силикатные породы как наиболее распространенные близки к усредненному химическому составу литосферы;

вгранитной оболочке преобладают Si и Al и содержится мало Mg, Ti, Mn, Fe; в базальтовой оболочке – больше Ca, Fe, Ti и меньше К.

Изверженные горные породы, исходя из содержания SiО2, делятся на ультраосновные, основные, средние и кислые. По мере возрастания кислотности в породах увеличивается содержание Na и K и уменьшается содержание Fe и Mg.

Важнейшая геохимическая особенность земной коры – крайне неравномерное распределение химических элементов: на долю 8 элементов

5

приходится более 97 % массы земной коры. В зависимости от величины кларка элементы подразделяются на основные, редкие и рассеянные. Основные – элементы с высокими кларками (> 0,01 %). Это Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, Ti, Mn, они определяют обстановку в геохимических системах и способны к минералообразованию. Редкие элементы – Li, Cs, Be, Sr, In, Hf и др. – подчиняются условиям, создаваемым основными элементами, их содержание составляет от 0,00001 до 0,01 %. Редкие элементы, как и основные, могут накапливаться, образуя собственные минералы. Если они обладают слабой способностью к концентрации, встречаются в виде примесей в кристаллических решетках других минералов, их относят к редким рассеянным элементам (Rb, Sc, Ga, Ge, Se и др.).

Содержание элементов в отдельных горных породах отличается от кларка литосферы. Количественно это отличие В. И. Вернадский предложил выражать показателем «кларк концентрации». Кларк концентрации (КК) – отношение весового содержания данного элемента в природном объекте (горной породе) к кларку литосферы:

6

ККi = Сi/Кi > 1,

где Сi – содержание i-го элемента в изучаемой горной породе; Кi – кларк i-го элемента (содержание i-го элемента в литосфере).

Кларк концентрации показывает, во сколько раз содержание химиче­ ского элемента в породе превышает его содержание в литосфере, и позволяет судить о степени концентрации элемента в породе относительно литосферы.

Если нужно показать, во сколько раз содержание элемента в породе ниже его содержания в литосфере, используется показатель, обратный кларку концентрации. Он называется «кларк рассеяния» и позволяет судить о степени рассеяния элемента в природном объекте (породе) относительно литосферы. Кларк рассеяния (КР) – отношение кларка лито­ сферы к весовому содержанию данного элемента в природном объекте:

КРi = Кi/Сi > 1,

где Сi – содержание i-го элемента в изучаемой горной породе; Кi – кларк i-го элемента.

Рис. 1. Построение геохимических спектров горных пород: а – эталонный спектр; б – рядовой спектр

7

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 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).

Практическая работа № 1 (4 часа)

Тема. Кларки горных пород.

Цель. Раскрыть закономерности концентрации химических элементов в горных породах разного генезиса.

Материалы. Индивидуальные задания содержат данные о среднем содержании химических элементов в горных породах разного происхождения и состава, а также кларки этих элементов в литосфере [2].

Основные понятия. Кларк, кларк концентрации, кларк рассеяния, гео­ химические спектры горных пород.

За д а н и е 1. Нарисовать на миллиметровой бумаге таблицу и занести

внее данные, содержащиеся в заданиях по вариантам (табл. П1 прил. 1). Подсчитать кларки концентрации и рассеяния элементов в породах, используя следующие формулы:

ККі = Сі/Кі, КРі = Кі/Сі, где Сі – содержание і-го элемента в породе; Кі – кларк і-го элемента

вземной коре. Занести результаты в свободные ячейки той же таблицы.

За д а н и е 2. Составить геохимические индексы горных пород путем ранжирования значений КК (по убыванию) и КР (по возрастанию). Записывать ранжированные показатели в виде дроби, где размещены:

yy  возле дроби – элементы с околокларковыми содержаниями (КК, КР 1,0 – 1,1);

yy  в числителе – элементы с содержаниями выше кларка (КК > 1,1); yy  в знаменателе – элементы с содержаниями ниже кларка (KP > 1,1). Пример записи геохимического индекса глинистых осадочных пород:

8

За д а н и е 3. Построить графики геохимических спектров горных пород. Один из геохимических спектров принимается за эталонный объект (строится в виде монотонно убывающей ломаной линии). Для этого по оси ординат располагаются значения КК (вверх) и КР (вниз) от величины КК(КР) = 1, по оси абсцисс через равные интервалы проставляются символы анализируемых элементов в порядке ранжирования эталонного объекта (согласно геохимическому индексу). Спектр второй анализируемой породы строится в виде ломаной линии (см. рис. 1).

За д а н и е 4. Написать заключение, в котором дать краткую сравнительную характеристику распределения химических элементов в горных породах, ответив на вопросы:

а) в породе преобладает концентрация или рассеяние элементов по сравнению с кларком литосферы;

б) насколько велика контрастность каждого спектра (разница между крайними значениями КК и КР);

в) какие элементы в анализируемой породе характеризуются околокларковыми значениями КК и КР, относятся к концентрирующимся (КК > 1,1), слабо рассеивающимся (КР > 1,3), средне- (КР > 3) и высокорассеивающимся (КР > 5);

г) как происхождение горных пород отражается на особенностях их химического состава?

КЛАРК почв

Термин «кларк» поначалу использовался учеными только для определения содержания элементов в литосфере, отдельных типах горных пород. Позднее в связи с расширением возможностей аналитических методов он стал применяться шире – для обозначения среднего химического состава вод, почв, биоты.

Стали различать кларки глобальные, региональные и местные. О глобальных кларках элементов многочисленные данные приведены в справочных изданиях [2]. Региональные кларки рассчитываются для отдельных территорий Земли (материков, стран и др.). Они дают представление о распространенности химических элементов в природных компонентах этих регионов. Местные кларки ученые определяют на небольших участках территории при поиске полезных ископаемых, проведении

9

эколого-геохимических исследований, рассчитывая средневзвешенные содержания элементов. При этом расчеты базируются на массовых аналитических данных и выполняются с применением методов математической статистики.

Почвы Земли несколько отличаются от литосферы по содержанию химических элементов. С точки зрения геохимии почвообразование – это сложный динамичный процесс обмена химическими соединениями между литосферой, атмосферой и наземными организмами. На химический состав почвы оказывают влияние процессы биологического поглощения и водной миграции. Высшие растения обеспечивают круговорот химических элементов в системе почвы, синтез органического вещества. В результате отмирания растений и разложения органических остатков высвобождаются элементы, которые накапливаются в верхних горизонтах почв. Прежде всего это биофильные элементы: N, C, O, H, K, P, S, Cu, Co, Mn, Zn и др. Состав химических элементов в почве значительно колеблется в зависимости от материнской породы почвообразования. Почвообразующие породы глинистого, песчаного или карбонатного состава

сразличным содержанием оксидов кремния, железа, алюминия, карбонатных соединений образуют разные комплексы основных и связанных

сними редких элементов.

Всреднем содержание элементов в почвах Земли близко по значениям к кларкам литосферы (табл. 2).

Почвы на территории Беларуси формируются в результате глубокого выветривания пород, при этом выщелачиваются преимущественно подвижные соединения щелочных и щелочноземельных металлов и свя-

10