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:

Элемент	Содержание, %	Элемент	Содержание, %
Железо	41,87	Сера	1,41
Кислород	27,27	Кальций	1,06
Кремний	12,23	Алюминий	1,02
Магний	10,68	Калий	0,74
Никель	3,14

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

Элемент	Содержание, %
по А. И. Перельману	по А. П. Виноградову
Кислород		49,13
Кремний	29,5	26,00
Алюминий	8,05	7,45
Железо	4,65	4,20
Кальций	2,96	3,25
Натрий	2,50	2,40
Калий	2,50	2,35
Магний	1,87	2,35
Титан	0,45	0,61
Остальные	0,52	2,26

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).

Геохимические процессы - student2.ru

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?