Геохимия как наука

 
 
 
 
 
 
 

Содержание 

Введение 2

1. Геохимия как наука 2

1.1. Распространённость  химических элементов. 2

1.2. Распределение химических  элементов. 4

1.3. Геохимические процессы. 6

2. Геохимические процессы  в гидросфере, атмосфере  и биосфере. 10

3. Связь геохимии  с другими науками  и почвоведением 11

4. Геохимия ландшафта 13

5. Геохимия почв 13

Заключение 23

Список  литературы 24

 

Введение

 

     Заглядывая  в XXI век, следует отметить, что растет население планеты, усиливается  пресс на почву. "Человек возомнил себя господином, вызов XXI веку - деградация и разрушение почв. Мы уже сейчас имеем угрозу экологической безопасности", - сказал ак. Г.В. Добровольский. Последние 10-15 лет уменьшилось применение органических и минеральных удобрений. Общий баланс элементов питания в почве - отрицательный (минус 100 кг/га). Это значит, что мы живем за счет природного плодородия почв. Усиливаются процессы эрозии, заболачивания, антропогенного воздействия, опустынивания, повышается кислотность и закустаренность и т.д. Здесь уместно привести слова проф. С.В. Зонна. Он сказал: "Раньше мы говорили о деградации почв, сейчас, с полной уверенностью, можем сказать о их разрушении". Нам необходимо разработать нормативы антропогенных нагрузок на почву, индикаторы устойчивого развития почв и системы адаптивно-ландшафтного земледелия с учетом региональных особенностей территорий.

     Глобальные  антропогенные изменения естественной среды обитания человека, главным образом негативного характера, со всей остротой поставили проблему разработки теории сохранения биосферы и географической оболочки, а также их основных компонентов. В этой проблеме важное место занимает вопрос особой охраны почв в контексте рационального использования географической среды - преобразованной цивилизацией части планеты.

     Особую  охрану почв, состоящую в выявлении  и защите от разрушения и деградации эталонных, редких, а также экологически наиболее значимых почвенных объектов, необходимо рассматривать как специальное почвоохранное направление, формирующееся, в основном, в связи с организацией работ по Красной книге почв, предполагающей создание сети почвенных заказников, почвенных памятников природы. В связи с расширением и актуализацией данного направления важно определить его исходное теоретико-методологическое обоснование.

1. Геохимия как наука

     Геохимия - наука о химическом составе Земли, законах распространённости и распределения в ней химических элементов, способах сочетания и миграции атомов в ходе природных процессов. Геохимия - часть космохимии. Единицами сравнения в геохимии являются атомы и ионы.

     Одна  из важнейших задач геохимии - изучение на основе распространённости химических элементов химической эволюции Земли, стремление объяснить на химической основе происхождение и историю Земли, дифференциацию её на оболочки (геосферы). Наибольшее внимание в геохимии уделяется проблемам распространённости и распределения химических элементов.

1.1. Распространённость химических элементов.

     Распространённость  различных химических элементов  определяется синтезом их ядер, происходящим по разным термоядерным реакциям в недрах звёзд. Стадия эволюции звезды (её температура) определяет характер этого синтеза. Согласно наиболее распространённым космогоническим гипотезам, при образовании Солнца из сжимающейся и вращающейся туманности на заключительной стадии сжатия от центрального сгущения отделилась значительная масса горячей плазмы, которая образовала вокруг него протопланетное облако в виде диска. Облако быстро охлаждалось, и в нём возникла спонтанная конденсация вещества. В результате многостадийных реакций (конденсационный рост ядер, их коагуляция, процессы аккреции и агломерации) газовое облако превратилось в газопылевое. Одновременно происходила потеря облаком газов в космическое пространство. Холодное газопылевое облако в силу ротационной неустойчивости разбилось на ряд сгущений - протопланет, которые адиабатически сжимались. Благодаря этому процессу из холодного вещества протопланетного облака образовались планеты земного типа и астероидный пояс с астероидами и метеоритами. Наконец, на периферии протопланетного облака происходила при очень низких абсолютных температурах конденсация отлетевших газов (Н, Не, NH₃, CH₄ и др.), образовавших большие планеты - Юпитер, Сатурн, Нептун, Уран.

     Непосредственное  определение общего состава планеты  невозможно, однако астрономические (спектральные) данные о составе Солнца и данные о химическом составе каменных метеоритов (наиболее распространённых - хондритов) позволяют судить о распространенности химических элементов на Земле и на др. планетах. Распространенность элементов на Солнце и в метеоритах совпадают.

     Наиболее  распространённые элементы (изотопы) имеют  четные по протонам и четные по нейтронам  ядра:

     

     и многие др. Элементы с чётно-нечётным числом протонов или нейтронов занимают среднее место. Элементы с нечётным числом протонов и нейтронов имеют очень малую распространённость, например

     

     Распространенность  элементов с четными порядковыми  номерами больше соседних с нечетными номерами. Лёгкие элементы Li, Be, B находятся в дефиците, т. к. "горают" в реакциях с протонами. Ядра элементов конца Менделеевской системы имеют огромный избыток нейтронов и потому неустойчивы. Эти элементы претерпевают радиоактивный распад (U, Th, Ra и др.) и спонтанное деление (U, Th, некоторые актиниды).

     Из  данных о химическом составе оболочек Земли следует, что Земля имеет  метеоритный состав. Метеориты разделяются на каменные (хондриты и более редкие ахондриты), железные (из Fe - Ni сплава) и смешанные. Хондриты потеряли все летучие вещества, кроме тех, которые прочно вошли в соединение с твёрдым веществом метеоритов - H₂O, FeS, С, NH₃ и др. Т. о., их твёрдое вещество по распространённости элементов отвечает солнечному составу; Mg, Si, Fe, О занимают первые места (по числу атомов Si/Mg = 1), затем S, Al, Са и др. Силикатная фаза хондритов состоит преимущественно из мета- и ортосиликатов - пироксенов (MgSiO₃) и оливинов [(Mg, Fe)₂SiO₄], т. е. является тройной системой MgO, SiO₂, FeO. Каменные метеориты - многофазные системы; помимо главных фаз - силикатной и металлической (сплав Fe - Ni), они имеют ещё сульфидную, хромитную, карбидную, фосфидную фазы. Отношение силикатной и металлической фаз в разных метеоритах варьирует. Многие учёные, исходя из аналогии с метеоритами, считают, что планеты земного типа имеют также силикатную фазу и металлическое ядро, причём отношения между этими фазами у разных планет различны. По этой гипотезе, Земля имеет около 31% металлической фазы, или около 40% Fe (включая окисленное).

1.2. Распределение химических элементов.

     Земля, как и др. планеты земного типа и Луна, имеет оболочечное строение; она состоит из ряда геосфер: ядра, мантии, земной коры, гидросферы и атмосферы. Твёрдые оболочки Земли, слагающие их горные породы, парагенетические ассоциации минералов и т. п., как правило, - сложные многокомпонентные силикатные системы. Процессы, при которых они образуются, идут с конечными скоростями и являются необратимыми. В геохимии мы встречаемся с неравновесными системами, которые характеризуются массой, объёмом, энтропией, давлением, температурой, химическими потенциалами. Для применения термодинамики в геохимии необходимо знать поведение конкретных фаз, компонентов и систем в условиях геологической обстановки, в частности в большом диапазоне давлений и температур. Так, например, общее представление о направлении геохимического процесса даёт Ле Шателье - Брауна принцип, согласно которому в любой системе, находящейся под действием внешних сил, изменение какого-либо внешнего фактора вызывает превращение, направленное на компенсацию действия этого фактора. По действующих масс закону изменение активности одного из компонентов системы смещает равновесие. Например, в реакции

     

     равновесие  смещается вправо, т. к. ангидрит выпадает из раствора. В реакции

     

     начинающейся при температуре выше 350С, равновесие сдвигается вправо, т.к. одновременно с отложением минерала волластонита CaCO₃ образуется углекислота, удаляющаяся из системы. С повышением температуры в реакциях с участием газовой фазы равновесие смещается в сторону меньшего объёма газовых компонентов. Например, в реакции

     

     равновесие  сдвигается вправо. Высокое давление (газовое и литостатическое) изменяет направление и характер кристаллизации магмы.

     Условия равновесия подчиняются также правилу  фаз Гиббса, согласно которому число  термодинамических степеней свободы системы f = k - n + 2, где n - число фаз в системе, k - число компонентов. Поскольку в закрытой системе число степеней свободы f £ 2 (давление и температура), то число фаз n ³ k. Это минералогическое правило фаз, впервые в геохимии примененное В. М. Гольдшмидтом, оправдывается для разнообразных горных пород.

     Закономерности  распределения отдельных элементов  по многочисленным фазам - минералам зависят главным образом от строения внешних электронных оболочек атомов. В геохимии поэтому широко используются закономерности, установленные кристаллохимией. Ионы и атомы в кристаллических решётках имеют разные радиусы R_i. Величина R_i связана с положением химичекого элемента в системе Менделеева. По вертикальным группам R_i обычно растет с увеличением атомной массы и уменьшается с увеличением валентности иона в пределах периода. Для каждого элемента приведены значения атомного радиуса (0) и ионных радиусов при различных валентностях и координационных числах (обозначены римскими цифрами). Звёздочка обозначает пара- или ферромагнитное состояние переходных элементов; отсутствие звёздочки - диамагнитное состояние. Атомные радиусы даны по Дж. Слейтеру, ионные - по P. Д. Шеннону и К. Г. Превитту, ионные (в скобках) - по Л. Аренсу).

     В природных процессах разделения ионы и атомы сортируются по своим  размерам. Кристаллические решётки главных породообразующих минералов принимают одни ионы (или атомы) и не принимают другие, в зависимости от их величины, заряда и др. свойств. Если ионы разновалентны, но имеют близкий размер R_i, в решётку чаще всего входит ион с большим зарядом. Если ионы имеют одинаковую валентность и по размеру различаются не больше чем на 15%, они часто изоморфно замещаются в кристаллических решётках; происходит замещение атома атомом, иона ионом или группы атомов группой атомов, в зависимости от типа решётки, размеров R_i, заряда и т. д. Изоморфное замещение играет огромную роль в распределении элементов по различным минералам. Использование R_i в геохимии объяснило причину ассоциации таких разнородных элементов, как U, Th и редкоземельных элементов (в минералах торианит, иттриалит и др.), а также постоянную ассоциацию редкоземельных элементов. При деформации одного иона другим в соединении, имеющем катион малого радиуса и анион большого радиуса, возникает т. н. поляризация, которая нарушает физико-химические свойства вещества - твёрдость, летучесть и многие др. Отношение R_i катиона R_i аниона определяет число атомов, окружающих центральный атом в соединении, - его координацию, т. е. координационное число. Оно в свою очередь указывает на характер и строение кристаллической решётки. Координационное число может изменяться в зависимости от условий образования минерала. Кристаллические решётки минералов имеют различную структуру - от очень простых и симметричных построек из плотно упакованных шаров до весьма сложных с низкой степенью симметрии. При кристаллизации атомы и ионы стремятся расположиться в кристаллической решётке таким образом, чтобы была минимальной энергия кристаллической решётки. На основе всех этих данных была создана геохимическая классификация элементов, опирающаяся на физико-химические свойства химических элементов.

Геохимическая классификация химических элементов