Шершнева М.В., Макарова Е.И.. Естественно-научные основы геоэкохимической картины мира
.pdfФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»
М. В. Шершнева, Е. И. Макарова
ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ГЕОЭКОХИМИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА
Учебное пособие
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ ПГУПС
2014
УДК 539.1 ББК 22.3
Ш49
Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент Государственного института экономики, финансов, права и технологий
Е. В. Бенза;
доктор технических наук, доцент кафедры «Техносферная и экологическая безопасность» Петербургского государственного
университета путей сообщения (ПГУПС)
Н. А. Бабак
Шершнева М. А.
Естественно-научные основы геоэкохимической картины миШ49 ра : учебное пособие / М. В. Шершнева, Е. И. Макарова.– СПб. : Пе-
тербургский гос. университет путей сообщения, 2014. – 29 с.
ISBN 978-5-7641-0548-2
Изложены основные представления геоэкохимии о классификации, свойствах и применении горных пород и минералов. В практической и экспериментальной частях пособия предложено ознакомиться с геоэкозащитными свойствами минералов и веществ на их основе, обнаруженными учеными кафедры «Инженерная химия и естествознание», и исследовать их.
Предназначено для студентов специальностей ПСИ, ЛБ и КБ.
ISBN 978-5-7641-0548-2 |
© Петербургский государственный |
|
университет путей сообщения, 2014 |
|
© Шершнева М. В., Макарова Е. И., 2014 |
2
Цель учебного пособия – познакомить студентов с современными представлениями геохимии, геологии и экологии о горных породах и минералах. Практические занятия по дисциплине «Концепции современного естествознания» (раздел «Геологическая картина мира») проводятся в лабораториях кафедры «Инженерная химия и естествознание» и предполагают теоретическое ознакомление с классификацией и свойствами горных пород и минералов, а также практическое изучение химических и геоэкозащитных свойств некоторых природных и техногенных минералов, обнаруженных учеными кафедры «Инженерная химия и естествознание», и веществ на их основе.
1ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1Определения и основные сведения
Геохимия – одно из необходимых направлений в естественнонаучных дисциплинах и тесно связана с геологией. Методология геохимии базируется на общих законах диалектики и, в частности, на изучении закономерностей миграции химических элементов в геологических системах. Предметом изучения геохимии являются атомы химических элементов Земли и космоса, их распределение и миграция в магматических, метаморфических и гипергенных системах под воздействием физико-хими- ческих процессов.
Геология – наука о составе, строении и истории развития Земли. Земля – третья от Солнца планета Солнечной системы и пятая по размеру среди всех планет Солнечной системы. По форме Земля близка к эллипсоиду, сплюснутому у полюсов и растянутому в экваториальной зоне. Средний радиус Земли 6371,032 км, полярный – 6356,777 км, экваториальный – 6378,160 км. Масса Земли – 5,976·1024 кг, средняя плотность – 5518 кг/м3. Земля имеет самый большой радиус, массу и плотность среди планет земной группы, к которым также относятся Венера, Меркурий и Марс. Как и другие планеты земной группы, Земля имеет слоистое внутреннее строение. В настоящее время выделяют несколько оболочек (геосфер) Земли, различающихся по физическим свойствам и химическому составу (табл. 1.1).
3
|
|
|
Таблица 1.1 |
|
|
Характеристика геосфер Земли |
|||
|
|
|
|
|
Оболочка |
Нижняя |
Плотность, |
Компонентный состав |
|
граница, км |
г/см3 |
|||
Кора |
10–30 |
2,80–2,85 |
SiO2, Al2O3, FeO, CaO, MgO, |
|
Na2O, K2О |
||||
|
|
|
||
Верхняя мантия |
350–400 |
2,9–3,5 |
SiO2, MgO, FeO, CaO, Al2O3 |
|
(астеносфера) |
||||
|
|
|
||
Переходная зона |
770 |
3,8–4,2 |
SiO2, MgO, FeO, CaO, Al2O3 |
|
Нижняя мантия |
2875 |
4,5–5,6 |
SiO2, MgO, FeO, Fe, MgS, FeS |
|
Внешнее ядро |
4711 |
9,8–12,2 |
FeO, Fe, FeS, Si, Ni, H, C |
|
Переходная зона |
5160 |
12,2–12,5 |
Fe, FeS, Ni, H, C |
|
Внутреннее ядро |
6371 |
12,7–14,0 |
Fe, Ni, H, C |
Верхний слой (твердая оболочка Земли) называется литосферой (от греч. lithos – камень и sphaira – шар, сфера), которая состоит из земной ко-
ры и верхней части мантии – астеносферы.
Состав твердой части земной коры впервые определил американский исследователь Ф. Кларк в 1889 г. Позже эти данные были уточнены В. И. Вернадским, В. М. Гольдшмидтом, А. П. Виноградовым и др. учеными. Академик А. Е. Ферсман предложил называть среднее содержание отдельных элементов земной коры «числами Кларка», или просто кларками, и выражать эти величины не только в весовых процентах, но и в атомных.
Из всех химических элементов, известных в настоящее время, лишь немногие широко распространены в земной коре. Такие элементы в таблице Д. И. Менделеева располагаются преимущественно в верхней ее части, имеют малые порядковые номера и называются петрогенными. Наиболее распространенными из них являются следующие элементы: О, Si, Al, Fe, Ca, Na, К, Mg, Ti, H и С. На долю всех остальных элементов (металлогенных), встречающихся в земной коре, приходится только несколько десятых процента (по весу). Большинство таких элементов в земной коре присутствует в виде химических соединений. К числу элементов, встречающихся в самородном виде, относятся очень немногие. Все вещества (простые и сложные) возникают в результате химических реакций, протекающих в земной коре при различных геологических процессах, приводящих к образованию разнообразных по составу массивов горных пород и месторождений полезных ископаемых.
В природе родственные по своим свойствам химические элементы образуют ассоциации. Эти ассоциации отражены в преобразованной А. Н. Заварицким таблице Д. И. Менделеева (рис. 1), в соответствии с которой выделяются 10 групп элементов: 1 – благородные газы; 2 – элементы
4
горных пород; 3 – элементы магматических эманаций; 4 – группа железа; 5 – редкие; 6 – радиоактивные; 7 – металлические; 8 – металлоидные и металлогенные; 9 – группа платины; 10 – тяжелые элементы. При концентрации элементов образуются месторождения полезных ископаемых.
Горные породы представляют собой природные агрегаты минералов более или менее постоянного состава. Термин «горные породы» впервые в современном понимании был использован русским ученым В. М. Севергиным. Минералами являются любые химические элементы, соединения или другие гомогенные вещества (растворы), встречающиеся в природе как продукты неорганических процессов.
Рис. 1 Геохимическая таблица элементов
Воснове классификации минералов лежат их химические и структурные признаки. Минералы делятся на две группы – простые вещества и соединения.
Внастоящее время известно более 3000 минералов, среди них наиболее распространены: силикаты (25 % от общего числа минералов; оксиды и гидроксиды (12 %); сульфиды и их аналоги (13 %); фосфаты, арсенаты, ванадаты (18 %). Физические и химические свойства минералов обусловлены их кристаллической структурой и химическим составом. В основу классификации минералов положены различия в типах химических соединений, кристаллических структур и их пространственных мотивов (островные, цепочечные, слоистые и др.).
5
Большинство минералов – твердые тела, имеющие кристаллическое строение. Вода и ртуть являются примерами жидких минералов, воздух и гелий (из скальных пород или гелиевых источников) – примеры газообразных минералов. Амальгама (раствор серебра или золота в ртути) – пример раствора, являющегося минералом. Горные породы представляют собой либо простые минералы, например, известняк, состоящий из минерала кальцита СаСО3, либо смеси минералов, например, гранит, который является смесью трех минералов – кварца, полевого шпата и слюды. Всего известно несколько тысяч минералов, но в состав горных пород в основном входит несколько десятков наиболее распространенных минералов, которые называются породообразующими (табл. 1.2).
Кроме минералов, входящих в состав горных пород, возможны и другие формы их существования:
o отдельные кристаллы или их сростки (друзы);
o конкреции – шаровидные агрегаты радиально-лучистого строения; o секреции, которые образуются в результате заполнения минеральным веществом полости в горных породах;
o натеки в виде желваков, почек, сталактитов и т. п.
1.2 Образование минералов и горных пород
Минералы и горные породы в зависимости от характера энергии процесса их образующего делятся на эндогенные, связанные с внутренней энергией Земли, и экзогенные, связанные с внешними видами энергии – ветровой и солнечной.
Эндогенные минералы в основном образуются в результате следующих процессов:
1) магматизма – внедрения магмы или излияния ее на земную поверхность в виде лавы с последующим остыванием и затвердеванием. Горные породы, состоящие из образовавшихся таким образом минералов, называются магматическими (МГП) (см. табл. 1.2) и классифицируются по химическому составу и по условиям образования. Что касается состава, то наиболее важным является содержание в породе оксида кремния (SiO2). В зависимости от этого МГП подразделяются на:
o кислые (содержание SiO2 > 65 %);
o средние (52 % < SiO2 < 65 %);
o основные (40 % < SiO2 < 52 %); o ультраосновные (SiO2 < 40 %).
К магматическим горным породам относятся гранит, кварц, полевые шпаты, пемза, габбро, базальты и др.
6
Основные породообразующие минералы
|
|
|
|
|
Способ образования, |
|
|
|
|
|
|
Класс |
|
|
Название минерала |
Химическая формула |
распространенность |
|
|
|
|
|
в горных породах |
1 |
|
|
2 |
3 |
4 |
|
|
|
Ортоклаз |
K2O·Al2O3·6SiO2 |
МГП1), ММГП2), ОГП3) – |
|
|
шпаты |
Альбит – натриевый |
Na2O·Al2O3·6SiO2 |
граниты, гнейсы, пески |
|
|
(кислый) плагиоклаз |
|
и песчаники |
|
|
|
|
Анортит – кальциевый |
CaO·Al2O3·2SiO2 |
|
|
|
Полевые |
(основной) плагиоклаз |
ния в них альбита |
|
|
|
|
Плагиоклазы – смесь |
Основные, средние и кислые |
|
|
|
|
альбита и анортита |
в зависимости от содержа- |
|
Силикаты |
|
|
|
и апортита |
МГП – диориты, габбро, |
|
|
|
2 6 |
||
|
|
Оливин |
(Mg,Fe)·SiO2 |
МГП – габбро, дуниты, |
|
|
|
|
|
|
перидотиты, диабаза, базальты |
|
|
Авгит |
Ca(Mg,Fe,Ti,Al)·[(Si,Al) O ] |
ММГП - роговики |
|
|
|
|
|
|
пироксениты, андезиты, |
|
|
|
|
|
базальты |
|
|
|
|
|
ОГП – вулканический туф |
|
|
Мусковит – светлая слюда |
KAl2·[AlSi3O10]·(OH,F)O2 |
ММГП – гнейсы, слюдяные |
|
|
|
|
|
|
сланцы |
|
|
|
|
|
МГП – граниты, сиениты |
|
|
Биотит – темная слюда |
K(Mg,Fe)3·[AlSi3O10]·(OH,F) |
ОГП – пески, глинистые |
|
|
|
|
|
|
породы в виде примеси |
|
|
|
|
|
|
1) |
МГП – магматические горные породы; |
|
|||
2) |
ММГП – метаморфические горные породы; |
|
|||
3) |
ОГП – осадочные горные породы. |
|
|
7
Таблица 1.2
Практическое
значение
5
Самые распространенные минералы. Используют в производстве строительных материалов, фарфора, фаянса
Применяются как сырье для огнеупоров
Распространенный
минерал
Используется как диэлектрик в приборостроении, при изготовлении красок
Используется для приготовления жаростойких масс, красок
7
8 |
|
|
|
|
|
|
|
Продолжение табл. 1.2 |
|||
|
|
1 |
|
2 |
|
3 |
|
4 |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
Глауконит – гидрослюда |
|
K(Mg,Fe,Аl)·(AlSi3O10) |
|
ОГП – песчаники, глинистые |
|
Для производства калий- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
породы, известняки |
|
ных удобрений, изготовле- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ния красок |
|
|
|
|
|
Роговая обманка |
|
Сложный |
|
МГП, ММГП |
|
Распространенный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
минерал |
|
|
|
|
|
Тальк |
|
Mg3[Si4O10]·(OH)2 |
|
ММГП – сланцы, |
|
Огнеупорный материал, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
серпентинит |
|
который в порошке приме- |
|
|
|
Силикаты |
|
|
|
|
|
|
|
няется в бумажной и тек- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стильной промышленности |
|
|
|
|
|
|
Хлорит |
|
(Fe,Mg)5Al(OH)8·[AlSi3O10] |
|
ММГП – хлоритовые, |
|
При высоком содержании |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
талько-хлоритовые сланцы, |
|
железа используется как |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
серпентиниты |
|
железная руда |
|
|
|
|
|
Серпентин (змеевик) |
|
Mg6(OH)8·[Si4O10] |
|
ММГП – серпентиниты |
|
Поделочный камень |
|
|
|
|
|
Монтмориллонит |
|
(Al2Mg3)·(Si4O10)·(OH)2·nH2O |
|
ОГП – глинистые породы |
|
Используется в различных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
строительных технологиях |
|
|
|
|
|
Каолинит |
|
Al4·[Si4O10]·(OH)8 |
|
ОГП – глинистые породы, |
|
Для производства фарфора, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
аргиллиты, мергели. |
|
бумаги, красок и др. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ММГП – глинистые сланцы |
|
|
|
|
|
|
|
Кварц |
|
SiO2 |
|
МГП, ММГП, ОГП – грани- |
|
Используется в электро- |
|
|
|
гидроксиды |
|
|
|
|
|
ты, гнейсы, сланцы, песча- |
|
технике, оптике. Разновид- |
|
|
|
|
|
|
|
|
ники, глинистые породы |
|
ственных изделиях |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ности – аметист, морион |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и др. – используются |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в ювелирных и художе- |
|
|
|
и |
|
Халцедон |
|
Скрытокристаллическая |
|
МГП – базальт, порфирит, |
|
Разновидности халцедона – |
|
|
|
Оксиды |
|
|
|
разновидность кварца |
|
ОГП – опоки |
|
агат, яшма – используются |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
как поделочный материал |
|
|
|
|
|
Опал |
|
SiO2·nH2O |
|
ОГП – диатомиты, трепелы, |
|
Используется в ювелирном |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
опоки |
|
деле |
|
8
|
|
|
|
Продолжение табл. 1.2 |
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Лимонит (бурый железняк) |
Fe3O3·nH2O |
ОГП – озерные, болотные, |
Руда для получения железа |
Оксиды гидроксиды |
|
|
луговые, дерновые руды. |
|
|
|
Природный цемент |
|
|
|
|
|
обломочных пород |
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кальцит |
CaCO3 |
ОГП – известняки, мел, |
Для производства извести |
Карбонаты |
|
|
мергель, ММГП – мрамор |
|
|
Доломит |
CaMg(CO3)2 |
ОГП – доломиты, известняки |
Материал для огнеупоров. |
|
|
|
ММГП – серпентиниты, |
Используется для произ- |
|
|
|
мраморы |
водства удобрения |
|
|
|
|
(доломитовая мука) |
|
|
|
|
|
Сульфиды |
Пирит (серный колчедан) |
FeS2 |
МГП – рудные жилы, ОГП – |
Используется в качестве |
|
|
примесь в глинах, мергелях, |
сырья для получения |
|
|
|
|
известняках |
серной кислоты |
|
|
|
ММГП – в мраморах |
|
|
|
|
|
|
|
Гипс |
СaSO4·2H2O |
ОГП – примесь в глинах, |
Используется в качестве |
|
|
|
мергелях, известняках, |
строительных изделий, |
Сульфаты |
|
|
каменной соли |
в скульптуре, медицине, |
|
|
|
для получения удобрений |
|
|
|
|
|
|
|
Ангидрид |
СaSO4 |
ОГП – ангидрид, при гидра- |
Сырье для получения |
|
|
|
тации переходит в гипс |
серной кислоты. Использу- |
|
|
|
|
ется при производстве |
|
|
|
|
цемента, как поделочный |
|
|
|
|
материал |
|
|
|
|
|
9
9
10
|
|
|
|
Окончание табл. 1.2 |
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
|
|
Используется в пищевой |
|
Галит |
NaCl |
ОГП – каменная соль |
и химической промышлен- |
|
|
|
|
ности |
|
|
|
|
|
Галоиды |
|
|
|
В химической промыш- |
Сильвин |
KCl |
ОГП – калийная соль |
ленности для производства |
|
|
|
|
|
удобрений |
|
|
|
|
В металлургии, в химиче- |
|
Флюорит |
CaF2 |
МГП – рудные жилы, |
ской промышленности |
|
в ОГП – как примесь |
для получения плавиковой |
||
|
|
|
|
кислоты |
|
|
|
|
|
Фосфаты |
Апатит |
Ca5[PO4]3·(F,Cl) |
МГП (нефелиновый сиенит) |
В производстве |
|
и ММГП |
фосфорных удобрений |
||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
10