Геохимия окружающей среды

Геохимия  окружающей среды

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

Внутренние  факторы определяют особенность строения самих атомов.

Внешние факторы зависят от условий среды.

Основоположники: Ферсман, Гольдшмидт, Кларк.

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

Геохимия  техногенеза – изучает миграцию и концентрацию химических элементов, происходящих в биосфере под воздействием техногенных и антропогенных процессов.

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 изученной системе.

Причины неравномерного распределения элементов.

Кларки элементов  связаны со строением атомного ядра – в земной коре преобладают ядра с небольшим числом протонов и  нейтронов.

В земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки периодической  системы, ядра, которые содержат небольшое  число протонов и нейтронов (до железа-легкие, после-тяжелые).

Способность элементов к минералообразованию, количеству самостоятельных минеральных видов зависит от: химических свойств элементов; его кларка.

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

 Системный подход геохимии

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

Биокосные системы – системы, в которых живые организмы и неорганическая материя тесно связаны между собой и взаимообусловлены

По степени  сложности выделяются несколько  уровней организации биокостных систем

1. Низкий «доландшафтный уровень» - подсистемы ландшафта: почвы. Коры, выветривания, континентальные отложения,  Поверхностные и грунтовые воды, приземные атмосфера
2. Ландшафт (природный) – сложная неравновесная динамическая система земной поверхности, в которой происходит взаимодействие и взаимопроникание лито- гидро- и атмосферы
3. Надландшафтный уровень организации – биосфера земли в целом, мир океан и др

 

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

Радиальная  геохимическая структура – неоднородность элементарного ландшафта в вертик направлении в след миграции хим. элементов; характеризуется геохимическими коэффициентами (R – анализ ).

Строение  и состав земли

На основе данных изучения особенностей распространения сейсмо волн 3 части:

-Литосфера или земная кора

-Мантия

-Ядро

К земной коре обычно относят еще атмосферу  и гидросферу

 

Ядро - предполагается, что внешняя часть ядра (до гл – 5000км) – жидкая

 Fe, Ni в соотношении 9:1

Нижняя мантия оксиды: периклаз, стишовит, корунд, вюстит, шпинелли mgO, SiO2, AL2O3, feO, Mg,fe

Переходная  зона верхняя мантия аналогична каменным метеоритам около 40 % оливин, 30% пироксены 10% железо – ник сплав плагиоказы триолит остальная часть

Земная  кора – верхняя оболочка земли , ее две основные структуры – континентальная и океаническая

Океаническая  кора по вертикали расчленяется на 3 части – нижний верхний средний

Нижний слой – верхняя часть его предположительно состоит из габбро, нижняя часть  габбро – серпентинитовый общая сощность слоя от 2 до 5 км

Средний слой верхняя часть его подушечные лавы теолитоавых базальтов океанического типа, под ними располагаются  с дайковым комплексом того же состава. Общая мощность 1,5 км

Верхняя часть (осадочный) основанием является тонкие металлоносные осадки с наиболее высокой концентрацией оксидов железа. Средняя часть – карбонатные осадки. Иногда встречаются вулканогенные отложения. К верхней части слоя бескарбонатные красные глубоководные глины, ближе к континентам возрастает доля терригенного материала.

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.

 

Лекция 2    13.09.12

Геохимия  литосферы

Литосфера – твердая оболочка земли

На континентах  и под океанами имеет различные  мощности и состав

• На материках – от 30 – 70 км
• На дне океанов – 5 – 15 км
• Под горными хребтами имеет наибольшую мощность – до 75 км

Химический  состав земной коры впервые установлен КЛАРКОМ

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

Состав  земной коры

• Кларк О – 47%
• Si –2 9,5%
• Al – 8,05% Fe 4,65 Ca – 2,96 Na – 2,5 K – 2,5 Mg – 1,87 Ti – 0,45 в сумме это составляет 99,48
• Суммарное количество остальных 80 элементов не превышает 1%

Химический  состав горных пород определяется составом главных породообразующих минералов.

Второстепенные  минералы горных пород незначительно  влияют на их хим. состав, хотя иногда определяют распределение некоторых микроэлементов.

Породообразующие минералы подразделяются на :

• Светло- и темноцветные минералы – это соединения кремния, кислорода и нескольких металлических катионов, те силикаты и кварц

Второстепенные  минералы – это в основном окислы железа (магнетит) и сложный окисел железа и титана – ильменит.

Континентальная кора в отличие от океанической неоднородна по строению, ее тоже разделяют на три слоя:

• Верхний – осадочный
• Средний и нижний состоят из кристаллических пород

Нижний  слой состоит из магматических пород среднего и основного состава.

Средний слой (гранитный), хотя он не является полным аналогом гранитов, – преобладают породы гранитогнейсового состава с подчиненным содержанием базальтов.

Верхний слой отсутствует на древних щитах, среднем мощность слоя на платформах составляет 2 – км.

По составу  преобладают глинистые, песчаные и  карбонатные отложения. Их соотношение  в осадочных породах составляет – 5:3:2. Иногда отмечается присутствие магматических пород различного состава. 

В составе  континентальной коры преобладают  магматические породы, однако 3\4 всей площади суши покрыто осадочными толщами

Среди магматических пород выделяют:

-Кислые

-Основные

-Щелочные

В интрузивных  породах резко преобладают кислые, а в эффузивных – основные.

Выветривание, переотложение и преобразование магматических пород = формирование осадочных пород.

  Магматические горные породы 

В зависимости  от температур изменяется их состав, с  понижением температур идет формирование магматических пород по следующей схеме =

УЛЬТРАОСНОВНЫЕ=ОСНОВНЫЕ= КИСЛЫЕ(ПОРОДЫ).

В высокотемпературных  условиях (стадия протокристализации) собственные минералы образуют в первую очередь четно-атомные элементы с малыми размерами ионных радиусов

Основными такими элементами являются: mg SI O TI FE NI CR PT RU OS С S Ca (у подчеркнутых атомные массы кратны 4)

Стадия  протокристализации проходила в восстановительных условиях в результате этого в основных породах встречаются сульфиды. Карбиды, углерод

Минералы, образовавшиеся на этой стадии,  в условиях биосферы быстро разрушаются; состав их элементы переходят в растворы, становясь доступными живым организмам.

Высокие температуры  способствовали также изоморфному  накоплению в минералах элементов  примесей.

При стадии мезокрасталлизации (снижение температур) в породах в первую очередь увеличивается SiO2 – (окислы кремния) начинают образовываться граниты.

Уменьшается роль двухвалентных катионов (Mg²⁺? Fe2+ Ca2+) и возрастает роль одноковалентных (Na⁺ K⁺)

 При переходе  к кислым породам еще продолжают  преобладать четно-атомные элементы (O, Si) , но резко возрастает роль нечетно – атомных (Al, K,Na,) усложняется структура основных  породообразующих минералов.

 

Осадочные горные породы

Химические  элементы, находившиеся в минеральной  форме. В процессе выветривания начинают переходить в новые формы нахождения= ранее находящиеся вместе, они  концентрируются отдельно в различных  осадочных породах,   а иногда и в разных частях биосферы.

На континентах  основными твердыми природными образованиями, которые служат источниками химических элементов для организмов, являются осадочные породы. Магматические породы и почвы.

 Важнейшие  показатели геохимических условий  существования жизни – кларковые содержания химических элементов различных типов горных пород и почв, а так же доступность этих элементов для организмов.

Геохимическая классификация элементов земной коры (в учебнике геохимии - ГХ)

 

Формы нахождения элементов

Элементы  в земно коре  образуют системы  относительно устойчивых химических равновесий – форм нахождения химических элементов.

В.И. Вернадский объединил основные формы нахождения хим элем след образом:

1. Горные породы и минералы (в ту же группу попали природные воды и газы)
2. Животное вещество
3. Магматический расплав
4. рассеяние

в настоящее  время многие химические элементы находятся в виде тезногенных соединений, не имеющих природных аналогов. Алексеенко (1988) было предложено выделять такие

1. самостоятельные минеральные воды – это важнейшая для литосферы форма существования хим элементов

Элементы, находясь в этой форме, мигрируют совместно в постоянном соотношении меж собой. Миграция отдельных эл, составляющих минералы, возможна только после их разрушения.

К минеральной форме нахождение элементов относятся и коллоидные системы с твердой дисперсной средой9(кристаллозоли и кристаллогели).

2. Изоморфные смеси в минералах – закономерное замещение аналогичных элементов друг другом в кристаллических решетках.

В этой форме могут находиться практически  все изестные эл, а для некоторых она является в литосфере преимущественно  (RB, TE,PR,ND,EU,GD,TB,DY,HO,ER,TU,LU,HF,RE)

Элементы. Образующие изоморфные примеси, мигрируют только совместно с  минералом хозяином. Это сближает изоморф и минерал формы нахождения элементов.

3. Биогенная форма – нахождение элементов в животных и растительных организмах.

Впервые была рассмотрена Вернадским при изучении биосферы

В живых организмах выявлены уже  почти все известные эл.

Большая часть ГХ процессов протекает  при участии живых организмов.

4. Водные растворы составляют отдельную оболочку земли, наз гидросферой.

Основная часть приходится на долю мирового океана, меньшая – на поверхностные  и подземные воды континентов.

Основная часть элементов в рез-те диссоциации в растворах представлена анионами и катионами.

Анионы в основном комплексные, а катионы бывают связаны с  молекулами воды.

Сного элементов переносится в природных водных растворах в виде комплексных соединений, образующихся путем присоединения к ионам нейтральных молекул или ионов противоположного знака.

Эти соединения часто распадаются  на ГХ барьерах. И снова на определенный период образуют ионные растворы.

5. Газовые смеси составляют верхнюю оболочку земли – атмосферы

Значительно количество газов находится  в пустотах и полостях осадочных  и магматических пород, почв в  сорбированным состоянии,  в виде включений минералах

 Газы принимают участие в  гипергенных и гипогенных ГХ процессах.

Постоянные  компоненты атмосферного воздуха: N2, O2, CO2, Ar, Ne, Kr, СH4, H2O

На газовых  и нефтяных месторождениях преобладают  газы CO2 CH4 AR N2 HE H2 H2S

Каменноугольные:  CH4 C2H6 C3H8 H2 CO2 N2

 Среди  газов магматических пород –  углеводороды N2 CO2 H2 AR

Из вулканических газов –SP2 H2S CO2 H2 CL2 N2 AR S2 SO2 H2O CH4 CO

Большинство газов находится в виде молекул, однако, в верхних слоях атмосферы  встреч атомы и ионы

6. Коллоидная форма и сорбированная – распространены в верхних оболочках земли. Они определяют многие закономерности распределение хим. эл.

Основная особенность коллоидного  состояния в-в – гетерогенность – коллоидная система должна состоять не менее чем из двух фаз, при этом одна из них дисперсная фаза (0.1 – 1 мкм)

Коллоиды распространены в океанических и континентальных водах, в атмосфере и на суше.

В природе образование коллоидов  происходит 2 способами:

• Дисперсным (при разрушении в основном кристаллического вещества)
• Конденсационным (при соединении молекулярных частиц до коллоидных размеров)