2.3. Глобальный элементопоток железа.
Масса железа в земной коре оценивается в 755 трлн. т /177/. В результате вулканической деятельности в литосферу ежегодно поступает около 3 млрд. тонн железа в виде магматических расплавов, причем почти 90 % приходится на подводные вулканы. Значительное количество железа содержится в железомарганцевых конкрециях (ЖМК) Мирового океана. Химический состав океанских конкреций крайне разнообразен: в них в тех или иных количествах присутствуют практически все элементы периодической системы. В таблице приведены средние содержания главных рудных элементов в морских железомарганцевых конкрециях и в глубоководных пелагических осадках /178, 179/.
Таблица 12. Средний химический состав железомарганцевых конкреций Мирового океана
Элемент |
Диапазон содержаний, % (масс. доля) |
Средние содержания, % |
||||
Океаны |
Моря |
Глубоко- водные осадки |
||||
Тихий |
Индийский |
Атлантический |
||||
Mn |
0,04 – 50,3 |
21,600 |
15,25 |
13,250 |
5,300 |
0,300 |
Fe |
0,3 – 50,0 |
10,400 |
14,20 |
17,000 |
19,100 |
3,800 |
Ni |
0,08 – 2,48 |
0,900 |
0,430 |
0,320 |
0,015 |
0,010 |
Cu |
0,003 – 1,9 |
0,600 |
0,250 |
0,130 |
0,003 |
0,024 |
Co |
0,001 – 2,53 |
0,260 |
0,210 |
0,270 |
0,010 |
0,006 |
Zn |
0,01 – 9,0 |
0,110 |
0,149 |
0,123 |
0,010 |
0,013 |
Pb |
0,01 – 7,5 |
0,074 |
0,100 |
0,140 |
0,003 |
0,004 |
Mo |
0,0007 –0,22 |
0,040 |
0,030 |
0,037 |
0,010 |
0,001 |
Проблема генезиса железомарганцевых конкреций сопряжена с оценкой скорости их роста /180/. Согласно результатам датирования конкреций традиционными радиометрическими методами, скорость их роста оценивается миллиметрами за миллион лет, т.е. намного ниже скоростей отложения осадков. По другим данным, в частности по возрасту органических остатков и по изотопному составу гелия, конкреции растут в сотни и тысячи раз быстрее и могут, как предполагают, оказаться моложе подстилающих осадков /181/.
Окраинные районы океанов являются «фабрикой», поставляющей Mn и Fe в океан. В морские и океанические воды металлы попадают, в том числе и при подводных вулканических процессах, как в виде примеси в породообразующих и акцессорных минералах, так и из флюидов. Во флюидах подводных гидротермальных систем (курильщики) содержание металлов в 10-50 раз выше, чем в океанической воде. В ламинарной части гидротермального факела происходит образование свежего гидроксида железа, который является сильнейшим сорбентом /182/. Он, как и другие сорбенты, захватывает металлы. Осаждение гидроксида железа приводит к обогащению осадков этими металлами.
Транспортировка вещества с континентов в океанические бассейны осуществляется в виде механического переноса (18,4 1015 г/год) и переноса в растворенном виде (4,3 1015 г/год). Большая часть вещества переносится реками: 87% от механического переноса и 91% от переноса в растворенном виде /183/. Исходя из содержания металла в верхней континентальной коре, можно оценить его общий снос за год в бассейны накопления.
В настоящее время скорость химической эрозии на различных континентах различается в 3-4, а механической примерно в 25 раз, что определяется тектонической активностью и климатом региона. От этого зависит количество и характер вещества, сносимого в разные части Мирового океана. На длительность нахождения элемента в природных водах существенно влияет величина электростатического действия энергии связи элемент - кислород. Путем геохимических сопоставлений доказано, что основная часть (62 – 88 %) Fe, Mn, Pb, Zn поступает в глубоководные осадки из гидротермальных источников, в то время как основная часть других металлов (54 – 94 %) Ba, Ni, Co, Zr, La, Sm – из океанской воды /182, 183/.
В связи со сложностью количественной оценки движения железа с мантийными флюидами и при формировании океанических конкреций, эти процессы в глобальном элементопотоке железа не учитывались.
Содержание железа в почвах колеблется от 2 до 550 мг/кг /184/. Среднее значение концентрации железа в органическом веществе педосферы составляет 200 – 300 мкг/г сухого вещества. В целом масса железа в педосфере оценивается в 31,436 млрд. т /185/. В зонах металлургических комбинатов (производительностью свыше 5 млн. т стали в год) в твердых выбросах содержится от 22000 до 31000 мг железа /кг пыли. Поэтому в прилегающие к комбинатам почвы ежегодно поступает до 31 – 42 мг железа /кг сухого вещества /186, 187/.
Железо, растворенное в природных и техногенных водах, представлено соединениями, находящимися в ионной форме, в виде гидроксокомплекса и комплексов с растворенными неорганическими и органическими веществами природных вод. Содержание железа в поверхностных водах суши составляет десятые доли миллиграмма, вблизи болот – единицы миллиграммов. Наибольшие концентрации железа (до нескольких десятков и сотен миллиграммов в 1 дм3) наблюдаются в подземных водах с низкими значениями рН.
Интенсивность миграции железа в подземных водах зоны гипергенеза /132, 188/:
содержание в водах – 5,47*10-4 г/л
содержание катионов железа (Fe2+, Fe3+) в речных водах – 0,04 мг/кг
Главными источниками соединений железа в поверхностных водах являются процессы химического выветривания горных пород, сопровождающиеся их механическим разрушением и растворением. Значительные количества железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и с сельскохозяйственными стоками.
По данным /189/ содержание железа в речных водах и озерной воде составляет ~ 10-4 %, в морской воде ~2·10-7%, в подземных водах ~10-5%.
Таблица 13. Содержание железа в источниках воды. /132, 188, 189/
Источник |
Объем, км3 |
Масса воды, т |
Содержание железа |
|
% (масс. доля) |
тонны |
|||
Океаны, моря, и заливы |
1,338·109 |
1,37·1018 |
2·10-7 |
2,74·109 |
Грунтовые воды |
2,34·107 |
2,34·1016 |
1·10-5 |
2,34·109 |
Реки |
2,12·103 |
2,12·1012 |
1·10-4 |
2,12·106 |
Озера |
7,5·105 |
7,50·1014 |
1·10-4 |
7,50·108 |
Таким образом, суммарное количество железа в гидросфере составляет 5,83·109 т. Годовой речной сток оценивается /178/ в 991·106 т железа в год, из которого 963·106 т составляют взвешенные формы, а 28·106 – растворенные.
Естественными источниками выбросов железа в атмосферу являются: вулканическая деятельность, выветривание горных пород, выдувание почвы, дым от лесных и степных пожаров, метеоритная пыль. Принято считать, что средняя концентрация естественной пыли в атмосфере в настоящее время не подвержена значительным колебаниям. /190, 191/. В таблице 14 представлено количество аэрозолей, поступающих от различных источников /190/, и содержание в них железа.
Таблица 14. Количество аэрозолей и содержание в них железа /190, 191/
Источник образования аэрозолей |
Количество аэрозолей, млн. т/год |
Среднее содержание железа в аэрозолях, % |
Почвенная пыль |
200–300 |
0,025 |
Вулканы |
70–80 |
4,65 |
Лесные пожары |
70–75 |
0,02 |
Сжигание топлива |
24–30 |
4,65 |
Металлургия |
12–15 |
60 |
Сельское хозяйство |
4–5 |
0,02 |
Всего |
730–1145 |
69,4 |
Подавляющая часть пыли аэрозолей быстро оседает с крупными частицами, и над континентом в атмосфере постоянно находится около 1 % этого количества /191/. Таким образом, количество железа, постоянно находящееся в атмосфере, составляет:13,38 + 3,56 = 16,94 1% - 0,17 млн. т.
Таблица 15. Мировое поступление железа в атмосферу, млн. т/год
Источник поступления |
Масса железа, млн. т/год |
% |
Природные источники |
||
Выветривание почв |
0,06 |
1,76 |
Вулканическая пыль |
3,48 |
97,83 |
Лесные пожары |
0,02 |
0,41 |
Всего |
3,56 |
100 |
Антропогенные источники |
||
Сжигание топлива |
1,25 |
13,5 |
Черная металлургия |
8,13 |
86,4 |
Другие отрасли индустрии и сельского хозяйства |
4,00 |
0,01 |
|
13,38 |
100 |
Поведение железа в биосфере. Железо присутствует в организмах всех животных и в растениях (в среднем около 0,02 %); оно необходимо главным образом для кислородного обмена и окислительных процессов. Железо активно вовлекается в биологический круговорот, т.к. входит в состав многих ферментов. Характерные содержания железа в организмах животных и в растениях представлены в таблице 16 /184, 189, 192/. Таким образом, суммарное количество железа, постоянно находящегося в биосфере, составляет 487,5 млн. т. В биоте суши находится 485,89 млн. т железа, а 1,613 млн. т – в океане.
Таблица 16. Характерные содержания железа в организмах животных и в растениях
Объекты биосферы |
Масса, т |
Пределы содержания железа, % (масс. доля) |
Используемое в расчетах значение, % (масс. доля) |
Масса железа, т |
Морские животные |
28,1·109 |
10 – 90·10-4 |
50·10-4 |
1,405·106 |
Морские растения |
1,89·109 |
20 – 200·10-4 |
110·10-4 |
0,208 106 |
Животные суши |
1,94·1010 |
0,02 |
0,02 |
3,89·106 |
Растения суши |
2,41·1012 |
0,02 |
0,02 |
482,0·106 |
Железо, мигрирующее в ходе биологических процессов. Поскольку масса растений суши составляет ~ 98 % от общей массы биоты, то в расчетах учитываем только движение железа в процессах жизнедеятельности растений. Захват железа растительностью оценивается количеством 516 кг/км2 в течение года /189, 190/. Общая площадь земельного фонда всей планеты составляет 134 млн. км2 /193/, а площадь суши, на которой осуществляется вовлечение железа в биологический круговорот - 75 % от общей площади суши или 100,5 млн. км2. В этом случае количество железа в биологическом круговороте: 100,5·106·0,516 = 51,9·106 т железа в год, что подтверждается данными источника /178/, согласно которым, вовлечение железа в биологический круговорот достигает 34·106 т/год.
Схема элементопотока железа в природной среде, приведенная на рисунке 5, не учитывает движение железа с магматическими флюидами и рассолами, поступающими из недр земли, и в результате тектонической деятельности. Поэтому этот элементопоток можно назвать своеобразным «мгновенным» природным элементопотоком, так как масштабы годового переноса железа учтенными природными средами представляют собой малую величину в сравнении с длительностью Большого геохимического цикла миграции элементов.
Таблица 17. Наиболее значимые параметры движения железа в природной среде.
Статья движения железа |
млн. т/год |
% |
Извержения магмы |
3000,0 |
74,1 |
Эоловый перенос |
3,6 |
0,1 |
Биологический круговорот |
51,9 |
1,3 |
Речной сток |
991,0 |
24,5 |
Итого |
4046,5 |
100,00 |
Движение железа в техносфере. Учитывалось только движение железа, связанное с процессами и изделиями черной металлургии. По оценкам /158/ на его долю приходится свыше 95 % всего железа, мигрирующего в техносфере. Расчеты производились для периода 2004…2005 годов для возможности сравнения с параметрами элементопотоков марганца, хрома, ванадия и галлия, которые определены в последующих разделах. Были использованы следующие источники /103, 194…215/. Результаты расчетов приведены в таблицах 18 и 19. На основе полученных данных можно построить «глобальный» элементопоток железа в природной и техногенной среде (Рисунок 5).
Таблица 18. Движение железа с материалами производственного (в том числе отложенного) рециклинга
Материалы производственного рециклинга |
тыс. т |
% |
Материалы, поступающие в агломерационное и доменное производство |
10631 |
5,14 |
Шлам и шлак из отвалов (материалы отложенного рециклинга) |
9589 |
4,63 |
Вторичные материалы из прокатного производства (обрезь, брак и пр.) |
186666 |
90,23 |
Итого |
206886 |
100 |
Рисунок 5. Основные направления элементопотока железа в природной и техногенной среде.
Таблица 19. Макробаланс производства железа
Статьи баланса |
тыс. т/год |
Приход |
|
Поступает с железной рудой |
990915 |
Поступает с ферросплавами |
10519 |
Поступает из металлофонда |
227469 |
Поступает из шлаковых отвалов и шламонакопителей |
9589 |
Итого |
1238492 |
Расход |
|
Поступает в сферу потребления |
960056 |
в том числе: готовая продукция |
945402 |
попутная продукция |
14654 |
Поступает в техногенные месторождения |
274013 |
в том числе: хвостохранилища |
246435 |
шламонакопители и шлаковые отвалы |
27578 |
Выбросы в атмосферу и гидросферу |
12872 |