- •Введение
- •Рекомендации к тестовым заданиям
- •Три агрегатных состояния планеты
- •Глава 1. Атмосфера – скафандр земли
- •Структура атмосферы
- •Состав атмосферы
- •Первичные атмосферы Земли
- •О динамике накопления кислорода в земной атмосфере
- •Азот – основной компонент воздуха
- •Углекислый газ – третий важнейший для живых организмов компонент воздуха
- •Циркуляция атмосферы
- •1.8. Аэрозоли атмосферы
- •1.9. Рассеянные металлы в тропосфере – природное явление
- •1.10. Источники поступления тяжелых металлов в атмосферу
- •Глава 2. Гидросфера – вместилище основного элемента аристотеля
- •2.1. Гидросфера как природная система
- •2.2. Физические свойства воды. Уникальные свойства
- •2.3. Характеристика состава природных вод. Растворенные газы
- •2.4. Главные компоненты в природных водах
- •2.5. Микроэлементы в составе природных вод
- •2.6. Естественные источники загрязнения воды
- •2.7. Океан. Состав океанской воды
- •2.8. Соленость океанской воды
- •2.9. Океан – индивидуальная форма структуры для нашей планеты
- •2.10. Озера. Химия озер
- •Глава 3. Литосфера – твердая оболочка земли
- •3.1. Строение Земли
- •Ядро и мантия
- •Литосфера – особая область планеты
- •Химический состав земной коры как фактор биосферы
- •Минерально-сырьевой потенциал России
- •Почва – ценный ресурс литосферы
- •Почва, ее состав и строение
- •3.9. Органические вещества почвы
- •Почвенная биота
- •Биосфера – самая молодая и самая динамичная часть Земли2
- •Антропогенные воздействия на биосферу
- •Глава 4. Проблемы атмосферы
- •4.1. Различные типы загрязнения воздуха
- •4.2. Естественные загрязнения атмосферного воздуха
- •4.3. Антропогенное загрязнение атмосферного воздуха
- •4.4. Парниковый эффект
- •4.5. Парниковые газы
- •4.6. Большой климатический спор о влиянии парниковых газов на климат
- •4.7. Озон в верхних слоях атмосферы. («Озоновый экран»)
- •4.8. Истощение озонового слоя в стратосфере
- •4.9. Влияние различных загрязнителей атмосферы на озон
- •4.10. Размышления об озоне и не только
- •Содержание
- •Глава 1. Атмосфера – скафандр для Земли
- •Глава 2. Гидросфера – вместилище основного элемента Аристотеля
- •Глава 3. Литосфера – твердая оболочка Земли 47
- •Глава 4. Проблемы атмосферы 67
-
Химический состав земной коры как фактор биосферы
Первой количественной геохимической характеристикой земной коры стало среднее содержание химических элементов [3, с.197].
Эти величины впервые были определены в 1869 г. для десяти наиболее распространенных химических элементов Ф.У. Кларком:
O – 46,28; Si – 28,02; Al – 8,14; Fe – 5,58; Ca – 3,27; Mg – 2,77; K – 2,47; Na – 2,43; Ti – 0,33; P – 0,10.
Позже, в 1908 г. он опубликовал более полную сводку. При этом в массу земной коры были включены гидросфера и атмосфера. Так как последние составляют в сумме чрезвычайно малую часть массы твердой коры, то установленные средние содержания практически и отражают состав именно земной коры (табл. 8).
Следовательно, в земной коре находится основной резерв химических элементов, которые вовлекаются в миграционные процессы под действием живого вещества. В.И. Вернадский отмечал: «… химический состав организмов теснейшим образом связан с химическим составом земной коры; организмы приноравливаются к нему». Данные спектроскопического анализа позволили В.И. Вернадскому сформулировать принцип «всюдности» всех химических элементов. К настоящему времени определено среднее содержание всех элементов в земной коре.
Таблица 8
Характеристика оболочек и ядра Земли
Название оболочки (ядра) |
Мощность, км |
Объем х 1027 см3 |
Средняя плотность, г/см3 |
Масса х 1027 г |
Масса, % |
Атмосфера (со стратосферой) |
50-80 |
0,008 |
1,210-2 210-6 |
0,000005 |
0,00009 |
Гидросфера (в среднем) |
3,8 |
0,00137 |
1,03 |
0,00141 |
0,024 |
Литосфера |
30 |
0,015 |
2,8 |
0,043 |
0,7 |
Мантия |
2870 |
0,892 |
4,5 |
4,054 |
67,8 |
Ядро |
3471 |
0,175 |
10,7 |
1,876 |
31,5 |
Земля в целом |
6371 |
1,083 |
5,527 |
5,974 |
100 |
Элементы распространены в земной коре крайне неравномерно: одних в миллиард миллиардов раз (от n10 до n10-16) больше, чем других.
На долю только O и Si приходится около 70 % массы земной коры. Если к ним добавить еще шесть – Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, то их суммарная масса составит около 98 % массы коры. Добавив к ним еще 29 наиболее распространенных элементов, получим прибавку всего более 1 %, при этом доля большей части всех оставшихся элементов составит лишь первые сотые доли процентов массы земной коры. Резко дефицитными являются инертные газы He, Ne, Kr, Xe, Ar, а также Li, Be, B. Малая распространенность благородных газов объясняется двумя гипотезами. Первая предполагает их постоянный отток от Земли – так называемое «гелиевое дыхание Земли». Эта гипотеза является более распространенной. По второй гипотезе еще при формировании планеты инертные газы оттеснялись от сгущавшихся частиц и были дефицитными на этой стадии. Низкое содержание Li, Be, B объясняется недостаточной устойчивостью их атомных ядер. Это подтверждается экспериментальными данными.
Ведущим химическим элементом земной коры является кислород. По имеющимся расчетам (И.Ф. Реймерс, 1990 г.) в настоящее время свободный кислород образуется со скоростью 1,55109 т/год, а расходуется со скоростью 2,161010 т/год. Таким образом, сейчас расход свободного кислорода более чем в 10 раз превышает его образование. Есть над чем задуматься экологам!
Еще одна особенность: в земной коре, 92 % объема которой приходится на долю кислорода, преобладают так называемые «бескислородные восстановительные обстановки». Это означает, что в большей части литосферы отсутствует свободный кислород.
В земной коре резко преобладают легкие элементы с четными порядковыми номерами и атомными массами, представленные изотопами типа 4 n с устойчивыми ядрами и удерживающиеся гравитационным полем Земли. Так, из шести элементов, составляющих 98 % объема коры, наибольший порядковый номер 20, а наибольшая атомная масса – 40 (Са). О резком преобладании легких элементов свидетельствует и средняя атомная масса земной коры, равная 17,25.
В биосфере, представляющей верхний слой земной коры с существенной ролью гидросферы и атмосферы, преобладание легких элементов выражено еще более контрастно.
В итоге общих усилий ученых разных стран в 20-х годах ХХ в. наметилась общая картина состава земной коры. А.Е. Ферсман ввел понятие «кларк» в честь ученого, который наметил путь к количественной оценке распространения химических элементов.
Укажите правильную формулировку «кларк»…
[1] распространение химических элементов в конкретной геохимической системе;
[2] определенная выборка в геохимической системе;
[3] средние значения относительного содержания химических элементов в земной коре и в других глобальных и космических системах;
[4] участки со значительно повышенным (или пониженным) по сравнению с фоном содержанием химических элементов (их соединений).
-
Недра
Недрами называют часть земной коры, в пределах которой возможна добыча полезных ископаемых [45, 88].
Очевидно, что недра не имеют определенной нижней границы, она зависит от уровня научно-технического прогресса. В настоящее время максимальное достижение геологической практики – Кольская сверхглубокая скважина глубиной 12,3 км. Можно эту цифру считать нижней границей недр, хотя вполне очевидно, что эта граница будет неуклонно увеличиваться. Результаты глубокого (3–7 км) и сверхглубокого (более 7 км) научного бурения на континентах заставляют пересмотреть многие геологические концепции.
Являясь естественным фундаментом земной поверхности, недра активно влияют на окружающую природную среду. В этом заключается их главная экологическая функция.
Основное природное богатство недр – минерально-сырьевые ресурсы, т.е. совокупность полезных ископаемых, заключенных в них. Добыча (извлечение) полезных ископаемых с целью их переработки – главная цель пользования недрами.
Месторождение полезных ископаемых – неординарное явление, необходимо было сочетание во времени и в пространстве значительного количества благоприятных природных факторов, обеспечивших концентрирование в одном месте того или иного вещества. Ясно, что подобные скопления нужного человеку продукта являются скорее исключением, чем правилом, и что количество месторождений не беспредельно. Кроме того, следует иметь в виду, что их распространение по земному шару хотя и подчиняется определенным закономерностям, но отличается неравномерностью.
По физическим свойствам полезные ископаемые бывают твердыми (уголь, рудные и нерудные полезные ископаемые), жидкими (нефть, минеральные воды), газообразными (горючие и инертные газы) (рис. 12).
Минеральные ресурсы относят к категории невозобновляемых природных ресурсов. Горючие ископаемые иногда считают восстановимыми ресурсами, поскольку в течение длительного геологического времени они способны возобновляться. Однако скорость их восстановления несоизмеримо мала по сравнению со скоростью их извлечения из недр и интенсивного использования человеком.
Все месторождения можно условно разделить на четыре группы (рис. 12.): рудные (металлические), нерудные (неметаллические), горючие (каустобиолиты), гидроминеральные. В первой группе промышленную ценность представляют рудные элементы, находящиеся в основном в минеральной и изоморфной формах, во второй – сами минералы, в третьей – сложные органические соединения элементов, находящихся в форме газовых смесей и минералов (твердых и жидких), в четвертой группе – водные растворы многих элементов.
Месторождение – это крупные скопления химических элементов, т.е. крупные природные геохимические аномалии, приуроченные к строго определенным типам горных пород.
Рис. 12. Классификация полезных ископаемых
Месторождения полезных ископаемых магматического происхождения встречаются в массивах ультраосновных и основных изверженных пород. Типичным примером являются медноникелевые месторождения Мончегорского района на Кольском полуострове. Крупные массы сульфидов благодаря своему большому весу сконцентрированы в нижней части массива изверженных пород.
Образование минералов из газовой фазы, главным образом в процессе возгонки, называется пневматолизом (от греч. pnevma – пар, дыхание). Эти минералы осаждаются на стенках кратеров вулканов и в трещинах окружающих горных пород. Намного интенсивнее происходит минералообразование в том случае, когда легколетучие соединения задерживаются в глубине. Эти минеральные образования, несмотря на значительно меньшую их массу по сравнению с магматическими горными породами, имеют весьма важное значение, так как с ними связано образование месторождений важнейших полезных ископаемых, главным образом руд цветных, благородных и редких металлов.
С корами выветривания связаны разнообразные месторождения полезных ископаемых, в том числе весьма крупных (выветриванием называется сумма физических, химических и физико-химических процессов преобразования горных пород и слагающих их минералов на поверхности суши под влиянием факторов и условий среды; ветровая деятельность имеет весьма отдаленное отношение к процессам выветривания). Так, известное железорудное месторождение Курской магнитной аномалии представляет собой в верхней, наиболее богатой части древнюю, раннепалеозойскую кору выветривания магнетитсодержащих кварцитов.
С аллювиальными отложениями связаны россыпные месторождения многих важных полезных ископаемых (все виды речных отложений называются аллювием). Россыпями называют скопления обломочного материала, содержащие ценные устойчивые минералы с большим удельным весом. Разрабатывают россыпи золота, платины, вольфрамита, алмазов и др.
Так, золото в россыпях присутствует в виде мелких пластинок разной формы. Встречаются самородки массой от нескольких граммов до 1–3 кг. Самый крупный самородок (в 35 кг) в нашей стране был обнаружен на Южном Урале.
Главная область осадочного рудообразования приурочена к прибрежной и шельфовой областям морей. По имеющимся данным, 68 % мировых запасов осадочных железных руд приходится на отложения докембрийского возраста, 10 % – на отложения палеозоя, 19 % – на отложения мезозоя, 3 % – на отложения кайнозоя. Древние осадочные железорудные отложения в дальнейшем подверглись интенсивному метаморфизму и превратились в осадочно-метаморфические. Большая часть месторождений марганца и бокситов также имеет осадочное происхождение.
Формирование осадочных пород сопровождается образованием скоплений органического вещества, их диагенетической и эпигенетической проработкой, в результате чего возникают залежи каменного угля, нефти, битуминозных сланцев и некоторых других осадочных пород, состоящих из органических соединений. Масса растительных организмов в сотни раз превышает массу животных организмов. Поэтому осадочные породы органического состава связаны преимущественно с осадконакоплением растительных остатков.
В результате преобразования горных пород при метаморфизме также происходит формирование месторождений полезных ископаемых (процессы изменения текстурно-структурных особенностей и минералогического состава горных пород в термодинамических условиях глубинных частей земной коры называются метаморфизмом). Так, в результате воздействия высоких температур на угольные пласты возникают залежи графита. Таково происхождение крупного Курейского графитового месторождения, расположенного в низовьях Енисея.
Анализируя классификацию полезных ископаемых, выделите горно-химическое сырье…
[1] апатиты, фосфориты, калийная, поваренная, магниевая соли, самородная сера, барий, минеральные краски, бром и йодсодержащие растворы;
[2] известняки, глины, пески и песчаники, кварц, кварциты, гипс, мел, мрамор, граниты;
[3] яшма, агат, горный хрусталь, гранат, корунд, алмазы и т.д.
[4] нефть, газ, уголь, горючие сланцы, торф, урановые руды и т.д.