Распространенность химических элементов в геосфере

Содержание

Введение

1.              Геосфера

1.1. Химический состав земной коры

1.2.  Распространенность элементов и их роль в природных процессах

1.3. Концентрация и рассеянность элементов в земной коре

2.              Гидросфера

2.1. Вода

2.2. Химический состав морской воды

2.3. Классификация вод

3. Атмосфера

3.1. Основные компоненты

3.2. Примеси

Заключение

Выводы

Список литературы

Введение

Наиболее объективными являются данные по распространенности химических элементов в отдельных средах. Данные для Земли в целом в значительной степени гипотетичны из-за отсутствия точных сведений о химическом составе глубинных геосфер, и приводимые различными авторами значения существенно разнятся в зависимости от теоретических воззрений автора. К тому же, состав глубинных геосфер на процессы в географической оболочке и, соответственно, биосфере существенного влияния не оказывает. Мы уже знаем, что живое вещество распространено в пределах трёх геосфер: земной коры, атмосферы, гидросферы, а потому именно их химизм для нас и будет особенно важен. эволюции наружной части Земли.

Вы уже знаете, что в современном понимании геосфера –это сверхсложная глобальная система, где в неразрывной связи существуют, с одной стороны, инертное вещество в твердой, жидкой и газовой фазах, а с другой – разнообразные формы живых организмов и их метаболиты. По определению геосферы (от гео ... и сфера), концентрические оболочки, из которых состоит Земля. В направлении от периферии к центру планеты выделяются: атмосфера Земли, гидросфера, земная кора, мантия Земли и ядро Земли. По совокупности природных условий и процессов, протекающих в области соприкосновения и взаимодействия геосфер, выделяют специфические оболочки (напр., биосферу, географическую оболочку).

Цель работы: ознакомиться с распространенностью химических элементов в геосфере.

Задачи работы:

1)     рассмотреть химический состав литосферы;

2)     рассмотерть химический состав гидросферы;

3)     рассметреть химический состав атмосферы.

Три наружные оболочки Земли, различающиеся фазовым состоянием – твердая земная кора, жидкая гидросфера и состоящая из газов атмосфера – теснейшим образом связаны между собой, причем вещество каждой из них проникает в пределы других оболочек. То есть они не просто соприкасаются - они взаимодействуют между собой. Верхняя часть земной коры насыщена подземными водами. Значительный объем газов находится не только в атмосфере, а растворен в водах гидросферы, а также заполняет пустоты в почве и горных породах. В свою очередь, пары и мельчайшие капельки воды, а также мелкие твердые минеральные частицы (пыль) насыщают нижние слои атмосферы.

Живое же вещество и продукты жизнедеятельности организмов буквально пронизывают все вышеупомянутые оболочки. Происхождение оболочек, формирование их современного химического состава и его дальнейшая эволюция тесно взаимосвязаны. И эта связь в значительной мере обусловлена тем, что наружная часть планеты охвачена геохимической деятельностью живого вещества.

Масса земной коры оценивается в 28,46х1018 т, гидросферы – 1,47х1018 т ( т.е. почти в 20 раз меньше), а атмосферы – всего в 0,005х1018 т. Общая масса живого вещества по современным оценкам составляет лишь около 0,00001% массы земной коры. Таким образом, именно земная кора содержит основной резерв химических элементов, которые вовлекаются в миграционные процессы, в том числе, и под воздействием живого вещества. Концентрация и распределение химических элементов в земной коре оказывает сильное влияние на состав живых организмов.

1.      Геосфера

1.1. Химический состав земной коры

Из первых трех геосфер ведущая роль, несомненно, принадлежит земной коре, так как её общая масса многократно превосходит суммарную массу двух других оболочек. Поэтому данные об относительном содержании того или иного химического элемента в земной коре можно в значительной мере считать и отражающими его содержание в геосфере в целом.

Наружная твердая оболочка Земли - земная кора более чем на 99% сложена всего 9 основными элементами:

O (47%), Si (29,5%), Al (8,05%), Fe (4,65%), Ca (2,96%), Na (2,50%), K (2,50%), Mg (1.87%), Ti (0,45%). В сумме – 99, 48%. Из них кислород является абсолютно преобладающим. Наглядно видно, сколько остаётся на все остальные элементы. Это – по массе, т.е в весовых процентах.

Есть и другой вариант оценки – по объёму (объёмные проценты). Вычисляется с учётом размеров атомных и ионных радиусов в конкретных минеральных соединениях, образуемых этими элементами. Содержания в земной коре наиболее распространённых элементов в объёмных процентах составляют (по В.М. Гольдшмидту):

O – 93,77%, K – 2,14%, Na – 1,60%, Ca – 1,48%, Si – 0,86%, Al – 0,76%, Fe – 0,68%, Mg – 0,56%, Ti – 0,22%.

Очевидны достаточно существенные различия в распределении атомов химических элементов по весу и объему:

в резком понижении относительного содержания Al и особенно Si (из-за малых размеров их атомов, а для кремния – в ещё большей мере ионов в его кислородных соединениях)

ещё более явно подчеркивается ведущая роль кислорода в литосфере (оксисфера по В.М. Гольдшмидту).

При этом выявлены «аномалии» в содержаниях некоторых элементов в литосфере:

«провал» в содержаниях наиболее лёгких элементов (Li, Be, B) – объясняется особенностями процесса нуклеосинтеза (преимущественное образование углерода в результате соединения сразу трёх ядер гелия);

относительно высокие содержания элементов, являющихся продуктами радиоактивного распада (Pb, Bi, а также Ar среди инертных газов).

В условиях Земли аномально низки содержания еще двух элементов: H и He. Это связано с их «летучестью». Оба эти элемента – газы, и, к тому же, самые легкие. Поэтому атомарные водород и гелий имеют тенденцию перемещаться в верхние слои атмосферы, а оттуда, не удерживаясь земным тяготением, рассеиваются в космическом пространстве. Водород до сих пор не потерян полностью, так как большая его часть входит в состав химических соединений – воды, гидрооксидов, гидрокарбонатов, гидросиликатов, органических соединений и др. А гелий, являющийся инертным газом, постоянно образуется как продукт радиоактивного распада тяжелых атомов.

Таким образом, земная кора по существу является упаковкой анионов кислорода, связанных друг с другом кремнием и ионами металлов, т.е. она состоит почти исключительно из кислородных соединений, преимущественно, из силикатов алюминия, кальция, магния, натрия, калия и железа. При этом, как Вы уже знаете, в составе литосферы 86,5% приходится на чётные элементы (данные Г. Оддо, Италия).

Наиболее распространенные элементы принято называть макроэлементами.

Элементы же, содержание которых составляет сотые доли процента и менее называются микроэлементами. Понятие это относительное, так как конкретный элемент может быть микроэлементом в одной среде, а в другой относиться к основным, т.е. макроэлементам (Например, Al в организмах –микроэлемент, а в литосфере - макроэлемент, железо в почвах – макроэлемент, а в живых организмах - микроэлемент).

Для обозначения величины содержания конкретного элемента в той или иной среде используется понятие «кларк». Этот термин связан с именем Ф.У. Кларка – американского геохимика, впервые предпринявшего на базе обширного аналитического материала вычисление средних содержаний химических элементов в различных типах горных пород и в литосфере в целом. В память о его вкладе А.Е. Ферсман в 1924 г. предложил именовать среднее содержание любого конкретного элемента в определённой вещественной среде кларком этого химического элемента. Единица измерения кларка – г/т (т.к. при низких величинах кларков многих элементов использовать процентные значения неудобно).

Наиболее сложной задачей является определение кларков для литосферы в целом, так как её строение, как Вам уже известно из курса общей геологии, очень неоднородно. Уточнение данных Ф.У. Кларка продолжалось на протяжении всего ХХ века. Наиболее точные значения распространенности элементов в земной коре удалось получить только после того, как стало возможным привлечь данные о строении океанического дна (с 60-х гг. ХХ в., когда начались работы по программе глубоководного океанического бурения). О том, что на современном этапе получена картина, достаточно полно отражающая реальное распределение химических элементов в литосфере, свидетельствует хорошая сходимость подсчётов, производившихся в последние 20-30 лет исследователями из различных стран, использовавшими разный набор исходных данных и различные методики осреднения. Противоречивыми остаются пока данные лишь по небольшому числу мало распространённых элементов, и уточнение их кларков ещё остаётся в числе задач будущих геохимических исследований.

Помимо знания кларков для литосферы в целом, в практике геохимических исследований необходимо также учитывать кларки для различных типов горных пород, поскольку специфика их химизма отражается на геохимической специализации развитых на этих породах ландшафтах.

1.2.  Распространенность элементов и их роль в природных процессах

Основной объём литосферы сложен силикатными и алюмосиликатными горными породами. Подчинённое значение имеют породы карбонатные, фосфатные, сульфатные, галогенные, сульфидные, алюмооксидные, железооксидные и другие ещё более редкие химические типы.

Существенные различия в геохимической специализации имеются и внутри этих типов горных пород (деление силикатов на кислые и основные).

В кислых относительно повышены концентрации Li, Be, Rb, Tr, Ba, Tl, Th, U, Ta.

В основных – Cr, Sc, Ni, V, Co, Pt.

Часть элементов ведёт себя безразлично по отношению к изменению кремнекислотности горных пород.

Геохимические справочники содержат точные цифры кларков, вычисленных различными авторами. В практике геохимических исследований их точные значения бывают нужны не всегда. Но порядок этих значений для каждого элемента представлять необходимо.

Приведем порядок кларков различных элементов по В.Ф. Барабанову:

Более 10 000 г/т - O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.

1000-10 000 - Mn, Ti.

100-1000 - C, F, P, S, Cl, Rb, Sr, Zr, Ba.

10-100 - Pb, Th, Y, Nb, La, Ce, Nd, Li, B, N, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga.

1-10 - Eu, Dy, Ho, Er, Yb, Hf, Ta, W, Tl, U, Ge, As, Br, Mo, Sn, Sc, Pm, Sm, Be.

0,1-1,0 - Cd, Bi, In, Tu, I, Sb, Lu.

0,01-0,1 - Ar, Se, Ag, Hg.

0,001-0,01 - Re, Os, Ir, Ru, Rh, Pd, Te, Pt, He, Au.

По этой градации элементы, имеющие кларки выше 1000 г/т будут относиться к макроэлементам. Те, у которых кларки ниже – микроэлементы.

Учёт кларков безусловно необходим для правильного понимания закономерностей процессов миграции химических элементов. Различная распространённость элементов в природе имеет неизбежным следствием для многих из них наличие существенных различий в их поведении в лабораторных условиях и в природе. С уменьшением кларка снижается активная концентрация элемента, становится невозможным выпадение самостоятельной твёрдой фазы из водных растворов и других способов образования самостоятельных минеральных видов. Поэтому способность к самостоятельному минералообразованию зависит не только от химических свойств элемента, но и от его кларка. Химик в лаборатории для осуществления той или иной реакции берёт определённые (стехиометрические) соотношения реагирующих веществ, создавая тем самым условия, чтобы реакция прошла «до конца». В природе такие идеальные условия никогда строго не выдерживаются, и возможность осуществления тех или иных реакций, в части её зависимости от количественных соотношений реагирующих веществ, в значительной мере определяется кларками химических элементов.

Примеры:

S и Se – химически полные аналоги, а их поведение в природных процессах различно. S – ведущий элемент многих природных процессов. Сероводород играет большую роль в химических процессах, происходящих в донных осадках и в глубинах земной коры, в формировании месторождений ряда металлов. Сера формирует самостоятельные минералы (сульфиды, сульфаты). Селеноводород существенной роли в природных процессах не играет. Самостоятельные минералы класса селенатов и селенидов – уникальнейшая экзотика; селен находится в рассеянном состоянии как примесь в минералах, образуемых другими элементами. Аналогичны различия К и Cs, Si и Ge …

1.3. Концентрация и рассеянность элементов в земной коре

Вы уже знаете, что одно из важнейших отличий геохимии от химии в том, что геохимия рассматривает только те химические взаимодействия, которые реализуются в конкретных природных условиях. И учёт кларков (по крайней мере их порядков) в этом смысле является первоочередным требованием при любых геохимических построениях.

В то же время вы сами, безусловно, уже обратили внимание, что существуют, и даже достаточно распространены самостоятельные минеральные фазы целого ряда элементов с низкими кларками. Причина в том, что в природе существуют механизмы, позволяющие обеспечивать формирование повышенных концентраций тех или иных элементов, в результате чего их содержание в каких-то участках могут многократно превышать кларковые. Поэтому кроме кларка элемента нужно учитывать и величину его концентрации в сравнении с кларковым содержанием.

Для этого введено понятие «кларк концентрации» (или «коэффициент концентрации»). Последний термин более корректен, так как понятие кларка введено именно для средних содержаний, и лучше для характеристики содержаний повышенных такой же термин не использовать. Но всё же в литературе вы часто можете встретить именно термин «кларк концентрации».

КК – это соотношение содержания химического элемента в данном конкретном природном вещественном агрегате (горной породе и т.п.) к его кларку.

Примеры коэффициентов концентрации некоторых химических элементов в их рудных месторождениях:

Al – 3,7

Mn - 350

Cu - 140

Sn - 250

Zn - 500

Au – 2000

На этом основании элементы с низкими кларками подразделяются на две уже известные вам качественно различные группы. Те, для распределения которых не характерны высокие значениями КК, называются рассеянными (Rb, Ga, Re, Cd и др.). Способные формировать повышенные концентрации с высокими значениями КК – редкими (Sn, Be и др.).

Различиями в достигаемых величинах КК обусловлена разная роль тех или иных элементов в истории материально-технической деятельности человечества (с древности известные металлы с низкими кларками Au, Cu, Sn, Pb, Hg, Ag … - и более распространённые Al, Zr…).