Химический состав земной коры
Химический состав земной коры был определен по результатам анализа много¬численных образцов горных пород и минералов, выходящих на поверхность земли при горообразовательных процессах, а также взятых из горных выработок и глубоких буровых скважин.
В настоящее время земная кора изучена на глубину до 15—20 км. Она состоит из химических элементов, которые входят в состав горных пород.
Наибольшее распространение в земной коре имеют 46 элемен¬тов, из них 8 составляют 97,2—98,8 % ее массы, 2 (кислород и кремний) —75 % массы Земли.
Первые 13 элементов (за исключением титана), наиболее час¬то встречающиеся в земной коре, входят в состав органического вещества растений, участвуют во всех жизненно необходимых процессах и играют важную роль в плодородии почв. Большое количество элементов, участвующих в химических реакциях в нед¬рах Земли, приводит к образованию самых разнообразных со¬единений. Химические элементы, которых больше всего в лито¬сфере, входят в состав многих минералов (из них в основном со¬стоят разные породы).
Отдельные химические элементы распределяются в геосферах следующим образом: кислород и водород заполняют гидросферу; кислород, водород и углерод составляют основу биосферы; кисло-род, водород, кремний и алюминий являются основными компо¬нентами глин и песчаных пород или продуктов выветривания (они в основном составляют верхнюю часть коры Земли).
Химические элементы в природе находятся в самых различных соединениях, называемых минералами. Это однородные химичес¬кие вещества земной коры, которые образовались вследствие сложных физико-химических или биохимических процессов, например каменная соль (NaCl), гипс (CaS04*2H20), ортоклаз (K2Al2Si6016).
В природе химические элементы принимают неодинаковое участие в образовании разных минералов. Например, кремний (Si) входит в состав более 600 минералов, а также очень распро-странен в форме окисей. Сера образует до 600 соединений, каль¬ций—300, магний —200, марганец—150, бор — 80, калий — до 75, соединений лития известно только 10, а йода — еще меньше.
Среди наиболее известных минералов в земной коре преобладает большая группа полевых шпатов с тремя основными элементами — К, Na и Са. В почвообразующих породах и продук¬тах их выветривания полевые шпаты занимают основное положе¬ние. Полевые шпаты постепенно выветриваются (распадаются) и обогащают почву на К, Na, Са, Mg, Fe и другие зольные вещест¬ва, а также микроэлементы
Содержание в земной коре наиболее распространенных элементов (в % от массы земной коры)
Кислород 47,2
Кальций 3,6 Кремний 27,6
Натрий 2,64
Алюминий 8,80 Калий 2,6
Железо"; 5,10
Магний 2,10Распределение химических элементов в земной коре подчиняется следующим закономерностям:
1. Закону Кларка-Вернадского, который гласит, что все химические элементы есть везде (закон о всеобщем рассеянии);
2. С усложнением строения атомного ядра химических элементов, его утяжелением, кларки элементов уменьшаются (Ферсман);
3. В земной коре преобладают элементы с чётными порядковыми номерами и атомными массами.
4. Среди соседних элементов у четных всегда кларки выше, чем у нечетных (установили итальянский ученый Оддо и американский Гаркис).
5. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4 (O, Mg, Si, Са...), а начиная с Аl, наибольшими кларками обладает каждый 6-й элемент (O, Si, Са, Fe).
Разнообразие миграции – определяется числом форм, в которых переносится элемент. Для химически сходных элементов разнообразнее миграция того из них, у которого кларк выше.
Примеры для минералов с кларками одного порядка: S – многовалентна (0, -2, +4, +6), может входить в состав разнообразных соединений (сульфиды, сульфаты, органические соединения), образует 369 минеральных видов. Cl – одновалентен, образует 96 минералов. У Mo – 15 минеральных видов, Hf – 0. Последний пример еще раз отражает различие между редкими и рассеянными элементами.
Виды миграции (или формы движения материи) – выделяются в соответствии с различными уровнями организации вещества. Выделяются механическая, физико-химическая, биогенная и техногенная миграция.
Механическая: перенос без преобразования вещественного состава. Определяется размерами минеральных частиц, их плотностью, скоростью движения среды, являющейся агентом переноса (водного потока, ветра и т.д.).
Физико-химическая: подчиняется физическим и химическим законам. Процессы диффузии, растворения, осаждения, плавления, кристаллизации, сорбции, десорбции и т.д. Подвиды – ионная миграция (в растворах), коллоидная, газовая и др.
Биогенная: определяется деятельностью организмов. Взаимодействие между живым веществом и инертной материей Земли происходит в форме массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой. Именно процессы массобмена элементов объективно характеризуют геохимическую деятельность организмов. Подобные закономерные процессы миграции химических элементов, осуществляемые не под воздействием геологических факторов, а в результате жизнедеятельности организмов были названы В.И. Вернадским биогеохимическими. Здесь учёт лишь химических свойств элементов (валентности, ионных радиусов и др.) недостаточен. Здесь значительно большую роль приобретают информационные процессы (иногда не вполне корректно утверждают, что они только на этом уровне и появляются; но Вы уже знаете, что информация и управление существуют на всех уровнях организации вещества, только на добиологических уровнях их сложность и значение несравнимо ниже).
Техногенная: связана с деятельностью человека. Освоение сырьевых ресурсов, хозяйственное использование сырья, значительные по масштабам перемещения вещества, создание веществ, не существующих в природе.
Механическая миграция (механогенез) обусловлена работой рек, течений, ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и других факторов. Характерное влияние механогенеза – раздробление горных пород и минералов, ведущее к увеличению их дисперсности, растворимости, развитию сорбции и других поверхностных явлений. При диспергировании резко увеличивается суммарная поверхность частиц и их поверхностная энергия, растворимость минералов, происходит разложение многих минералов. При механической миграции тяжелые минералы ведут себя как частицы более крупного размера. Механическое перемещение минералов зависит от их твердости и податливости к выветриванию, а дальность – еще и от податливости к химическому выветриванию.
Механическая денудация – перемещение взвешенных частиц вещества водными потоками на поверхности суши. Интенсивность процесса зависит от климата, геологического строения и рельефа: она минимальна на гумидных лесных равнинах, где преобладает химическая денудации, а в аридных областях возрастает в сотни раз.
Эоловые процессы классифицируются по степени удаленности перемещения взвешенных в атмосфере частиц от поверхности Земли:
- локальный перенос, миграция ни десятки и сотни км;
- тропосферный перенос, на высотах до 12 км на сотни и тысячи км;
- стратосферный перенос, на высотах до 60 км частицы могут многократно огибать земной шар.
Песок, пыль, соли поступают в атмосферу преимущественно за счет развеяния слабо закрепленных песков, глинистых и лёссовых равнин, солончаков, с акваторий соленых озер или морей и т.д. Данные явления выражены резче на участках древней суши, где в течение десятков, сотен тысяч, миллионов лет происходила эоловая аккумуляция.
Физико-химическая миграция
Простейшая форма физико-химической миграции – диффузия – это процесс самопроизвольного и необратимого переноса вещества из одной части системы в другую, что возникает вследствие теплового движения частиц. Диффузия протекает как в индивидуальном веществе, так и в смеси; и при любом агрегатном состоянии. Диффузия в горных породах обычно сопровождается взаимодействием вещества со средой. Из-за хаотического движения частиц диффузия переносит их из одного местоположения в другое. В системе, состоящей из 2-х и более веществ, образуются диффузионные потоки, стремящиеся выровнять концентрации и прийти к термодинамическому равновесию.
Диффузия в горных породах протекает в более сложной обстановке. Все они содержат поры различных размеров и формы. Породы являются гетерогенными системами, вмещающими растворы и/или газы, которые с ней взаимодействуют. В природе вещества обычно диффузируют через серию неодинаковых пластов с различным коэффициентом диффузии. При этом на ее прохождение могут повлиять пористость среды, ее структура, влажность пород и их слоистость.
Смежный диффузии процесс – конвекция – миграция массовых потоков газа или жидкости, перемещение частиц происходит вместе с растворителем. Конвекция характерна как для верхней мантии, так и для земной коры. Конвекция в пористой среде называется фильтрацией, которая протекает значительно быстрей диффузии и особенно характерна для верхней части земной коры – зоны активного водообмена, хотя может развиваться и в земных глубинах. Фильтрация энергичнее в складчатых поясах и слабее на платформах и щитах.
Другая форма миграции – сорбция. При этом процессе происходит поглощение газов или жидкостей твердыми или жидкими веществами из окружающего пространства поверхностью (адсорбция) или всем объемом (абсорбция) тела. Поглощающие вещества называются адсорбентами (абсорбентами), а поглощаемые адсорбатами (абсорбатами).
Адсорбция происходит на границе раздела фаз вследствие действия на частицы силы притяжения бóльшей, чем действующие равномерно со всех сторон силы притяжения частиц друг другом. Адсорбция протекает интенсивнее, чем больше площадь раздела фаз или развита поверхность тела.
Адсорбция в свою очередь подразделяется на физическую, когда происходит занятие адсорбатом поверхности адсорбента, и химическую, когда адсорбент и адсорбат вступают между собой в химическую реакцию.
Развитию физической адсорбции неизменно препятствует десорбция, процесс обратный адсорбции, из-за стремления к тепловому равновесию и при этом число адсорбирующих и десорбирующих частиц в единицу времени образуется одинаковое количество.
При помещении адсорбента в раствор электролита происходит самопроизвольный ионный обмен между адсорбентом и раствором, который может быть как с ионами на поверхности, так и с ионами в объеме в результате диссоциации молекул адсорбента.
Ионный обмен обычно сопровождается побочным процессом проникновения и растворителя и растворенного вещества в поры горной породы.
Химическая адсорбция протекает с образованием связей, определяемых структурой адсорбента. Существует химическая адсорбция газов на металлах, угле, оксидах металлов, при гетерогенном катализе.
Физическая адсорбция при возрастании температуры способна преобразоваться в химическую. При химической адсорбции выделяется значительное количество тепловой энергии.
Гетерогенный процесс происходит, когда реагирующие вещества находятся в разных фазах, следовательно, реакция возможна только на границе их раздела. В силу этого появляются осложняющие факторы, связанные с транспортировкой веществ в зону реакции. В природе гетерогенные реакции происходят главным образом между мигрирующим веществом и вмещающей породой.
Любые гетерогенные реакции включают следующие стадии своего протекания:
Подвод вещества к поверхности породы;
Акт химического взаимодействия;
Отвод образующихся в результате реакции веществ в объеме раствора
Скорость гетерогенного процесса на разных стадиях может существенно отличаться.
Изоморфизм – способность химических элементов, атомов, ионов, блоков кристаллической решетки замещать друг друга в минералах, при этом решающую роль играют размеры ионов и атомов. Изоморфные замещения возможны, когда радиусы ионов и атомов различаются не более чем на 15 % от размера меньшего радиуса. При температурах, близких к точке плавления минералов, эта величина достигает 30 %, т.е. изоморфная совместимость возрастает. В алюмосиликатах возможно повышение показателя до 60 % и выше. Для изоморфизма, кроме близости ионных и атомных радиусов, необходимы химическая индифферентность и схожесть природы межатомной связи. Ион меньшего размера легче замещает большего размера, ионы с более высоким зарядом предпочтительнее замещают ионы с более низким зарядом, т.к. этот процесс сопровождается выделением большего количества энергии и повышает энергию решетки.
Миграция газов
Газы составляют сотые доли % массы земной коры и десятые доли % – гидросферы, однако геохимическая роль газов не пропорциональна их массе: решающее значение имеет высокая подвижность газов, которые мигрируют интенсивнее, чем вещества в твердом и жидком состоянии. В земной коре выделяются газы воздушного, биохимического, химического и радиоактивного происхождения.
Миграция газов осуществляется путем фильтрации и диффузии. Основное значение имеет фильтрация, скорость которой определяется проницаемостью пород (трещиноватость, тектонические нарушения) и изменяется в сотни тысяч раз.
В оценке миграции газов необходимо рассмотрение такого важного показателя свойств газов как их растворимость. Большинство газов в стандартных условиях плохо растворяются в воде. С увеличением температуры растворимость большинства газов понижается, с увеличением давления – растет. Углеводороды лучше растворяются в нефти, чем в воде, миграция газов с нефтью имеет важное геохимическое значение: в местах повышения давления углеводороды растворяются в нефти, а в местах понижения – выделяется из нее. Однако в связи с большим масштабом водной миграции с подземными водами мигрирует значительно больше углеводородов, чем с нефтью.
Водная миграция
Вода – самая универсальная и самая важная среда миграции в земной коре. Водные растворы пронизывают верхнюю часть литосферы, вода – это «кровь» земной коры.
Природные воды часто взаимодействуют с различными горными породами, например крупные реки со сложным геологическим строением бассейна, многие подземные воды. Для вод с активной циркуляцией характерна интенсивность миграции, а для застойных вод – интенсивность накопления, т.к. представляет собой кларк концентрации элементов в минеральном остатке воды.
Электрохимические процессы возникают при любой миграции вод через горные породы, осадки, почвы. Системы, в которых протекают электрохимические процессы, именуются геоэлектрохимическими, а полюса поля, где концентрируются элементы – электрохимическими барьерами. В земной коре существуют локальные электрические поля – гальванические, фильтрационные, диффузионно-адсорбционные и др. Местами характерны крайне низкие концентрации элементов в растворах, исключающие их осаждение на геохимических барьерах: безбарьерная миграция, дальняя миграция. Но при электрохимических явлениях в растворах возможны и значительные концентрации элементов.
Электрохимические процессы являются одним из важнейших факторов выветривания минералов диэлектриков, причем катионы выносятся в определенной последовательности.
Биогенная миграция
Образование живого вещества и разложение органических веществ образуют единый биологический круговорот атомов, который в биосфере протекает повсеместно, хотя в разных формах и с разной интенсивностью. В ландшафте и верхних горизонтах моря в процессе фотосинтеза образуется живое вещество, здесь же происходит его минерализация. Часть органических веществ минерализуется не полностью и откладывается в илах. Закон биологического круговорота – один из основных законов геохимии, согласно которому в биосфере в ходе биологического круговорота атомы поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, которую отдают в окружающую среду, покидая живое вещество. Главными носителями энергии являются природные воды.
Не минерализованные остатки органического вещества преобразуются в осадочные породы, в том числе залежи торфа, угля и других горючих ископаемых. Общая их масса во много раз больше массы живого вещества, а главное количество органического углерода заключено в виде небольших примесей гумусовых и углистых веществ, капель битумов и т.д. Главные превращения органические остатки претерпевают в почвах и илах в период энергичной работы микроорганизмов. В дальнейшем происходит более медленное их изменение под влиянием подземных вод и термокаталитическим путем при прогибании осадочных толщ и росте температуры или в результате радиолиза.
Геохимическое своеобразие биокосных систем определяется сочетанием биогенной, физико-химической и механической миграций. В биокосных системах литосферы происходит взаимодействие горных пород с природными водами в близких термодинамических условиях. Это определяет некоторые общие особенности физико-химической миграции, которая складывается из двух противоположных процессов: выветривания и цементации. Миграция элементов при выветривании, в свою очередь, складывается из противоположных процессов: выщелачивание из пород и минералов водных и присоединение воздушных элементов. Для цементации наиболее характерны аккумуляция водных мигрантов на геохимических барьерах, уменьшение пористости и увеличение объемной массы пород. Выветривание и цементация – разные стороны единого процесса миграции: первый порождает второй.
В зависимости от ведущего типа миграции выделяются три типа ландшафтов:
Абиогенный ландшафт, с физико-химической и механической миграцией;
Биогенный ландшафт – сложная биокосная система, в которых почва, кора выветривания, континентальные отложения, грунтовые и поверхностные воды, организмы, приземный слой атмосферы тесно между собой связаны миграцией атомов и образуют единое целое; ведущая роль принадлежит биогенной миграции;
Техногенный ландшафт, все типы миграции с ведущим значением техногенной миграции.
Техногенная миграция
В ноосфере происходит грандиозное перемещение атомов, их рассеяние и концентрация. Ей свойственны механическая, физико-химическая, биогенная миграция, но не они определяют ее своеобразие: главную роль играет техногенная миграция. Ноосфере характерно огромное ускорение миграции. Существует две группы процессов техногенеза. Первая группа процессов унаследована от биосферы, к ней относятся биологический круговорот, круговорот воды, рассеяние элементов при отработке месторождений, распыления вещества и многое другое. Техногенная миграция второй группы находится в резком противоречии с природными условиями.
