Учебное пособие по курсу «Геохимия»
Скачать 0.84 Mb.
|
9. Геохимия атмосферы. Атмосфера – это газовая оболочка Земли. Ее плотность быстро уменьшается с высотой. Так, у поверхности Земли давление воздуха составляет 1,013 * 105 Па, на высоте 50 км – 90 Па, на высоте 200 км – 4 * 10-6 Па. В атмосфере выделяют оболочки: тропосфера, стратосфера, мезосфера, ионосфера, экзосфера. Тропосфера – нижняя наиболее плотная часть атмосферы. Она простирается до высоты 8-10 км в полярных областях и до 16-18 км у экватора. Она характеризуется турбулентным перемещением воздушных масс. Температура в тропосфере уменьшается с высотой на 6О с/км. Стратосфера простирается до высоты 50 км. На высоте 25-30 км Земля окружена жизненно важным слоем, обогащенным озоном О3 (озоновый слой). Если собрать весь озон в компактный слой, то его мощность была бы 2-4 мм. Мезосфера простирается между высотами 50-80 км. Температура на ее верхней границе составляет – 800 С. Ионосфера простирается до высоты 1000 км. Выше она сменяется экзосферой, плавно переходящей в космическое пространство. В ионосфере нет молекул воздуха. Они все диссоциированы, а их атомы ионизированы за счет больших энергий соударений. Сухой воздух тропосферы имеет следующий состав: N – 78,09 об.%, О – 20,95 об.%, Ar – 0,93 об.%, СО2 – 0,03 об.%. В весовых процентах это будет : N – 75,51 вес.%, О – 23,15 вес.%, Ar – 1,28 вес.%, СО2 – 0,046 вес.%. В тропосфере всегда есть пары и капельки воды в количестве 0,1 – 2,8 об.%, а также аэрозоли коллоидных частиц природной и техногенной пыли. Ветер тропосферы способен переносить во взвешенном состоянии алевритовые и пелитовые частицы на сотни и тысячи километров, а песчаные и более грубые частицы он переносит волочением на десятки и сотни километров. Атмосфера возникла 3,9 млрд. лет назад за счет дегазации Земли. Она почти нацело состояла из СО2 и была резко восстановительной. Давление в ней составляло4 – 4,7 бар, а температура у поверхности Земли достигала +1000 С. Но океан не вскипел из-за повышенного общего давления атмосферы. Для вскипания требовалась температура около +1500 С. В раннем протерозое в связи с интенсивным осаждением карбонатов стало быстро уменьшаться как общее давление атмосферы, так и давление Рсо2. Последнее к рубежу 2,4 * 109 лет назад снизилось до 0,73 мбар, а приземная температура упала до +60 С. В протерозое и палеозое происходило плавное уменьшение Рсо2 и возрастание Ро2 в атмосфере Земли, вследствие осаждения карбонатов и биогенного фотосинтеза кислорода. В протерозое атмосфера стала азотной, а в фанерозое – азотно-кислородной. В начале протерозоя кислорода в атмосфере Земли практически не было, а в начале палеозоя Ро2 уже составляло 0,04 – 0,05 бар (т.е. 20% от современного). В конце палеозоя Ро2 достигло современного (0,23 бар). Атмосфера в наше время испытывает огромное антропогенное воздействие, нарушающее ее экологию. Главным здесь является следующее:
4. Загрязнение антропогенной минеральной пылью, свинцом, тяжелыми металлами, радиоактивными отходами, продуктами химизации сельского хозяйства. 5. Сброс в природу огромного количества бытовых отходов и др. 10. Геохимия биосферы 10.1. Состав биосферы. Биосфера – это оболочка Земли, заселенная жизнью. Она включает верхнюю часть литосферы, гидросферу и нижнюю часть тропосферы. Биосфера очень мобильна. Она постоянно находится в состоянии непрерывного движения, изменения, эволюционного развития и играет огромную роль в геологических (в том числе и геохимических) процессах. Масса биосферы, т.е. масса живущих на Земле организмов составляет 24,23∙1011 т. Из них 99,87% приходится на континенты и 0,13% - на океаны. Ежегодная продукция живого вещества составляет 3∙1011 т/год, т.е. вся биомасса Земли обновляется за 8 лет. Масса живого вещества в океане представлена на 90% фито- и зоопланктоном, населяющим океан до глубины 200 м. Биомасса океана обновляется за 33 дня, а фитомасса суши – за 14 лет. Растения суши и фитопланктон океана обновляют всю СО2 атмосферы за 6,3 года. Средние содержания основных химических элементов в сухом веществе растений и животных биосферы следующие (в атомных %): H – 46,7; C – 30; O – 16,9; N – 3,4; P – 0,8; Na – 0,8; K – 0,6; S – 0,3; Ca – 0,2; Mg – 0,1. Эти цифры показывают, что биосфера на 97% сложена четырьмя главными элементами H, C, O, N. На долю следующих шести малых элементов биосферы P, Na, K, S, Ca, Mg приходится 2,8%. Кроме того, в растениях и животных биосферы обнаружено еще более 60 химических элементов, но в очень малых концентрациях. К этим микроэлементам биосферы относятся Cl, Si, Zn, F, Br, J, Mn, Ni, B, Ba, Al, Fe, V, Sn, W и др. Микроэлементы, постоянно присутствующие в организмах, выполняют вполне определенные жизненно важные функции, являются катализаторами биохимических реакций. При недостаточном или избыточном поступлении в организм этих элементов растения и животные болеют из-за нарушения биохимических процессов. В ряде случаев, однако, организмы могут в такой степени приспособиться к высоким содержаниям определенных элементов в среде, что, обогащаясь ими, становятся биохимическими индикаторами и используются при биогеохимических методах поисков месторождений полезных ископаемых. В основе функционирования биосферы лежит обратимая реакция поглощения СО2 и Н2О хлорофиллом на свету и образование (в результате этого фитобиосинтеза) органического вещества (ОВ), представителем которого в реакции выступает глюкоза, и свободного кислорода 6∙СО2 + 6∙Н2О ↔ С6Н12О6 + 6∙О2 (1) Эта реакция, идущая слева направо, является эндотермической, т.е. идет с поглощением световой энергии в количестве 2722 кДж и она описывает жизнедеятельность растений. Когда реакция протекает справа налево, то является экзотермической с выделением того же количества, но тепловой энергии, и она описывает жизнедеятельность животных, потребляющих в пищу ОВ, дышащих кислородом, и в итоге превращающих все это в Н2О и СО2, а выделяемая при этом энергия обеспечивает жизнедеятельность. Эта реакция, идущая справа налево, хорошо описывает и процесс разложения растительного и животного ОВ после смерти растений и животных. Поэтому реакция (1) слева направо описывает жизнь, а справа налево – смерть ОВ. Так как баланс жизни и смерти в истории Земли часто нарушается как в глобальном, таки в региональном плане, то это приводит к захоронению ОВ в осадочных породах с последующим образованием месторождений угля, нефти, газа. Подавляющая часть 99,7% захороненного в земной коре ОВ находится в рассеянном состоянии. Средние содержания Сорг. в осадочных породах (вес.%): глинистых – 0,9%, алевролитовых – 0,45%, песчаных – 0,20%, карбонатных – 0,20%, а в углях его 67%. Соотношение масс рассеянного в породах ОВ к массе углей и нефти составляет 100:0,3:0,03. Главными компонентами живых организмов (растений и животных) являются углеводы, лигнин и белки. Из них в растительном ОВ резко преобладают углеводы (70 − 80%), далее идет лигнин, а белков еще меньше. В животном ОВ резко преобладают белки, далее идет лигнин, лепиды, смолы, а углеводов очень мало (2%). После смерти растений и животных их ОВ подвергаются распаду и преобразованию в гумусовое вещество. Поэтому гуминовые кислоты образуют основную массу ОВ, участвующего в геохимических процессах биосферы и составляют главную основу ископаемого ОВ. Молекулы гуминовых кислот состоят из ядер (ароматических) и многочисленных периферийных функциональных групп: гидроксильных (ОН), карбоксильных (СООН), азотных (N) серных (S), кислородных (О). Молекулы гуминовых кислот являются очень крупными и состоят из многих сотен, тысяч и десятков тысяч атомов. 10.2. Геохимические функции органического вещества Главными геохимическими функциями органического вещества являются: 1) транспортная, 2) концентрационная, 3) барьерная, ;) средообразующая. Транспортная функция ОВ реализуется несколькими способами:
Концентрационная функция ОВ заключается в том, что организмы в процессе жизнедеятельности концентрируют в себе не только главные биофильные элементы Н, С, О, N, но избирательно и много других химических элементов Ca, Si, P, S, Na, Mg, K, Fe, Ba, Zn, Cu и др. После отмирания и накопления остатков организмов на дне могут создаваться месторождения карбонатных, кремнистых пород, фосфоритов, торфа и др. Концентрироваться микроэлементы могут продуктами разложения ОВ, о чем говорилось выше. Барьерная функция ОВ. Органическое вещество создает геохимический барьер двух типов: восстановительный и сорбционный. Осадки и породы, содержащие ОВ, обычно характеризуются восстановительной средой, т.к. на преобразование ОВ расходуется кислород и среда им обедняется, что видно из уравнения (1). Поэтому мигрирующие сюда водные флюиды из окружающих пород с окислительной средой быстро теряют свой окислительный потенциал и становятся восстановительными. Возникает восстановительный барьер, на котором может резко уменьшиться миграционная способность некоторых приносимых флюидом компонент, которые здесь и фиксируются в виде труднорастворимых минералов. Например, ионы уранила   , содержащие в высшей степени окисленный уран U6+, неплохо растворимы в окислительных водных флюидах. Оказываясь на восстановительном барьере, уран восстанавливается до иона U4+ и вместо растворимых ионов уранила здесь формируется нерастворимый в воде минерал уранинит  , который осаждается и накапливается на барьере. Такая ситуация, например, создается на границе песчаных и глинистых пород, где со стороны последних могут создаваться месторождения урановых руд. В песчаных породах среда окислительная, а в глинистых – восстановительная. Подобным же образом могут образовываться месторождения ванадиевых руд вследствие восстановления V5+ ( в растворимом ванадиле  ) до V3+ в нерастворимом минерале кулсоните FeV2O4. Продукты преобразования отмершего ОВ характеризуются повышенной сорбционной способностью и поэтому в местах их скопления создаются сорбционные барьеры. Избирательность сорбции тех или иных химических элементов разными типами ОВ уже рассмотрена выше.Средообразующая функция ОВ. Органическое вещество в процессе своей жизнедеятельности, а также в процессе своего преобразования после отмирания изменяет геохимические параметры окружающей среды. Меняются окислительно-восстановительный потенциал, кислотность-щелочность, химизм среды. Например, кислородная зона Мирового океана создается в основном фитопланктоном, который поглощает СО2, а выделяет кислород. Это приводит к осаждению в прибрежной шельфовой области окисных руд железа и марганца. Углекислотная зона Мирового океана развивается за счет разложения отмершего ОВ на морском дне глубже 200 м. создается восстановительная среда насыщенная углекислым газом, и здесь образуются карбонатные осадки и в их числе карбонатные сидеритовые руды железа и родохрозитовые руды марганца. Аналогично, при еще большем накоплении на дне отмершего ОВ создается и сероводородная зона Мирового океана с еще более восстановительной средой и широким развитием сульфатредуцирующих бактерий. Здесь развивается сульфидный диагенез, ответственный за накопление в осадках (особенно в углеродистых осадках) сульфидов халькофильных элементов: Fe, Cu, Zn, Pb, Mo, Ni, Co, Ag, Cd, Pt. Разлагающееся на дне отмершее ОВ обогащает осадок и природную воду не только газовыми компонентами СО2, H2S оно обогащает среду и микроэлементами минерального питания растений, которые, выносясь на теплый шельф в зонах апвелинга, обеспечивают бурное развитие жизни и лавинное осадконакопление с формированием фосфоритовых руд. 11. Источники энергии геохимических процессов. Различают эндогенные и экзогенные источники энергии. Среди эндогенных главными являются: 1. Энергия гравитационной дифференциации вещества Земли по плотности; 2. Энергия радиоактивного распада химических элементов Земли. Среди экзогенных тоже выделяются два источника:
Главный вклад в эндогенную энергию Земли вносит энергия гравитационной дифференциации, выделяющаяся на границах: мантия-ядро; внешнего и внутреннего ядра Земли. Эта энергия питает магматизм, метаморфизм и тектонику Земли. Она начала выделяться 4 млрд. лет назад, когда стал оформляться зародыш ядра Земли, достигла своего максимума 2.6 млрд. лет назад (46,5∙1020 эрг/с), когда у Земли возникло плотное ядро, и с тех пор уменьшается с локальными максимумами, отвечающими эпохам повышенной тектонической активности Земли. В настоящее время эта энергия равна 3∙1020 эрг/с и составляет 70% от суммарных теплопотерь Земли 4,3∙1020 эрг/с. Энергия радиоактивного распада сейчас равна 1,26∙1020 эрг/с, что составляет 29% от общих теплопотерь Земли. Причем 72% радиогенного тепла генерируется в земной коре и 28% − в мантии. Главными генераторами радиогенного тепла являются K40, U235, U238, Th232. Их максимальные концентрации приходятся на гранито-гнейсовый слой земной коры. Сейчас радиогенного тепла выделяется в 5,5 раз меньше, чем в момент образования Земли из-за распада части изотопов. Солнечная энергия. Суммарный поток солнечной энергии на Землю составляет 1,8∙1024 эрг/с. Из него 34% отражается в космос, а оставшиеся 66% (1,17∙1024 эрг/с) поглощается Землей и представляет собой экзогенную энергию, которая обеспечивает протекание практически всех экзогенных процессов на Земле: выветривание, перенос и отложение его продуктов, диагенез, катагенез, динамику гидросферы и атмосферы, развитие биосферы, биогеохимические процессы и др. Солнечная энергия утилизируемая Землей, т.е. ее экзогенная энергия в 2700 раз превосходит по величине энергию современного эндогенного теплового потока Земли (4,3∙1024 эрг/с). Энергия приливного взаимодействия Луны с Землей − это энергия внутреннего трения в приливных горбах, вслед за Луной обегающих и деформирующих тело Земли. В настоящее время большая часть этой энергии выделяется и тратится на течения приливов в мелководных морях, и небольшая часть − в астеносфере Земли. Общая величина этой энергии сейчас составляет 0,04∙1020 эрг/с, т.е. 1% от суммарных теплопотерь Земли. Так было в фанерозое, протерозое, позднем архее. Однако, в раннем архее и катархее (3,5-4,6 млрд. лет назад) энергия приливного взаимодействия была очень большой (из-за) близости Луны), распределялась по всей Земле и целиком уходила на ее разогрев. |
, 
, 
, Похожие:
 | Учебное пособие по курсу «Лыжный спорт» Техника и методика обучения классическим лыжным ходам. Учебное пособие по курсу «Лыжный спорт» /фгбоу спо «бгуор». Брянск, 2014 | | Учебное пособие к курсу “Upstream” Уровни А2―В1 Издательство «мгимо-университет» Учебное пособие предназначено для студентов 2 курса факультета мэо, которые изучают английский как второй иностранный язык |
| Учебное пособие включает материалы лекционных занятий по курсу «Социология... Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения всех специальностей, кроме специальностей социально-экономического... | | А. Л. Темницкий Социологические исследования Учебное пособие предназначено для студентов и аспирантов высших учебных заведений, заинтересованных в исследовательском воплощении... |
| Учебное пособие по курсу «Философия науки» Литература, карточка обеспеченности учебной литературой по курсу библиотекой вгпу | | Учебное пособие по курсу «Управление качеством» (практикум) Учебное пособие предназначено для студентов экономических специальностей, разработано на основе государственных стандартов по специальностям... |
| Учебное пособие по курсу “Технология приборостроения” Москва,1998 |  | Психология Учебное пособие Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения и обучающихся в сокращенные сроки |
| Учебное пособие М.: Руссобит-М, 2001. 1 Cd-rom математика. 5 класс.... | | Учебное пособие Тамбов 2002 г. Авторы составители: Кузьмина Н. В,... Учебное пособие «Создание Web-сайтов» предназначено для слушателей курсов повышения квалификации на базе Тамбовского рц фио по программе... |
| Учебное пособие представляет собой материалы к курсу «Немецкий язык» Материалы к курсу «Н язык». Казань: Казанский государственный университет, 2009. 40 с | | Учебное пособие «Желтухи у новорожденных и детей раннего возраста» Учебное пособие предназначено для послевузовского образования врачей: педиатров и общей практике |
| Рекомендации по выполнению и защите. Учебное пособие Настоящее учебное пособие обсуждено и одобрено учебно-методической комиссией факультета психологии 17 мая 2001 года | | Учебное пособие по политологии. Владикавказ: 2015 г Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной формы обучения направления "бакалавр", преподавателей, аспирантов |
| Учебное пособие Омск-2003 удк 5(075) ббк 20я73 Л 83 Сборник заданий по курсу “Концепции современного естествознания” : Учеб пособие Омск: Изд-во Омгту, 2003. 68с | | Учебное пособие Печатается по решению Учебно-методической комиссии... Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих дополнительные разделы сейсморазведки |
