Распространенность химических элементов в геосфере

Морская вода также содержит в растворенном состоянии и газы. Поскольку атмосфера и гидросфера находятся в контакте, должно существовать определенное соотношение между количеством газов в растворе и их парциальным давлением в атмосфере.

Б. Мейсон приводит данные по концентрациям некоторых газов, растворенных в морской воде:

Кислород – 0 -9 мг/л, азот – 8,4-14,5 мг/л, углекислый газ – 34 – 56 мг/л, агон – 0,2-0,4 мг/л, гелий и неон – 1,7х10-4 мг/л, сероводород – 0 -22 мг/л.

Несмотря на то, что общее количество наземных вод незначительно по сравнению с общей массой гидросферы, геохимически они очень важны, поскольку принимают активное участие в большинстве процессов, протекающих в биосфере. Для понимания этих и других процессов, происходящих в зоне гипергенеза, необходимо знать состав этих вод, т.е их основные химические параметры. В первую очередь, это минерализация, ионный состав и окислительно-восстановительные условия вод.

2.3. Классификация вод

Минерализация отражает общее количество растворённых минеральных веществ. А.И. Перельманом выделяются следующие семейства:

Ультрапресные воды (< 0,1 г/л). Большая часть атмосферных осадков, поверхностные и грунтовые воды тундровых, высокогорных ландшафтов. Обладают повышенной растворяющей способностью (интенсивный кариес – очень характерен для тех, кто долгое время работал в Арктике или в высокогорье).

Пресные воды (0,1-1 г/л). Характерны для большинства рек, озёр и грунтовых вод во влажном климате.

Солоноватые воды (1-3 г/л). развиты в степях, саваннах, пустынях. Растворяющая способность ослаблена, из них при небольшом повышении концентрации осаждаются труднорастворимые соли, что вызывает карбонатизацию и огипсование почв.

Солёные воды (3-36 г/л). Океаны, слабо солёные озёра, часть грунтовых вод.

Рассолы (> 36 г/л). Солёные озёра и грунтовые воды наиболее засушливых ландшафтов. Осаждение широкого химического набора солей.

Ионный состав вод. Ведущее значение для классификации имеют только ионы элементов с высокими кларками (O, Ca, Mg, Na, K, S, Cl и др.). Наиболее распространены в ландшафтах три катиона (Ca2+, Mg2+, Na+) и три аниона (HCO3-, SO42-, Cl-). Иногда ведущее значение приобретают CO32-, HS-, S2-. Также велико значение содержаний ионов Н+ и ОН-, но это уже касается выделения классов вод по кислотности – щёлочности.

Ионный состав вод определяет их многие геохимические свойства, а также возможности использования в хозяйственной деятельности.

Виды вод по анионному составу:

гидрокарбонатные;

сульфатные;

хлоридные.

Дальнейшее подразделение природных вод, как Вам известно из курса общей геологии, производится по катионному составу и соотношениям ионов.

Щелочно-кислотные условия вод.

Характеризуются величиной pH – отрицательным логарифмом концентрации водородных ионов. От изменения этого параметра существенно зависит растворимость различных соединений. Так, осаждение из растворов гидроксидов металлов зависит, главным образом, от соотношения двух параметров: величины pH и концентрации ионов металлов в растворе.

Классы вод по щелочности-кислотности:

Сильнокислые (pH < 3-4). Распространены, как правило, на небольших площадях. Возникновение обычно связано с окислением сульфидов, проявлениями вулканической деятельности. Широко распространены в техногенных ландшафтах.

Слабокислые (рН – от 3-4 до 6,5). Кислотность обусловлена разложением органических веществ. Широко распространены в гумидных ландшафтах.

Нейтральные и слабощелочные (рН от 6,5 до 8,5). Характерны для аридных ландшафтов, в условиях более высокой концентрации карбонатных ионов.

Сильнощелочные (рН > 8,5) – содовые воды. Высокая щёлочность обусловлена присутствием NaHCO3.

Органические соединения обладают способностью усреднять сильнокислую и сильнощелочную среду. Слабые органические кислоты нейтрализуют щёлочи и делают щелочную реакцию более слабой, а слабые органические основания таким же образом нейтрализуют сильные кислоты.

Вам также известно, что минерализацию, ионный состав и рН природных вод удобнее всего выражать с помощью формулы Курлова.

Окислительно-восстановительные условия вод

Окисление – отдача электронов, восстановление – их присоединение.

Важнейший окислитель в ландшафтных средах – кислород, что обусловлено его высоким кларком и химической активностью. Важные окислители – SO42-, CO2, NO3-, Fe3+ и др. Важнейшие восстановители – H2, H2S, CH4 и другие органические соединения, Fe2+ и др. Один и тот же элемент, в зависимости от ионной формы его нахождения, может быть либо окислителем, либо восстановителем (Fe, Mn…).

Так как в любых химических процессах окисление всегда сопряжено с восстановлением и наоборот, об окислительных или восстановительных реакциях говорят применительно к конкретным ионам или группам ионов. (Окисление в виде реакции с кислородом сопровождается восстановлением кислорода, а восстановление сульфатов или соединений трёхвалентного железа при взаимодействии с органическими соединениями – окислением этих органических соединений).

Любая среда, в которой протекают окислительно-восстановительные реакции, может характеризоваться уровнем окисленности (или восстановленности). Количественный показатель – окислительно-восстановительный потенциал (Eh). Он существенно влияет на характер миграции многих химических элементов, нередко являясь определяющим параметром. Пример: активная миграция Fe2+ в северных болотах в условиях низкого Eh. Воды засушливых степей и пустынь с высоким Eh неблагоприятны для миграции Fe, так как в этих условиях железо находится в трёхвалентной форме, образуя труднорастворимые соединения.

Классы вод по окислительно-восстановительным условиям:

Кислородные воды. Характерно присутствие свободного кислорода, поступающего из воздуха или за счёт фотосинтеза водных растений. Eh выше +0,15 В, часто выше 0,4 В. железо обычно в трёхвалентной форме. Воды с высокой окислительной способностью, в них действуют аэробные бактерии, окисляющие органические вещества.

Глеевые воды. Восстановительные без сероводорода. Формируются там, где мало свободного кислорода и много органических остатков. Органические вещества окисляются анаэробными бактериями за счёт кислорода неорганических соединений. Fe, Mn – двухвалентны, имеют высокую подвижность. Eh всегда ниже 0Б4 В, часто ниже 0.

Сероводородные воды. Содержат H2S, HS-. Возникают в бескислородных условиях при высоких содержаниях SO42-, где анаэробные бактерии окисляют органические вещества за счёт восстановления сульфатов. Характерны для солончаков, илов солёных озёр, глубоких подземных вод в некоторых районах, для побережий, подпитываемых морскими водами (мангры). Условия для осаждения металлов. Fe и многие другие металлы не мигрируют, так как образуют труднорастворимые сульфиды. Eh обычно ниже 0, до -0,5 В.

Распределение этих классов в ландшафтах по вертикали не одинаково. Кислородные воды преобладают выше кислородной поверхности, ниже неё господствуют восстановительные условия.

Классификация вод по параметрам щелочности – кислотности и окислительно-восстановительным условиям может быть совмещена и изображена в табличной форме. В итоге выделяется 12 классов вод.

Поле изменчивости параметров рН и Еh можно представить в виде бинарной диаграммы, на которой области устойчивости различных соединений (pH-Eh диаграммы). Анализ таких диаграмм позволяет выделить естественные и запрещённые ассоциации химических соединений в природных ландшафтах.

Мировой океан – ключевое звено в биосфере. Его значение определяется несколькими факторами:

ролью в энергетическом балансе (воды Мирового океана – аккумулятор тепловой энергии; избыток солнечной радиации расходуется на испарение океанических вод);

ролью в круговороте воды (океан как накопитель вод и начальное звено в экзогенном круговороте воды);

ролью океана как двустороннего фильтра (с одной стороны – осаждающего основной объём загрязнителей, поступающих с суши; с другой – растворяющего и осаждающего излишки вулканических и атмосферных газов).

Кроме того, океан – колыбель жизни на нашей планете. Именно с океана началось формирование биосферы Земли, и сейчас здесь развиты многочисленные сообщества живых организмов с огромной биомассой и высоким видовым разнообразием.

Именно с Мирового океана началось формирование биосферы. Здесь зародилась жизнь в известных нам формах, здесь же она развивалась на протяжении более трёх миллиардов лет – и лишь потом живые организмы стали осваивать иные обстановки в пределах географической оболочки нашей планеты. Уже этого достаточно, чтобы считать, что океан сыграл исключительно важную роль в формировании на Земле биосферы.

Но основную роль в циркуляции воды на Земле играет атмосферная влага – водяной пар и взвешенные частицы. Поступает вода в атмосферу в результате испарения под действием солнечной радиации. При этом, чем больший поток солнечной радиации достигает поверхности океана, тем большая доля энергии тратится на испарение (по отношению к нагреванию водной поверхности). Это очень важный механизм, способный существенно сглаживать температурные колебания и обеспечивать высокую степень стабильности температурного режима в ГО. Возможно, именно благодаря наличию Мирового океана с его терморегулирующей ролью значения температур в географической оболочке Земли за всю её геологическую историю никогда не выходили за рамки диапазона, в котором могут существовать известные нам формы жизни.

Водяной пар поднимается в более высокие слои атмосферы, а потоки воздушных масс разносят его по всей поверхности планеты. Охлаждаясь в атмосфере, водяной пар конденсируется и выпадает на поверхность в виде атмосферных осадков. Большая часть их (около 77%) выпадает над поверхностью океана. Так что основная доля круговорота воды замыкается в рамках системы гидросфера-атмосфера. Остальная часть поступает на поверхность суши, откуда, в конечном счёте, большей частью стекает обратно в океан.

Поэтому, если бы механизм испарения с поверхности океана и атмосферного переноса не действовал, поверхность суши оказалась бы безводной. Роль его в природных процессах очень велика. Поступление вод на сушу активизирует процессы выветривания (физическое дополняется химическим, которое в отсутствие воды проявлялось бы в весьма незначительных масштабах). Оно же обеспечивает водную транспортировку – главный механизм переноса вещества в экзогенном геологическом круговороте. В воде растворяются и газы, и минеральные вещества – и они же выделяются из растворов обратно, в другие оболочки. При этом те или иные вещества могут поглощаться водной средой из одной оболочки, а отдаваться в другую (осаждение первично атмосферного углерода в составе карбонатных отложений; выделение в атмосферу сероводорода, образованного за счёт растворённых сульфатных солей). Таким образом, с точки зрения обмена веществом именно круговорот воды связывает между собой все первичные компоненты геосферы.

Глобальный круговорот воды – основа системного единства всей географической оболочки, связи материков и мирового океана. Местные круговороты воды осуществляются в пределах ландшафтов и ландшафтно-геохимических систем, также связывая их в единое целое.

Часть воды всё время выходит из географического круговорота, связываясь с минеральным веществом в реакциях химического выветривания. Но, в конечном счёте, она всё равно возвращается в гидросферу, когда минералы снова теряют связанную в них воду в глубинных процессах (более широкий, геологический круговорот воды).

3. Атмосфера

3.1. Основные компоненты

Воздушная оболочка, называемая атмосферой , (от греческого "атмос" - воздух и "сфера" - шар) окружает Землю со всех сторон, простираясь на высоту более 1000 км над поверхностью суши и океана. Резкой границы между атмосферой и космическим пространством нет: просто чем выше, тем воздух становится все разреженнее.

О том, что атмосферный воздух имеет сложный состав догадывались уже давно, но что представляют собой его основные компоненты, стало ясно только в конце восемнадцатого века. Основу атмосферы составляют азот, кислород, углекислый газ, водяной пар и др., а именно, – аэрозоли, пыль, солевые частицы. Газовый состав атмосферы формируется за счёт выделения газов из трёх основных источников:

вулканической деятельности;

биогенных процессов (жизнедеятельности организмов, разложения органического вещества);

техногенной деятельности.

По мере удаления от поверхности земли, атмосфера становится все более и более разреженной, постепенно переходя в межпланетное пространство. Выше 600 км атомы и молекулы движутся по эллиптическим орбитам в гравитационном поле Земли. Нижняя часть атмосферы, в которой конвекция происходит особенно интенсивно, называется тропосферой. Выше расположена стратосфера, а за ней – ионосфера. Граница между тропосферой и стратосферой изменяется в зависимости от времени года и широты, но, в среднем, ее можно провести на высоте 10-15 км.

В настоящее время газовый состав тропосферы (а в ней заключено более 90% массы атмосферы) следующий: N2 – 78,09%; O2 – 20,96%; Ar – 0,93%, CO2 – 0,03%, а также небольшие количества гелия, водорода, криптона, ксенона, озона. С одной стороны – состав атмосферы довольно прост: она почти целиком состоит всего из трех элементов – азота, кислорода и аргона. Другие элементы, хотя и присутствуют в атмосфере в незначительном количестве, тем не менее очень важны для ее геохимии (и биогеохимии). Двуокись углерода (углекислый газ), концентрация которой всего несколько сотых процента, необходима для жизни растений, являясь источником их питания. Озон, большая часть которого сосредоточена в пределах стратосферы, также играет жизненно важную роль, так как он задерживает ультрафиолетовое излучение Солнца. Если бы этого поглощения не происходило, избыточная ультрафиолетовая радиация на поверхности Земли была бы губительной для большинства форм жизни.

3.2. Примеси

Кроме постоянных компонентов, в атмосфере могут присутствовать и другие составляющие, которые необходимо принимать во внимание. Среди них наибольшее значение имеют пары воды, количество которых изменяется от 0,02 до 4% по весу. Содержание паров воды зависит от целого ряда факторов, из которых наиболее важным является температура. Водяной пар в атмосфере играет большую роль, регулируя климатические условия. Он поглощает тепловое излучение, что приводит к выравниванию температур воздуха на различных широтах, чего бы не было на планете, лишенной атмосферы. Из временных составных частей атмосферы особенно важен хлорид натрия, значительное количество которого ежегодно выпадает на поверхность Земли с дождевыми осадками. Наибольшее количество хлорида натрия в воздухе наблюдается вблизи морей и резко уменьшается при удалении от побережья, так как большая его часть поступает в атмосферу с водяным паром из океана. В атмосфере обнаружены и другие галогены – фтор, бром и йод, основным источником которых также, вероятнее всего, является океан. Постоянно поступающие в атмосферу газы техногенного происхождения называются малыми газовыми составляющими (МГС), так как их общая доля в составе количественно невелика. Но их накопление в атмосфере сопровождается противоположной тенденцией к снижению доли свободного кислорода, а это уже один из ведущих газов в её составе. Количество соединений серы (сернистый газ и сероводород) в атмосфере сильно варьирует и их скорее следует рассматривать как загрязнение (в результате вулканической деятельности, жизнедеятельности микроорганизмов и разложения органических остатков, а также техногенного загрязнения), чем ее нормальные составные части. В последние годы отмечается и все возрастающее влияние продуктов работы двигателей внутреннего сгорания на геохимию атмосферы, особенно в крупных городах. Автомобили являются одним из основных источников окиси углерода, поступающей в атмосферу. Окись углерода (угарный газ) начинает быть опасной для человека при концентрации в воздухе около 10-2%, если такая концентрация сохраняется в течение нескольких часов. При сгорании топлива под высоким давлением, что имеет место в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, образуется окись азота, которая в атмосфере окисляется до двуокиси азота – значительно более ядовитого газа. Серьезным источником загрязнения атмосферы являются и соединения свинца, являющиеся добавками в топливо. Среднее суммарное загрязнение свинцом в северном полушарии в 70-е годы прошлого века только за счет сжигаемого бензина составляло 10 мг/м3. Кроме, того, в атмосферу постоянно поступает большое количество твердых частиц в виде пыли, в том числе и промышленной, нередко обогащенной тяжелыми металлами.