Геохимия окружающей среды

Коллоидные  частицы металлов в атмосфере  можно разделить на  две группы:

• ZN=CU=MG=CR=PB=V=NI=AS
• CD=SE=CO=HG=SB=SC

Концентрация  эл второй группы примерно на порядок  ниже. Чем в первой (Добровольский)

7. Техногенные соединения – соединения, не имеющие природных аналогов.

Распространенные в самых различных регионах, чаще всего встречаются в почвах, донных отложениях и водах.

Техногенная форма нахождения элементов  включает

• Искусственные полимеры
• Пластмассы
• Сплавы металлов
• Пестициды
• Гербициды
• ПАВ

Соединения, встречаются в природе, но не образующиеся природных путем в тех конкретных  условиях, где они были выявлены.

8. Магматические расплавы – это сложные, изменчивые (в связи с изменением термодинамических условий,), насыщение газами системы.

Оказывают влияние на распределение  и перераспределение элементы в земной коре очень.

 В магме существуют 2 основных вида комплексов:

• Октаэдрические группы (среди них преобладают [MGO6]  [CAO6])
• Тетраэдрические ([SIO4] [ALO4])

Кроме них  существуют: свободные подвижные  катионы.

• Атомы растворенных металлов
• Соединения типа FES  и FE3O4 являющиеся электронными жидкостями
• Отдельные молекулы (прежде всего газов)

9. Рассеяние (1909 Вернадский)

Особая форма нахождения химических элементов земной коры, связанная с расположением атомов в «пустых» пространствах кристаллических решеток.

Рассеянию благоприятствует  атмосфера: газ, попавший в смесь других газов. Полностью в ней растворяется.

Пределом рассеяния считается  нахождение 1 атома в 1м3 вещества.

Для ряда элементов ( ксеона, радона и др.) это состояние является обычным.

Вообще в природе часто встречаются не нейтральные атомы, и ионы.

Число ионов, принимающих участие в ГХ процессах, превышает число эл и доходит до 150.

Каждый ион (по Вернадскому), должен рассматриваться в процессах миграции как «особый химический элемент»

 

 

Лекция 3 20.09.12

Минералогический  состав горных пород

Минералогический  состав рыхлых почвообразующих пород и почв (искл торфяных) состоит из:

Первичных минералов, перешедших в мелкозем из разрушенных плотных изверженных . метаморфических или осад пород

Вторичных глинистых минералов, продукт трансформации первичные минералы или новообразованные в ходе выветривания и почвообразования

Первичные минералы

Сосредоточены в гранулометрических фракциях размером более 0,001мм (крупной фракции почв)

Горные породы, в соответствии с главными геологическими процессами их образования, разделяют на три генетических класса:

• Магматические горные породы – продукты затвердевания природных силикатных расплавов (магм)
• Осадочные горные породы – продукты преобразования осадков, накопившиеся на земной поверхности в результате разложения других, ранее существовавших пород и жизнедеятельности организмов
• Метаморфические – продукты перекристаллизации магматических и осадочных пород без их расплавления.

 

Магматические горные породы (инфузивные и эффузивные) – характеризуются содержанием полевых шпатов (60) пироксенов и амфиболов (17) кварца (12), слюд(4), и др. силикатов (6).

 

Осадочные

• Обломочные
• Биогенные (камень, уголь, Торф, нефть и др.)

Метаморфические – характеризуются содержанием полевых шпатов, плагиоклаза, слюд, карбонатов.

Рыхлые  почвообразующие породы (за исключением элювия изверженных пород) – продукт многократного переотложения и длительного изменения материала плотных пород под действием физических и биохимических агентов = накопление более устойчивого к выветриванию кварца.

Содержание первичных минералов  в различных отложениях следующее:

• В песках составляет 90-98 % массы мелкозема,
• В суглинках 50-80%
• В глинах 10-12%

 

Группы породообразующих минералов (данные в порядке возрастания устойчивости к выветриванию)

Карбонаты (кальцит, доломит)= оливин=пироксены=амфиболы (роговая обманка и др.) = биотит=хлориты=эпидоты=плагиокзы средние и основные=плагиоказы кислые=калиево-натриевые полевые шпаты=апатит.

Неустойчивые  к выветриванию первичные минералы служат источником ряда элементов питания  – P,K,Ca и другие

Содержание  минералов группы устойчивых к выветриванию позволяет в обобщенной форме  судить о степени выветривания первичных  минералов в профиле почв.

Коэффициент  устойчивости – отношение суммы  устойчивости минералов к неустойчивым.

Вторичные минералы почв

Сосредоточены в тонкодисперсных гранулометрических фракциях размером больше 0,001 мм и представлены глинистыми минералами, минералами оксидов  железа и алюминия, а так же минералами солями.

Глинистые

Составляют основную часть вторичных минералов

К главным :

• Минералы группы каолита
• Гидрослюды

Общие свойства для всех глинистых минералов:

• Слоистое кристолическое строение
• Высокая дисперсность
• Поглотительная способность

При этом отдельные из группы могут различаться в своем строении и свойствах.

М.Г. каолинита

Относятся к диоктаэдрическим слоистым алюмосиликатам, имеющих жесткую кристаллическую решетку.

• Емкость поглощения каолинита не превышает 25 мг.экв\100г
• Минерал не впитывает воду межпакетное пространство= не обладает способ к набуханию.

М.Г. гидрослюды (гр иллита)

Трехслойные алюмосиликаты с нерасширяющейся  решеткой.

• Емкость поглощения гидрослюд составляет  45-50 мг.экв\100г
• Гидрослюды содержат значительное кол калия (до 6-8% K₂O) , частично усеваемого растениями.

Минералы группы гидрослюд широко распространены  в осадочных породах.

М. монтмориллонитовой группы (гр селиката)

Характеризуется трехслойным строением с сильно расширяющейся при увлажнении решёткой

• Емкость поглощения монтмориллонита составляет 80-120 мг.экв\100г
• Гидрофильны, что обусловлено особенностями строения подвижной кристаллической решетки.
• Высоко дисперсны (сод фракций менее 0,2 – 0,3 мкм достигает 49 – 50 %)

Для минералов    характерны разнообразные изоморфные замещения :

• Бейделита – замещения части кремния на алюминия

Г. смешаннослойных М.

Состоят из слоев  различных индивидуальных минералов = обозначаются составными названиями, например: гидрослюда- монтмориллонит и др

Обладают  различными характеристиками (химическими, физическими свойствами, емкостью поглощения)

 В зависимости  от характера преслаивания и доли участия индивид минералов.

М.Г. хлориты

Слоистые  силикаты, сод в межслоевых промежутках  полимерные ионы гидроксида алюминия

Могут быть по происхождению как первичными  так и вторичными.

Кристаллическая решетка вторичных состоит из чередования слоем слюдаяного и бруситового типов.

 

Основные  пути гипергенного образования глинистых минералов:

1. Постепенное стадийное изменение первичных минералов и глинистые с унаследованием их кристаллической структуры = слоистые силикаты – слюды и хлориты.
2. Выветривание полевых шпатов, отртосиликатов и др. = полное разрушение исходных минералов= синтез новых минералов из образовавшихся продуктов при их взаимодействии  и кристаллизации.

Минералы  гидроксидов железа и алюминия

Наиболее  распространены:

• Из минералов грeggs железа – гематит и гетит
• Из минералов группы Алюминия – гиббсит

Минералы  гидроксидов железа и алюминия встречаются  в иллювиальных горизонтах подзолистых  почв, желтоземах и красноземах.

Гетит и гиббсит в значительном кол присутствуют в ферралитных и железистых почвах, где образуются из аморфных гидратов оксидов железа и алюминия при их кристаллизации.

Аллофаны

Формируются в почвах при взаимодействии кремнекислоты  и гидроксидов алюминия, образовавшихся при разрушении первичных и вторичных  минералов, золы растительного остатков.

Аллофаны в почве повышают:

• Емкость поглощения
• Гидрофильность
• липкость
• набухаемость

Минералы  – соли

встречаются в виде примесей к глинистым минералам  в почвах аридных и семиаридных зон (иногда в почвах могут присутствовать минералы – соли, являющиеся по своему происхождению первичными).

Наиболее  распространенные минералы-соли:

• Карбонаты – кальцит, аргонит,доломит (CaCO3×MgCO3)
• Сульфаты – гипс(CaSO4×2H2o), ангилрид(CaSO4), мирабиллит(N2SO4×10H2O)
• Хлориды – галит (NaCL)

 

Лекция  №4

Гомосфера – нижняя, прилегающая к земной поверхности часть атмосферы, до 80км.

Гетеросфера – над гомосферой.

Главные компоненты гомосферы: N2, O2

Второстепенные: Ar, CO2

Микрокомпоненты: Ne, He, Kr, Xe, H2

Ксенокомпоненты: CH4, N2O, O3, Rn

АЗОТ

Азот –  в земной коре – 16*10 20 моль,  них:

В атмосфере  – 2,7* 10²⁰ моль

В океанических водах – 0,014* 10²⁰ моль

В горных породах литосферы – 10,3*10²⁰ моль

В биогеохимическом круговороте уч только 0,0014*10²⁰ моль

БГ цикл азота

1. Аккумуляция и фиксация микроорганизмами: N₂=NH₃ или NH4+
2. Окисление бактериями: NH₃ или NH₄+ +O₂=NO₂+H₂O затем нитрификация нитробактериями: NO₂- +O₂=NO₃-
3. Ассимиляция растениями нитратов и нитритов=восстановление их до NH3= построение аминогрупп сложных аминокислот= питание животных.
4. Денитрификация бактериями в анаэробных условиях= восстановление нитрит- и нитрат-ионов=молекулярный азот или N₂O
5. Разложение растительных остатков, окисление и распад аминокислот: COOH-CH₂-NH₂+O₂=CO₂+H₂O+NH₃

Кислород – запас в атмосфере – 1,5*10²⁰ моль

Основной  источник поступления в окружающую среду – фотосинтез:

• Наземные растения выделяют 11,3%
• Водные растения выделяют  - 88,7%

Связывание свободного кислорода атмосферы:

Биогенное

• Окисление соединений закисного железа= образование окисного железа
• Окисление Mn²⁺=MnO²
• Окисление сульфидов = SO₄ ^2-
• Окисление органических остатков

Техногенные

• Сжигание любого органического топлива
• Выжигание и вырубка лесного фонда

Второстепенные компоненты атмосферы

Аргон – инертный газ атмосферы, образуется в  результате распада радиоактивного изотопа калия: K⁴⁰+e=Ar⁴⁰

Период полураспада  K40=1.3 млрд. лет= аргон постоянно поступает в атмосферу из литосферы.

Изотопный состав аргона атмосферы:

Ar⁴⁰ – 96,6%

Ar³⁸ – 0,063%

Ar³⁶- 0,337%

Углекислый  газ

Фотосинтез  – связывание углерода из воздуха= образование сложных углеводородов  – CHOH-

Обратный  процесс – дыхание животных организмов: окисление углеводородов→CO₂ →поступление в тропосферу.

Биологический цикл углерода в окружающей среде

CO2→CHOH-→CO2

Или (по Вернадскому)жизненный цикл CO2↔живое вещество

микрокомпоненты атмосферы

редкие инертные газы -  не вступают в хим реакции.

Наиболее  распростр – аргон

Наименее  распростр - радон 

Неон – находится в атмосфере в виде 3 изотопов

• Ne20 (90,92%) – поступает в атмосферу в процессе разрушения магматических горных пород ,а так же вулканических источников
• Ne21 (0,257%) и Ne22(8,82%) – имеют радиогенное происхождение

Криптон и ксенон – находятся в атмосфере в состоянии крайнего рассеяния

Источники поступления  в атмосферу – вулканические  эманации и газы термальных источников

Гелий – конечный продукт радиоактивного распада урана и тория.

Способен накапливаться в литосфере:

• Рудничные газы
• Природные газы, богатые азотом
• Газы термальных источников

Водород

Источники поступления:

• Вулканические процессы
• Магматические и осадочные породы
• Биогенные процессы, идущие при участии видообразующих бактерий