Геохимия

ЛЕКЦИЯ  №!

Геохимия  – наука, рассматривающая закономерности перемещения и концентрации атомов различных химических элементов в зависимости от внешних и внутренних факторов.  

Внутренние  факторы определяются особенностями строения самих атомов.

Внешние факторы зависят от условий среды, включая формы нахождения как изучаемых элементов, так и элементов, создающих среду, в которой они находятся.

Часто геохимию определяют как химию Земли, однако это очень условное определение, зависящее от многих условий:

1. Неравномерная распространенность химических элементов в земной коре → в земной коре содержание одних элементов в миллиарды раз меньше, чем других → у части элементов остаются нереализованными многие химические свойства.

При этом в лабораториях не возникает проблемы для осуществления реакций с равными молярными концентрациями элементов.

Ограниченность (количественная) внешних факторов (температуры, давления, освещенности и др.) в условиях земной коры и, особенно, в условиях биосферы в отличие  от тех, которые существуют в лабораториях → ограничение проявления многих свойств элементов.  

В геохимии окружающей среды рассматривается в основном именно Биосфера.

Разнообразные формы нахождения химических элементов  в земной коре -  не только в виде солей или растворов, но и в составе систем относительно устойчивых химических равновесий (комплексные соединения, минералы), в которых элементы не могут проявлять свои собственные свойства. Для этого должны быть разрушены формы совместного нахождения элементов.

В природных  условиях практически никогда не происходят реакции только между отдельными определенными элементами - в них участвуют очень многие химические элементы. (В соответствии с законом Кларка-Вернадского: в каждом природном объекте присутствуют все химические элементы).

Все элементы участвуют  в определенных химических реакциях. Многие из этих элементов ускоряют или замедляют реакции, другие –  создают определенные щелочно-кислотные  условия, часть из них входит в  состав новых образований в виде закономерных и случайных примесей. 

Геохимия изучает всю историю атомов химических элементов Земли (В.И. Вернадский – основатель геохимии).

Геохимия  окружающей среды  – изучает геохимические процессы в верхней оболочке Земли, населенной животными и растительными организмами, - биосфере.

Понятие об окружающей человека среде включает комплекс факторов, определяющих взаимодействия четырех  геосфер: биосферы, атмосферы, гидросферы и поверхностной части литосферы.

История Геохимии

Время рождения геохимии - 1908-1910 гг;

местом  ее рождения считается МГУ, кафедра минералогии, которой руководил В.И. Вернадский.

Основоположники геохимии - академик А.Е. Ферсман и норвежский ученый В.М. Гольдшмидт, ими были открыты первые геохимические законы и закономерности.

В 1889 г Ф.У. Кларк (американский химик) на основании почти тысячи точных анализов систематически отобранных горных пород составил первую сводуную таблицу среднего химического состава земной коры. Величины, характеризующие среднее содержание химических элементов, стали называть кларками.

Основные  направления Геохимии

Геохимия  ландшафта – изучает закономерности миграции, рассеяния и концентрации атомов в ландшафтах.

Геохимия  техногенеза (природных  и техногенных  ландшафтов) - изучает миграцию и концентрацию химических элементов, происходящих в биосфере под воздействием техногенных и антропогенных процессов.

Геохимические методы поисков полезных ископаемых по вторичным литохимическим ореолам на основании  геохимических процессов, происходящих в почвах.

Распространенность  химических элементов

Закон Кларка-Вернадского  о всеобщем рассеянии  химических элементов - все элементы есть везде, речь может идти только о недостаточной чувствительности анализа, не позволяющего определить содержание того или иного элемента в изучаемой системе.

Существует несколько причин неравномерной распространенности элементов.

1. Кларки элементов в основном связаны со строением атомного ядра — в земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтронов.  

В земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки периодической системы, ядра которых содержат небольшое число протонов и нейтронов. После Fe (№ 26) нет ни одного элемента с большим кларком.

Также в земной коре преобладают элементы с четными порядковыми номерами и четными атомными массами, т.е. у которых атомные ядра содержат четное число протонов и нейтронов; кроме того среди атомов одного и того же элемента преобладают изотопы, массовые числа которых кратны 4.

Способность к минералообразованию, количеству самостоятельных  минеральных видов зависит от:

• химических свойств элемента,
• его кларка.

 

 При образовании  минералов редкие катионы обычно  связываются с распространенными  анионами, а редкие анионы —  с распространенными катионами.

Основной  геохимический закон  В.М. Гольдшмидта: кларки элементов зависят от строения атомного ядра, а их миграция — от наружных электронов, определяющих химические свойства элементов.

Системный подход в геохимии

Системный подход включает в себя теорию и методологию  изучения миграции и концентрации химических элементов в Биосфере и, в частности, в ландшафтах и позволяет получить целостное представление о геохимическом составе основных геосфер Земли.

БИОКОСНЫЕ СИСТЕМЫ – системы, в которых живые организмы и неорганическая материя тесно связаны между собой и взаимообусловлены.

По степени  сложности выделяется несколько  уровней организации биокосных  систем:

1. Низший “доландшафтный  уровень” — подсистемы ландшафта: почвы, коры выветривания, континентальные отложения, поверхностные и грунтовые воды, приземная атмосфера.  

Ландшафт (природный) — это сложная неравновесная динамическая система земной поверхности, в которой происходит взаимодействие и взаимопроникновение элементов лито-, гидро- и атмосферы.

3. Надландшафтный уровень  организации - биосфера Земли в целом, Мировой океан и др. 

Деятельность  человечества привела к преобразованию природных ландшафтов в техногенные (культурные, антропогенные), которые  относятся к более сложному уровню организации со своей иерархией  систем (техногенные почвы и грунтовые  воды, техногенные ландшафты, ноосфера). 

Элементарный  ландшафт (Полынов Б.Б.)- представляет один определенный тип рельефа, сложенный одной породой или наносом и покрытый в каждый момент своего существования определенным растительным сообществом.

Все эти условия создают определенную разность почвы и свидетельствуют об одинаковом на протяжении элементарного ландшафта развитии взаимодействия между горными породами и организмами.

Радиальная  геохимическая структура  -неоднородность элементарного ландшафта в вертикальном направлении  вследствие миграции химических элементов; характеризуется ландшафтно-геохимическими коэффициентами (R-анализ).

Строение  и состав Земли

На основе данных изучения особенностей распространения  сейсмических волн планету разделяют на три главные части:

• земная кора или литосфера
• мантия
• ядро.

К земной коре обычно относят еще атмосферу и гидросферу.

Ядро. Предполагается, что внешняя часть ядра (до глубин 5000 км) – жидкая, внутренняя – твердая, с плотностью 12-13 г/см3.

Ядро состоит  из Fe и Ni в соотношении 9:1. В виде примеси в нем могут находиться Si, C, Al, O, на долю которых приходится около 1%.

 Такое содержание  элементов примерно соответствует  составу железных метеоритов. Большая  часть примесей находится во  внешнем ядре.

Нижняя  мантия. Граница этой оболочки с ядром проходит на глубине 2900 км.

В настоящее  время полагают, что в ее составе  преобладают оксиды: периклаз (MgO), стишовит (SiO2), корунд (Al2O3), вюстит (FeO), шпинели [(Mg,Fe)Al2O4].

Помимо этого  существует представление о глубинных разломах – своеобразных каналах миграции элементов, соединяющих земную кору с нижней мантией.

Переходная  зона. Располагается на глубине 400-1000 км и имеет силикатный состав. Ее большая плотность объясняется преобладанием стишовита, шпинели и периклаза.

Верхняя мантия. По составу верхняя мантия (ее нижняя граница проходит в среднем на глубине 400 км) аналогична каменным метеоритам-хондритам:

• около 40% приходится на оливин,
• 30% - пироксены,
• 10-12% - железо-никелевый сплав,
• остальную часть составляют плагиоклазы и троилит (FeS).

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Земная  кора – верхняя оболочка Земли, ее две основные структуры – континентальная (материковая) и океаническая. 

Океаническая  кора по вертикали расчленяется на три части – слоя: нижний, средний и верхний.

Нижний  слой. Его верхняя часть состоит предположительно из габбро, включения которого встречаются в крупных трансформных разломах.

Нижняя часть  имеет габбро-серпентинитовый состав. Общая мощность нижнего слоя колеблется от 2 до 5 км.

Средний слой. Его верхняя часть представлена подушечными лавами толеитовых базальтов океанического типа. Под ними располагается нижняя часть слоя с дайковым комплексом того же состава. Общая мощность данного (базальтового) слоя составляет в среднем около 1,5 км.

Верхний слой (осадочный). Основанием слоя являются тонкие металлоносные осадки с наиболее высокой концентрацией оксидов железа.

Средняя часть  этого слоя очень часто слагается  карбонатными осадками, иногда в разрезах встречаются вулканогенные отложения.

К верхней части  слоя относятся бескарбонатные красные глубоководные глины. Ближе к континентам в составе этой части слоя возрастает доля терригенного материала, сносимого с суши. Особенно она велика вблизи дельт больших рек и на материковых склонах.

Значительную  часть осадков, расположенных непосредственно под водной толщей океанов, составляют органогенные (карбонатные и кремнистые) осадки.

В среднем общая  мощность верхнего  слоя составляет около 0,5 км, при этом возрастая вблизи континентов до 10-15 км, что связано  с явлением лавинной седиментации, при которой практически весь терригенный материал, сносимый с континентов, отлагается в прибрежных участках. Следует отметить, что этот верхний слой не всегда присутствует в составе океанической коры. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЛЕКЦИЯ  №2

ГЕОХИМИЯ  ЛИТОСФЕРЫ

Литосфера – твердая внешняя оболочка Земли.  

На  континентах и  под океанами имеет  различные мощности и состав:

• на материках от 30 до 70 км,
• на дне океанов – от 5 до 15 км,
• под горными хребтами имеет наибольшую мощность – до 75 км.

Химический состав Земной коры впервые установлен Ф.У. Кларком.

 

Достаточно точно  установлены кларки распространенных типов пород;

земная  кора – совокупность различных горных пород находящимся в различном соотношении, поэтому даются усредненные кларки земной коры.

Состав  Земной коры: 

• кларк О – 47%;
• на втором месте Si – 29,5%,
• на третьем – Al – 8,05%; Fe – 4,65%; Са – 2,96%; Na – 2,5%; К – 2,5%; Mg – 1,87%; Ti – 0,45%;  в сумме это составляет 99,48%;
• суммарное количество остальных 80 элементов не превышает 1%.