Геохимические процессы

Геохимические процессы играют в географической оболочке важную роль, поскольку они затрагивают саму сущность окружающей среды с точки зрения состава образующих ее элементов и взаимодействия друг с другом, включая обмен веществом.

Для оценки среднего химического (элементного) состава Земли используют результаты измерения плотности Земли, скорости и направления сейсмических и электромагнитных волн, состав метеоритов. Средний состав Земли как небесного тела впервые был намечен геохимиком П.Н.Чирвинским в 1919 г. Современные данные о среднем содержании химических элементов Земли (по В.А. Руднику и Э.В. Соботовичу, 1984) приведены ниже:

Кларк.В начале XX в. американский ученый Ф.У. Кларк стал изучать количественную распространенность химических элементов в земной коре, атмосфере и гидросфере. Для обозначения среднего содержания химического элемента в земной коре (атмосфере, гидросфере, Земле в целом, космических объектах) А.Е. Ферсман в 1923 г. предложил термин «кларк».

Данные табл. 4.2 показывают, что земная кора почти наполовину (47%) состоит из кислорода и ее можно назвать «кислородной сферой». Вместе с кремнием эти элементы составляют приблизительно 80% массы земной коры, а с учетом кларков алюминия, железа, кальция, натрия, калия, магния и титана сумма увеличивается до 99,48%. Доля всех остальных элементов составляет около 0,5%.

Таблица 4.2. Химический состав земной коры

Кларк концентрации.Отношение содержания элемента в данной системе к его кларку в земной коре называется кларком концентрации. Этот термин введен В.И. Вернадским в 1937 г. и является важной геохимической характеристикой. Если кларк меньше единицы, то пользуются показателем кларк рассеяния — величиной, обратной кларку концентрации.

Кларки концентрации и рассеяния одного и того же элемента в различных ландшафтно-географических обстановках могут колебаться в очень больших пределах, что зависит от первичных источников элемента, его миграционной способности, формы нахождения элемента в природных системах и свойств среды рассеивать или концентрировать элемент. На рис. 4.10 показан кларк концентрации бария в земной коре. Наибольшее значение (1,27) характерно для кислых пород, наименьшее (n×10^-5) — для водной среды.

Миграция и дифференциация вещества.Вещество Земли находится в постоянном движении. На миграцию (движение, перемещение, перераспределение) и дифференциацию элементов влияют две группы факторов: внутренние — свойства химических элементов, определяемые строением атомов, их способностью образовывать соединения, осаждаться из растворов и расплавов, и внешние, характеризующие обстановку миграции — температура, давление, кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия (рН и Eh).

Рис. 4.10. Кларк концентрации бария (по А. И. Перельману): 1 — изверженные породы, кислые; 2 — то же, основные; 3 — то же, ультраосновные; 4 — известняки; 5 — сланцы углеродисто-кремнистые; 6 — песчаники; 7 — глины и сланцы; 8 — глины; 9 — терригенные породы; 10 — бокситы; 11 — антрацит; 12 — нефть; 13 — глубоководная глина; 14 — бурый уголь; 15 — галолиты; 16 — гипсолиты; 17 — рассолы; 18 — почва

Помимо факторов миграции имеет значение, в какой форме пребывает элемент. Согласно В. И. Вернадскому, основные формы нахождения элементов следующие: 1) горные породы и минералы (в том числе природные воды и газы), 2) живое вещество, 3) магмы (силикатные расплавы), 4) рассеянное вещество.

Химическая миграция вещества в географической оболочке по величине сопоставима с механической, а по значимости превосходит последнюю, так как наряду с биогенной миграцией определяет химический состав всех геосфер. Важнейшее значение имеют два сопряженных процесса — окисление и восстановление. Окисление — это перегруппировка электронов между атомами вещества, в результате которой создаются атомы (ионы) с более высокой валентностью. Наиболее характерной реакцией является присоединение кислорода, т.е. собственно окисление. Признаком окислительной обстановки служит наличие свободного кислорода. Окислителями выступают также сера (SO₄^2-), углерод (СО₂), азот (NO₃^1-, NO₂) и др. Восстановлением называют геохимический процесс, в результате которого происходит присоединение элементами (ионами) электронов и понижение их валентности. В геохимии таким важнейшим процессом считается присоединение водорода, или гидрогенизация вещества. Кроме водорода, восстановителями являются сероводород (H₂S), соединения углерода (СН₄, СО, органическое вещество), двухвалентное железо и марганец и др.

Парагенетические ассоциации элементов.Понятие парагенезиса ввел В.И.Вернадский в 1909 г., хотя в минералогии это явление было описано за 100 лет до него и называлось смежностью. Под парагенезисом понимают совместное нахождение элементов или минералов, связанных между собой генетически. Отрицательный (запрещенный) парагенезис — это невозможность совместного образования и нахождения элементов или минералов.

Оба понятия имеют общую природу и связаны с условиями образования и взаимодействия химических элементов, которые зависят от близости ионных радиусов, сорбции, радиоактивного распада и других свойств. Знание парагенетических и запрещенных ассоциаций — важная предпосылка поиска полезных ископаемых, а также средство для оценки поведения некоторых элементов в природной среде и в условиях техногенеза.

Химические элементы и соединения, определяющие условия миграции в данной системе, называются ведущими. Обычно их число невелико. Например, геохимическая обстановка в океане определяется наличием кислорода, натрия и хлора. Во многих природных средах установлена ведущая роль иона Н⁺, от которого зависит рН среды.

Поскольку ведущие элементы определяют поведение в данной системе других элементов и соединений, в геохимии используют принцип подвижных компонентов, сформулированный А. И. Перельманом: геохимическая особенность системы определяется ведущими компонентами. Ведущими являются элементы, обладающие в данной среде высокими кларками, активно мигрирующие и накапливающиеся.

Контрольные вопросы

Что понимается под географической оболочкой?

Каковы границы географической оболочки?

Каков вещественный состав географической оболочки?

Что понимается под системой в естествознании и каковы ее свойства?

Как происходят механические взаимодействия в географической оболочке?

Какова роль гравитации?

Что такое приливообразующая сила и какое влияние она оказывает на Землю?

Как механические движения связаны с вращением Земли?

Что такое магнитосфера и в чем заключается ее роль?

Как используются свойства магнитного поля?

Какова природа формирования электрического поля Земли?

Как осуществляется перенос тепла в географической оболочке?

В чем суть геохимических процессов?

В чем состоит суть парагенезиса?

ЛИТЕРАТУРА

Арабаджи М. С, Мильничук В. С. Тайны земных глубин. — М., 1983.

Арманд Д. JI. Географическая среда и рациональное использование природных ресурсов. — М., 1983.

Бялко А. В. Наша планета — Земля. — М., 1989.

Бестужев-Лада И. У истоков мироздания. — М., 1987.

Войткевич Г. В. Рождение Земли. — Ростов-на-Дону, 1996.

Забелин И.М. Мудрость географии. — М., 1986.

Криволуцкий А. Е. Рельеф и недра Земли. — М., 1977.

Криволуцкий А. Е. Голубая планета. — М., 1985.

Кэри У. В поисках закономерностей развития Земли и Вселенной. — М., 1991.

Орленок В. В. Основы геофизики. — Калининград, 2000.

Перельман А. И., Касимов Н. С. Геохимия ландшафта. — М., 1999.

Потеев М.И. Концепции современного естествознания. — СПб., М., 1999.

Ретеюм А. Ю. Земные миры. — М.,1988.

Рудник В. А., Соботович Э. В. Ранняя история Земли. — М., 1984.

Фишман В. П., Урсов А. А. Приборы смотрят сквозь Землю. — М., 1987.

Хэллем Э. Великие геологические споры. — М., 1985.

Цубои Т. Гравитационное поле Земли. — М, 1982.