 |
Формирование химического состава Мирового океана
|
|
|
|
Введение
Три наружные оболочки Земли, различающиеся фазовым состоянием, - твердая земная кора, жидкая гидросфера и газовая атмосфера - тесно связаны между собой, а вещество каждой из них проникает в пределы других. Подземные воды пронизывают верхнюю часть земной коры, значительный объем газов находится не в атмосфере, а растворен в гидросфере и заполняет пустоты в почве и горных породах. В свою очередь, вода и мелкие твердые минеральные частицы насыщают нижние слои атмосферы.
Наружные оболочки связаны не только пространственно, но и генетически. Происхождение оболочек, формирование их состава и его дальнейшая эволюция взаимосвязаны. В настоящее время эта связь в значительной мере обусловлена тем, что наружная часть планеты охвачена геохимической деятельностью живого вещества.
Массы оболочек сильно различаются. Масса земной коры оценивается в 28,461018 т, Мирового океана - 1,471018 т, атмосферы - 0,0051018 т. Следовательно, в земной коре находится основной резерв химических элементов, которые вовлекаются в миграционные процессы под воздействием живого вещества. Концентрации и распределение химических элементов в земной коре оказывают сильное влияние на состав живых организмов суши и всего живого вещества Земли.
Рассматривая проблему состава живого вещества, В.И. Вернадский отмечал: «…химический состав организмов теснейшим образом связан с химическим составом земной коры; организмы приноравливаются к нему».
1.
Закономерности варьирования содержания химических элементов в земной коре
химический аэральный океан
Варьирование содержания элемента в разных пробах обусловлено многими независимыми причинами. Когда распределение величины определяется достаточно большим числом примерно равнодействующих и взаимно независимых причин, то оно подчиняется так называемому нормальному закону Гаусса. Его графическим выражением является кривая с симметричными ветвями по обе стороны максимальной ординаты. При нормальном распределении наиболее вероятным значением служит среднее арифметическое х, которое совпадает с наиболее часто встречающимися значениями - модой. Растянутость симметричной кривой по оси абсцисс, т.е. разброс значений в большую и меньшую стороны от моды, характеризуется средним квадратичным отклонением а.
|
|
|
Нормальное распределение может также проявляться не для самой величины, а для ее логарифма (логарифмически нормальный, или логнормальный, закон распределения). В этом случае мода совпадает со средним геометрическим, а разброс значений характеризуется логарифмом а.
В 1940 г. Н.К. Разумовский эмпирическим путем обнаружил, что содержание металлов в рудах соответствует логарифмически нормальному распределению. Л.X. Арене в 1954 г., обработав обширный материал, независимо от Разумовского установил, что распределение рассеянных элементов в магматических породах аппроксимируется логарифмически нормальным законом. Многочисленные факты указывают на то, что распределение элементов с высокими кларками обычно подчиняется нормальному закону, а рассеянных - логнормальному. Это еще раз подтверждает принципиальное различие главных и рассеянных элементов.
С высокой вариабельностью низкокларковых элементов связана их способность к высокой степени концентрации. Максимальная степень концентрации главных элементов составляет 10 - 20 раз по отношению к их кларку, а для рассеянных элементов - в сотни и тысячи раз больше. Например, в рудах промышленных месторождений степень концентрации свинца, никеля, олова, хрома составляет 1000п.
|
|
|
Говоря об огромных массах тяжелых металлов, сосредоточенных в месторождениях руд, следует помнить, что эти массы - ничтожная часть общего количества металлов, рассеянных в земной коре. В частности, общемировые запасы руд цинка, меди, свинца, никеля составляют всего лишь тысячные доли процента от масс этих металлов, рассеянных в верхнем километровом слое земной коры континентов.
Залежи руд связаны с окружающими горными породами постепенными переходами. Рудные тела находятся как бы в чехле постепенно убывающей концентрации металлов. Такие образования получили название ореолов рассеяния. Первичные, сингенетичные рудные ореолы возникают одновременно с рудными телами и в результате одних и тех же процессов. Они имеют разнообразную конфигурацию, зависящую от геологического строения, состава вмещающих пород и условий рудообразования.
В рудах наряду с одним или несколькими главными рудообразующими элементами присутствуют сопутствующие элементы, концентрация которых также повышена, но не настолько, как главных. Элементы-спутники часто образуют изоморфные замещения главных. Например, в цинковых рудах постоянно содержится кадмий, в меньшем количестве - индий, галлий, германий. В медно-никелевых рудах присутствует значительная примесь кобальта, в меньшем количестве - селена и теллура. Все сопутствующие элементы также рассеиваются вокруг рудных тел. Обладая неодинаковой геохимической подвижностью, они образуют переходные зоны разной протяженности. В итоге состав и строение ореолов рассеяния очень сложны.
Среднее содержание химического элемента представляет собой норму - геохимический фон - для данного типа пород в определенном районе. На геохимическом фоне выделяются геохимические аномалии - участки горных пород с повышенной концентрацией рассеянных элементов. Если они связаны с залежами руд, то это ореолы рассеяния. Если же концентрации металлов не достигают кондиции руды, то такие аномалии называют ложными. Используя статистическую обработку массовых аналитических данных, можно обнаружить закономерные изменения величины геохимического фона в пространстве и выявить геохимические провинции. В пределах провинций горные породы одного типа обладают выдержанными статистическими параметрами, в первую очередь значениями среднего содержания одного или нескольких рассеянных элементов. Среднее содержание некоторых элементов в однотипных породах разных геохимических провинций может сильно различаться (в несколько раз). При этом химический состав этих пород, определяемый содержанием главных элементов, остается одинаковым или имеет очень слабые отличия. Например, в гранитах разных провинций, имеющих практически одинаковое количество кремния, алюминия, железа, калия, содержание олова, свинца, молибдена, урана может различаться в 2-3 раза.
|
|
|
Изложенный материал свидетельствует о неравномерности распределения рассеянных элементов в земной коре. Поэтому наряду с определением кларков, т.е. величины средней концентрации элементов в земной коре в целом, необходимо учитывать их способность концентрироваться или рассеиваться в различных объектах - разных типах горных пород или в однотипных породах, но находящихся в разных геохимических провинциях, в рудах и др. Чтобы количественно оценить неоднородность химических элементов в земной коре, В.И. Вернадский ввел специальный показатель - кларк концентрации Кк. Его числовое значение характеризует отклонение содержания элемента в данном объеме от кларка:
К К = А/К, где А - содержание химического элемента в горной породе, руде, минерале и др.; К - кларк этого элемента в земной коре. Если кларк концентрации больше единицы, это указывает на обогащение элементом, если меньше - означает снижение его содержания по сравнению с данными для земной коры в целом.
Изменение концентрации химических элементов в пространстве, отклонение от глобальной или местной геохимической нормы не отдельные случаи, а характерная черта геохимической структуры земной коры. Это имеет очень важное значение для состава фотосинтезирующих организмов суши, которые образуют основную часть массы живого вещества Земли.
Формирование химического состава Мирового океана
|
|
|
Изучением химического состава морских вод учёные начали заниматься с 60-х годов 20 века. В формировании вод океана и их химического состава учёные выделяют три стадии. В начале первой (3,4 млрд лет назад) объём океана составлял менее 20% современного. В этот период в воде было больше кальция, магния, калия и меньше натрия. К концу первой стадии океан сформировался на 90%. В нём в изобилии развилась жизнь. Восстановительные процессы в среде сменились окислительными - появились оксиды серы, углерода и азота. Нынешний состав вод установился 340 млн. лет назад (третья стадия). На это повлиял бурный расцвет растительности в океане и на суше.
Гидрохимики выяснили, что морская вода является электролитом - все растворённые в ней вещества диссоциированы на ионы. Подавляющая часть всех морских солей (99,9%) содержит в своём составе натрий, калий, кальции, стронций, хлор, бром, фтор, угольную и борную кислоты, сульфат- ионы. Солёность морских вод определяется количеством граммов солей на 1 кг воды. Эта единица измерения получила название промилле (‰). В среднем солёность вод Мирового океана оценивается в 35 ‰. Если выпарить всю воду океанов, то дно их оказалось бы покрытым 60-метровым слоем соли. Основной вклад в неё вносят следующие химические элементы: хлор - 19 ‰; натрий - 10,5 ‰; магний - 1,35 ‰; сера - 0,885 ‰; кальций - 0,400 ‰; калий - 0,380 ‰; бром - 0,065 ‰; углерод - 0,028 ‰ и стронций - 0,008 ‰. Ряд химических элементов (железо, цинк, марганец, титан, ванадий, молибден и никель) способны концентрироваться в железомарганцевых конкрециях. Такие конкреции покрывают огромные площади Мирового океана.
Другой важной характеристикой морских вод является их плотность. Для океанических вод она в среднем равна 1,0247, то есть значительно превышает плотность пресных вод (1 г/ см3). Заметим, что солёность вод отдельных изолированных бассейнов может существенно превышать указанное выше значение. Так, в Мёртвом море она достигает 260-270, а в отдельные годы 310 ‰. Плотность таких вод будет соответственно 1,201 - 1,209 г./см3. Такая вода обладает повышенной выталкивающей способностью, и в ней практически невозможно утонуть. В нашей стране такими свойствами обладали воды залива Кара-Богаз-Гол.
Полный химических анализ морских вод, как правило, проводят в береговых лабораториях, поскольку он требует точных измерений и тщательного взвешивания, что не возможно в корабельных условиях. Пробы, отобранные в экспедиционных условиях с помощью специальных приборов - батометров, тщательно консервируются.
Общую солёность морских вод определяют электросолемерами, опускаемыми за борт корабля с помощью кабеля. По измеренной электропроводности оцениваются солёность и плотность морской воды. Солемеры снабжаются также датчиками температуры и давления. По показателю давления определяется глубина погружения прибора. Температура воды сама по себе является важной характеристикой, кроме того, она необходима для оценки плотности морской вода. Гидрохимики показали, что в открытых акваториях морей и океанов среднее соотношение концентраций химических элементов солевого состава морских вод сохраняется. Вблизи их береговой линии, в приустьевых акваториях эти соотношения нарушаются. Показания электросолемеров в этих случаях искажаются ссылка.
|
|
|
|
|
|
