Место геохимии в системе наук

Геохимия ландшафта в системе географических наук

общественные географические науки, экономика

Геохимия ландшафта в системе геологических, химических, биологических и почвенных наук

Периодическая система Мендеелева включает в себя 109 элементов, но в природе встречается лишь 89 (43 – Tc – технеций, 85 – At – астат, 87 – Fr – франций и с 93 по 109 получены искусственно в результате ядерных реакций. Содержание одних и тех же химических элементов в разных ландшафтах неодинаково, что во многом обусловлено их миграцией. Закономерности в распространенности химических элементов могут быть выявлены лишь при анализе среднего химического состава земной коры, который впервые был установлен на рубеже 20 века. В честь американского химика Кларка, посвятившего более 40 лет решению данной проблемы, Ферсман предложил в 1923 году среднее содержание химического элемента в земной коре или какой-либо ее части называть Кларком. Кларк – среднее процентное содержание элемента литосфере, гидросфере, атмосфере.

На сегодняшний день установлены Кларки большинства элементов. Главная особенность распространенности элементов заключена в огромной контрастности Кларков. Почти половина твердой земной коры состоит из одного элемента – О (Кларк 47 %), на втором месте стоит Si (29,5 %), на третьем – Al (8,05 %). В сумме они составляют 84,55 %. Далее Fe (4,65), Ca (2,96), Na (2,5), К (2,5), Mg (1,87), Ti (0,45) – 99,48 %. На остальные 80 элементов приходится менее 1 %. Кларки большинства элементов не превышают 0,01-0,0001 %. Это редкие (U, Sn, Mo) и редкие рассеянные (Br бром, In индий, Ra - радий, I - йод, Hf - гафний, Re - рений, Sc – скандий и др.) элементы. Например, у U и Br Кларки почти одинаковы (2,5·10^-4 и 2,1·10^-4 %), но U редкий элемент, т.к. известно много урановых минералов, разнообразные его месторождения, а Br редкий рассеянный, т.к. он почти не концентрируется в земной коре и известен лишь один собственный минерал этого элемента.

Итак, содержание элементов в земной коре колеблется в миллиарды миллиардов раз. И обычные представления, почерпнутые из повседневного опыта, не всегда совпадают с данными геохимии. Например, (Как вы думаете, какой элемент является более распространенным элементом Cu или Zr. Cu широко распространены в быту и технике, а Zr для нас – «редкий элемент». Вместе с тем Zr в земной коре почти в 4 раза больше, чем Cu. «Редкость» Zr объясняется трудностью его извлечения из руд, которая была полностью преодолена только в середине ХХ века, когда разработали технологию эффективного получения этого элемента. Он стал широко использоваться в промышленности. Мы еще только привыкаем к нему, а с Cu человечество познакомилось тысячелетия назад в «бронзовый век» (бронза – сплав меди с разными металлами).

Более контрастная картина открывается, если исходить из объемных процентов, т.е. подсчитать, какую часть пространства твердой земной коры занимают атомы различных элементов. Впервые эту задачу решил геохимик Гольдшмидт. Он считал, что наиболее распространенные элементы находятся в литосфере в виде ионов приблизительно шаровой формы. Радиус этих ионов подсчитали, и поэтому можно определить объем, занимаемый главнейшими ионами. Для главнейших элементов были получены следующие числа (%):

В.И. Вернадский указывал, что минералогия представляет собой химию земной коры. Строгие законы кристаллохимии определяют состав и строение минералов, слагающих земную кору. Минералы состоят в основном из ограниченного числа химических элементов, но это не означает простоту их кристаллохимической структуры.

В ионной структуре положительно заряженный атом окружен отрицательно заряженными. Число ионов, приходящееся на противоположно заряженный ион, называется его координационным числом.

Представим себе сферы действия ионов в виде твердых шаров, размеры которых пропорциональны ионным радиусам. С этими шарами мы можем моделировать различные кристаллохимические структуры. Условие моделирования следующее: шары-ионы должны прочно примыкать друг к другу, это необходимое условие устойчивости структуры. Должна выглядеть как каменная стена, где каждый камень прочно поддерживает соседние.

Три соприкасающихся шара составляют внутри меньшее пространство, чем четыре или шесть. (рис.)

Поэтому, если радиус катиона значительно меньше радиуса аниона, то координационное число будет 4, а если отличие радиусов не такое резкое, то могут возникнуть группировки с координационными числами 6 и 8.

Возможность вхождения элемента в ионную структуру определяется размером радиусов его ионов. Но вместе с тем структура д.б. уравновешена отношением положительных и отрицательных зарядов, т.е. валентностями.

Поэтому для понимания закономерностей геохимии земной коры имеет значение:

1. 
   размер радиуса ионов,
   
2. 
   заряд (валентность) ионов.
   

Силикаты составляют около 80 % массы земной коры. А если к этому классу прибавить кварц (SiO₂), то можно сказать, что кремнекислородные соединения образуют примерно 92 % земной коры по массе и практически полностью слагают ее объем.

Кристаллические структуры силикатов многообразны, но основу составляют комбинации самых распространенных ионов – кремния и кислорода. По данным советского кристаллохимика Белова, радиус О – 0,136 нм, радиус Si – 0, 039 нм, и число координационное кремния равно 4. Таким образом каждый ион кремния находится в окружении 4 ионов кислорода. Если соединить центры ионов кислорода, то образуется фигура тетраэдра. И называют ее кремнекислородный тетраэдр.

Заряд иона кремния +4, сумма зарядов четырех двухвалентных ионов кислорода -8. Четыре отрицательные валентности кремнекислородного тетраэдра тем или иным способом уравновесятся, прежде всего за счет дополнительных катионов. Так образуется островной тип силикатов.

Кристаллическое вещество в земной коре в любой точке содержит ограниченное число минералов, которые, состоят из немногочисленных элементов. Например, гранит, 99% его массы составляют 8 элементов: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg. Элементы образуют минералы, слагающие гранит – кварц, полевые шпаты, слюды и роговая обманка. Но если провести точный анализ при помощи высокочувствительных приборов обнаружится, что в граните присутствует еще Ti, P, Mn, S, F, Cl, Ba, Li, Cr, V, Ni, Cu, Zn и другие элементы, составляющие в сумме меньше 1 %. Некоторые из них образуют самостоятельные минералы. Правда, эти минералы присутствуют в столь незначительных количествах, что не влияют на состав гранита. Их называют акцессорные минералы или минералы-примеси. Значительная часть малораспространенных элементов входит в кристаллохимические структуры породообразующих минералов в виде изоморфной примеси. В таком состоянии в полевых шпатах находится барий и стронций, а в слюдах литий. (изоморфизм - способность элементов замещать друг друга в кристаллических структурах, не нарушая их строение). Однако при анализах породообразующих минералов встречаются и такие, которые по законам изоморфизма не должны быть в этих минералах, а они присутствуют. Например, содержание свинца и цинка в минералах, слагающих гранит.

При достаточно большой концентрации атомы образуют кристаллохимические структуры со строго упорядоченным расположением. При очень низкой концентрации химического элемента его атомы не могут образовывать самостоятельные соединения. Если размер радиусов этих атомов соответствует имеющимся кристаллохимическим структурам, то атомы могут в них войти по законам изоморфизма. Если же такого соответствия нет, атомы остаются в твердом кристаллическом веществе в неупорядоченном рассеянном состоянии.

Разные состояния атомов в твердом веществе земной коры Вернадский назвал формами нахождения элементов. Кристаллическое и рассеянное состояния являются двумя важнейшими формами нахождения атомов в земной коре. Преобладание той или другой формы зависит от Кларка элемента.

Концентрация – процесс прямо противоположный рассеянию. Способность концентрироваться в земной коре – важнейшее свойство элементов.

Каких атомов малораспространенных химических элементов больше: находящихся в упорядоченном или рассеянном состоянии?

Зная Кларки химических элементов в земной коре можно рассчитать количество металлов, находящихся в состоянии рассеяния. Производя расчеты ученые обнаружили, что только в верхней части земной коры в пределах континентов содержаться такие количества металлов, по сравнению с которыми в месторождениях руд имеются всего лишь тысячные доли процента. Вывод: основная масса металлов в земной коре находится в состоянии рассеяния.

В результате рассеяния и концентрации химические элементы распределены в земной коре неравномерно. Вы хорошо знаете, что при образовании горных пород из магмы происходит сортировка главных элементов, а также тех, которые могут войти в кристаллическое вещество в виде изоморфных примесей. Этот процесс характерен и для элементов, находящихся в состоянии рассеяния.

Многочисленные геохимические исследования показали, что магматические горные породы одного и того же состава содержат неодинаковое количество рассеянных элементов. На Кольском полуострове обнаружено, что в горных породах, содержащих медно-никелевые руды, рассеянных никеля и меди вдвое больше, чем в таких же породах, где этой руды нет. Чтобы количественно оценить неоднородность распределения химических элементов в земной коре, Вернадский ввел особую геохимическую величину – кларк концентрации. Эта величина показывает степень отклонения содержания химического элемента от его Кларка.

Кк = А/К, где А – содержание химического элемента в горной породе, руде и т.д., К – Кларк элемента в земной коре. Если Кларк концентрации больше 1 – повышенное содержание элемента, меньше 1 – среднее значение ниже его среднего значения.

В результате многочисленных исследований геохимиков и геологов установлено, что существуют территории, различающиеся уровнем содержания металлов и составом руд. Такие территории называют геохимическими провинциями. Например, для кристаллических горных пород Уральской геохимической провинции характерно повышенное содержание меди, хрома, никеля, кобальта, титана и некоторых других элементов. В пределах провинций имеются различные типы горных пород, которые также различаются содержанием рассеянных элементов. Это так называемый геохимический фон.

Приблизительно 50 % всей массы атмосферы сосредоточено в нижнем 5-км ее слое, 75% - в 10-ти км. и 90 % - в 16-км. Выше 3000 км плотность атмосферы уже мало отличается от плотности межпланетного пространства. Чистый и сухой воздух на уровне моря представляет собой механическую смесь нескольких газов: азот – 78,09%, кислород – 20,95 %, аргон (Ar) – 0,93%, углекислый газ – 0,03 %. Содержание остальных газов: неона, гелия, метана, ксенона, водорода, озона – ничтожно мало (менее 0,1%). Соотношение между главными составными частями атмосферы – азотом и кислородом – постоянно.

До высоты 100-120 км вследствие полного перемешивания воздуха состав атмосферы однороден. Этот слой называют гомосферой. Следующий слой гетеросфера. Состав ее меняется: до высоты 200-250 км преобладают азот и кислород, от 200-250 км до 500-700 км – атомарный кислород, выше гелий и водород.

Количество важных составляющих атмосферы – водяной пар, озон, углекислый газ изменяются во времени и в пространстве в широких пределах. Особенно заметны изменения в содержании водяного пара, зависящие от температуры воздуха. В полярных районах приземный воздух содержит всего 0,2 % влаги, в экваториальных – около 3%. Чем больше в воздухе водяного пара, тем меньше других газов. С высотой количество водяного пара убывает: на высоте около 2 км в 2 раза, на высоте 8 км в 100 раз, выше 10 км воздух содержит очень мало водяного пара.

В слое атмосферы от поверхности Земли до 70 км присутствует озон (О₃) – трехатомный кислород, возникающий в результате расщепления молекул обычного кислорода и перераспределения его атомов. В нижних слоя атмосферы озон появляется под влиянием случайных факторов (грозовые разряды, окисление некоторых органических веществ), в более высоких слоях образуется под воздействием ультрафиолетовой радиации Солнца, которую поглощает. Максимальная концентрация озона – на высоте 22-25 км. Здесь располагается озоновый экран «фильтр» поглощающий ультрафиолетовую радиацию, губительную для животных и растений. Содержание озона в воздухе меняется по сезонам: весной увеличивается, осенью и зимой уменьшается.

Углекислого газа в атмосфере значительно меньше. Чем водяного пара и озона. Сжигание угля, нефти, газа и другие процессы вызванные деятельностью людей, приводят к заметному увеличению количества этого газа в атмосфере.

Кроме газообразных составных частей в атмосфере всегда находятся во взвешенном состоянии мельчайшие частицы различного происхождения – аэрозольные примеси. С подстилающей поверхности в атмосферу попадают частицы почвы, продукты выветривания горных пород, вулканическая пыль, дым, органические частицы (микроорганизмы, пыльца растений). При атомных взрывах появляются аэрозольные частицы, содержащие радиоактивные вещества. Из межпланетного пространства в земную атмосферу попадают космическая пыль.

По характеру изменения температуры атмосферу делят на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Тропосфера содержит более 80 % массы атмосферы.

Средний химический состав тропосферы: азот – 75,51 %, кислород – 23,01%, аргон (Ar)– 1,28%, углек. газ – 0,04 %, неон (Ne) – 0,0012%, криптон (Kr) – 0,0003 %, ксенона (Хe) – 0,00004 %. Кроме этого, в тропосфере, особенно в нижних слоях, присутствуют в незначительных количествах пары воды, жидкая и твердая вода в виде капель дождя и кристаллов снега, земная и космическая пыль, озон, аммиак, окислы азота, водород, различные органические летучие вещества, выделяемые растениями (фитонциды) и др.

Хотя число находящихся в атмосфере элементов сравнительно невелико, роль ее в геохимии ландшафта огромна. Она содержит свободный кислород и углерод. Не менее важны водород и кислород, связанные в воде, составляющей главную по весу часть тела почти всех организмов и являющейся основной средой, в которой протекают химические реакции в ландшафте. Через атмосферу в ландшафт поступает солнечное излучение – основная энергия, обуславливающая миграцию химических элементов на

Обыкновенная вода – химическое соединение, замечательное во многих отношениях. Именно вода обуславливает движение значительных масс химических элементов на поверхности Земли. Переход атомов и ионов из твердого кристаллического вещества в водный раствор и дальнейшее перемещение раствора является одним из основных видов миграции химических элементов в зоне выветривания.

Все природные воды без исключения являются растворами. Известны законы, по которым можно точно определить, когда химический элемент в виде иона будет находиться в растворе, а когда образует нерастворимое соединение и выпадет в осадок. Но эти законы не объясняют механизма перемещения некоторых отдельных атомов и ионов из твердого вещества в раствор. Для этого нужно оценить роль воды на молекулярном уровне.

Вода – соединение водорода и кислорода. Для всех элементов главной подгруппы VI группы периодической таблицы Менделеева соединения с водородом отвечают формуле Н₂R, где вместо R можно подставить кислород, серу, селен, теллур. Но среди них вода резко выделяется своими свойствами. Если нанести температуры плавления всех соединений этой подгруппы на график, то можно увидеть, что точки плавления будут закономерно понижаться с уменьшением порядкового номера элементов от Н₂Те до Н₂S.

Формула воды проста, но строение ее молекулы совсем не простое. Кислород двухвалентен. Для завершения внешнего слоя ему не хватает двух электронов. Два атома водорода вносят по одному электрону. Связь, основанная на совместном использовании электронов – ковалентная связь, используется в природе очень широко Н -------- О --------- Н

Атом водорода имеет очень небольшой радиус, значительно меньший, чем у всех других химических элементов. Поэтому соседняя молекула воды может подойти настолько близко к этому атому, что начнут проявляться силы взаимодействия. Кислород сильно электроотрицательный элемент, а ион водорода заряжен положительно, то он взаимодействует с другой парой электронов кислорода. Такая связь получила название водородной, которая намного слабее ковалентной. О и Н связанные водородной связью, располагаются на расстоянии почти в два раза больше, чем внутри молекулы воды. Водородная связь придает жидкой воде определенную структуру, характерную для кристаллических веществ. Каждая молекула воды связана водородной связью с четырьмя соседними. Такие группировки образуют общую структуру. Не все молекулы входят в общий каркас, некоторые располагаются в его пустотах. Водородная связь может образоваться только с сильно электроотрицательным элементом. Поэтому из элементов главной подгруппы 4 группы водородная связь может образовываться только с кислородом.

Со структурными особенностями воды связана ее способность образовывать ионные растворы. Переход иона в раствор зависит от силы его взаимодействия с молекулами воды. Если эти силы больше сил, удерживающих ион на поверхности твердого вещества, то он открывается и поступает в раствор. В воде два равные, но противоположно заряженные ионы в 80 раз слабее притягиваются, чем в воздухе. Сила взаимодействия молекул воды с ионами минеральных частиц увеличивается с ростом удельной их поверхности. Когда размер твердых частиц минералов достигает 0,001 мм и меньше, сила воздействия молекул воды превышает силу связи между ионами и кристаллическая структура минералов разрушается. Таким образом, в воде растворяются самые устойчивые глубинные минералы, например кварц. Твердые минералы, обладающие особо высокой устойчивостью в крупных обломках, при измельчении до определенного размера оказываются неустойчивыми.

Оценивая значение воды Вернадский писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геохимических процессов».
ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛАНДШАФТАХ

Миграция элемента определяется:

1. 
   химическими свойствами,
   
2. 
   величиной Кларка