СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ЗЕМНОЙ КОРЫ
• По современным представлениям под ЗК понимается твердая верхняя оболочка Земли, ограниченная поверхностью суши и дном Мирового океана и геофизической границей – разделом Мохоровичича. (Была установлена в 1909 г. ) Она представляет верхнюю часть литосферы или литосферных плит и подстилается литосферной мантией. • Понимание термина “земная кора” как относящегося к верхним 16 км разреза континентов было принято Кларком, считавшим, что доступный для исследования материал относится к этой части наружной оболочки Земли. Такое понимание удобно, так как исключает из рассмотрения вещество глубинных зон, представление о котором является гипотетическим и до наших дней. • Такое же понимание ЗК было принято и В. И. Вернадским, который включал также в состав ЗК гидросферу и атмосферу. Поскольку до начала 60 -х годов кора океанов оставалась не изученной, то старое понимание ЗК соответствует современному понятию континентальная ЗК, а точнее ее верхней части или гранитнометаморфическому слою. К этому объекту и относятся величины распространенности химических элементов, принятые в работе А. П. Виноградова и других.
Типы земной коры. • Весь комплекс современных геологических и геофизических данных свидетельствует о гетерогенности ЗК как по горизонтали, так и по вертикали. • Так как существует принципиальное различие в геологическом строении, составе вещества и истории ЗК континентов и океанов, соответственно выделяются 6 • океанический тип ЗК (ср. мощность 8 км) Современная океаническая кора имеет трехслойное строение, что подтверждено непосредственными наблюдениями с подводных аппаратов, бурением и геофизическими исследованиями. 1. Первый слой представлен маломощным слоем глубоководных осадков (до 1 км). 2. Второй сложен базальтовыми лавами различной морфологии и комплексом параллельных даек (2 км). 3. Третий слой состоит из пород расслоенного габбро-ультрамафитового комплекса (5 км). Океаническая кора подстилается тектонизированными и серпентинизированными перидотитами реститовой природы. • континентальный тип ЗК (средняя мощность – 40 км). Включает “гранитный” или гранитно-метаморфический и “базальтовый” или гранулитбазитовый слои. Вертикальная расслоенность ЗК наиболее четко выражена в пределах древних платформ, кора более молодых складчатых зон имеет блоковое строение и не обнаруживает отчетливого слоистого строения. Более того, и в пределах платформ устанавливается сложное строение коры с частой перемежаемостью пластин различного состава и не всегда отвечает направленному изменению ее состава с глубиной. Тем не менее и в современных моделях принимается упрощенная модель двухслойного строения континентальной ЗК. Слои именуются нижней и верхней континентальной корой.
В строении континентов выделяется ЗК двух подтипов: • 1 - крупные устойчивые платформы с дорифейским кристаллическим основанием; или докембрийские кратоны, составляющие около 70% площади континентов. В строении кратонов выделяются слабо деформированный чехол или осадочная оболочка, представляющая собой тонкую пленку, и кристаллический фундамент, обнажающийся на приподнятых щитах, который может быть параллелизован с гранитно-метаморфической оболочкой. • 2 - протяженные орогенические или складчатые пояса (возраст верхний докембрий и фанерозой), имеющие значительно более сложное строение. В них менее распространены на поверхности выходы пород кристаллического основания, а подавляющая часть объема верхней части коры сложена мощными толщами в разной степени измененных и метаморфизованных вулканогенных и осадочных пород, что предполагает заметное отличие общего химического состава коры от таковой кратонов. По современным представлениям эти пояса имеют аккреционное происхождение и представляют собой смесь гранитнометаморфических пород микроконтинентов (в подчиненном количестве), магматических пород древних океанов, островодужных систем и осадочных образований преддуговых и задуговых бассейнов и пассивных окраин континентов.
ГЕОХИМИЯ АТМОСФЕРЫ
• • • Атмосфера - газообразная воздушная оболочка Земли, простирающаяся до более чем 1100 км. Основная масса атмосферы сосредоточена в слое высотой около 16 км. Маcса атмосферы составляет всего лишь 0, 00009% массы Земли. Молекулярная масса сухого воздуха равна 28, 966. Строение атмосферы Нижний слой атмосферы, имеющий мощность 8 -10 км в полярных областях и 16 -18 км в тропиках, называется тропосферой. Это наиболее плотная часть атмосферы, граничащая с океаном и сушей, является зоной интенсивного перемешивания воздушных масс. Т в тропосфере уменьшается с высотой в среднем на 0, 5 о. С на 100 м. Верхней ее границей служит область постоянных температур, составляющих 190 -220 К (примерно -55 о. С), называемая тропопаузой. Выше простирается стратосфера, в нижней части которой сохраняются постоянные температуры, аналогичные тропопаузе (по разным данным до 25 или 35 км). На высоте около 30 км расположен слой озона. В верхней стратосфере с высоты 25 -35 км Т начинает вновь возрастать и на высоте около 50 км достигает 0 о. С. Эта Т сохраняется в слое до 55 км, именуемом стратопаузой. В слое от 55 до 80 км Т вновь понижается до примерно -60 о. С, этот слой называется мезосферой. Выше 80 км Т резко возрастает и достигает почти 100 К в слое, именуемом термосферой. Самая внешняя оболочка с высоты 1000 км относится к экзосфере, области диссипации газов, граничащей с межпланетным пространством. Для верхней атмосферы с высоты около 100 км характерны процессы диссоциации и ионизации газов, происходящие под влиянием электромагнитного и корпускулярного излучения Солнца.
• Химический состав наземной атмосферы. • • • Главными компонентами атмосферы являются азот, кислород, аргон и углекислый газ, составляющие до 99, 99% сухого воздуха. Второстепенные компоненты включают озон, водород, и инертные газы: гелий, неон, криптон, ксенон и радон. В земной атмосфере находятся также мелкие коллоидные частицы пыли, различного происхождения (естественного и антропогенного). На границе с океаном с поверхности морской воды в приводные слои атмосферы поступают такие элементы как K, Cs, Rb, Cr, Cu и др. На химический состав атмосферы и атмосферных осадков влияет вулканизм, поставляющий H 2 O, CО 2, а также H 2, CО, N 2, Cl 2, HСl, NH 3, CH 4 и другие газы. В формировании состава приземного слоя большую роль играют почва и растительный покров, но особенно велик вклад в баланс СО 2 и О 2 Мирового океана. Важнейшими источниками ионов в атмосфере являются следующие: 1) привнос солей с водяными брызгами, поднимаемыми ветром при штормовой погоде с поверхности океанов и морей, попадают ионы Na, Cl, отчасти Mg, 2) эоловый привнос сухих солей с поверхности суши, происходит в огромных масштабах в аридных областях, попадают продукты выветривания горных пород и карбонаты, 3) продукты вулканических извержений, преимущественно CO 2, SO 3, Cl-, NH 3 и др. , 4) промышленные загрязнения, связанные со сжиганием топлива, металлургическими и химическими производствами, главным образом, CO 2, SO 3, окислы азота. Начиная с высот порядка нескольких десятков км в результате воздействия солнечной радиации, космических лучей происходит изменение в состоянии основных компонентов воздуха. В интервале высот 10 -100 (максимум около 20 -30 км) появляются свободные атомы кислорода и молекулы озона, появление последнего связано с поглощением квантов ультрафиолетовых лучей. Процесс образования озона резко снижает интенсивность ультрафиолетовой радиации Солнца, снижая ее до минимальных значений у поверхности, что обеспечивает сохранность живых организмов. В последние годы установлено уменьшение концентрации озона над Антарктидой, охватывающее огромную площадь. Происхождение “озоновых” дыр не ясно, по имеющимся гипотезам оно может быть связано с фреонами - хлористыми соединениями, входящими в состав антропогенных аэрозолей. Начиная с высот около 40 км, происходит диссоциация молекул кислорода на атомы, которая завершается на высоте порядка 150 км, выше 300 км полностью диссоциирован и азот. На высотах 100 -400 км газы ионизируются, и этот слой получил название ионосферы. Здесь протекают и ядерные реакции образования 3 Н и 14 С.
Состав атмосферы Содержание в сухом воздухе, % Газ N 2 азот 78, 08 O 2 кислород 20, 95 Ar аргон 0, 93 CO 2 углекислый газ 0, 03 Ne неон 0, 0018 He гелий 0, 0005 Kr криптон 0, 0001 H 2 водород 0, 00005 X ксенон 0, 000009
Природные газы земных недр и их состав • Состав подземных газов Земли связан с составом горных пород и Р-Т условиями их нахождения. С повышением Т ряд веществ переходит в газообразное состояние. • В зависимости от происхождения В. В. Белоусов выделил 4 типа подземных природных газов: • 1) газы биохимического происхождения, образуются при разложении микроорганизмами органических веществ и минеральных солей. К ним относятся CH 4, CO 2, тяжелые углеводороды, N 2, H 2 S, H 2, O 2, • 2) газы воздушного происхождения, образуются при проникновении в литосферу атмосферного воздуха, • 3) газы химического происхождения, возникают при химических реакциях в литосфере, они подразделяются на образующиеся при низких Т и Р и газы метаморфического происхождения. К ним относятся CO 2, H 2 S, H 2, CH 4, CO, N 2, HСl, HF, NH 3, SO 2, Cl, S, • 4) газы радиактивного происхождения, включающие He, Ar, Rn. Из этой классификации видно, что один и тот же газ может иметь различное происхождение.
Происхождение и эволюция атмосферы • Большая часть газов Земли сосредоточена в литосфере и верхней мантии и значительно меньшая в самой атмосфере. Соотношение между ними таково: атмосфера : литосфера : верхняя мантия = 1 : 2 : 80 • Газы глубоких недр Земли вносят огромный вклад в формирование атмосферы. В. Руби впервые показал, что ряд компонентов, ныне слагающих осадочные породы, органические вещества и гидросферу, может быть отнесен к летучим компонентам в широком смысле слова, которые поступили на поверхность из глубоких недр. Оказывается, что масса летучих компонентов в составе атмосферы, гидросферы и осадочных пород значительно превышает их массу, способную выделиться при выветривании кристаллических пород. Разницу В. Руби назвал “избытком” летучих. Следовательно, глубинные газы Земли играли важнейшую роль в формировании верхних оболочек Земли. Состав “избытка” летучих оказался весьма похож на состав газов из вулканов и горячих источников. Это обстоятельство послужило основанием для одного из важных выводов геохимии - о происхождении Мирового океана и атмосферы Земли за счет дегазации мантии (глубоких недр Земли) и дегазации твердого вещества в процессе аккреции. После того, как планета достигла современных поверхностных Т 300 К, освобождающиеся в результате вулканических процессов из мантии газы были захвачены гравитационным полем, что приводило к постепенному накоплению газового слоя.
• Судя по составу современных вулканических эманаций, продукты первичной дегазации должны были состоять из доминирующих Н 2 О и СО 2, а также H 2 S, CO, H 2, NH 3, HF, HCl, Ar и др. Как свидетельствует соотношение в первичных породах Fe 2+/Fe 3+, вещество земной мантии и коры было не досыщенно в отношении О, что определяет незначительные концентрации О 2 в эманациях. Следовательно, атмосфера должна была быть восстановительной и такой ее характер преобладал на протяжении первых 2, 5 млрд. лет. • Свободный кислород в атмосфере Земли, как предполагается, появился только к 1, 2 млрд. лет в результате фотосинтеза. До появления высших растений в силуре фактически весь фотосинтез должен был происходить в океанах, континентальная добавка до появления высокоорганизованных наземных растений была незначительной. В настоящее время продуктивность фотосинтеза на суше превышает таковую в океанах, возможно, в 2 раза. Следовательно, кажется вероятным, что завоевание суши растениями значительно увеличило глобальную скорость фотосинтеза, вследствие чего возросло и содержание атмосферного кислорода. Захоронение большого количества органического материала на суше, а значит и увеличение содержания СО 2 в почвенном воздухе способствовало увеличению скорости разложения силикатных и карбонатных минералов и следовательно скорости удаления СО 2 из атмосферы. Все это приводило к уменьшению величины СО 2 в атмосфере. Таким образом, представляется вероятным, что развитие высших наземных растений и завоевание ими суши привели к значительному увеличению О 2 и уменьшению СО 2 в девоне. • •
Состав и строение гидросферы
• Вся совокупность природных вод у поверхности Земли образует гидросферу или водную оболочку Земли. Большую часть гидросферы составляют моря и океаны, меньшую воды суши. Масса гидросферы составляет около 0, 025: общей массы Земли. • Океанические воды • Океаны занимают более 70: поверхности Земли, а их воды составляют 98: массы гидросферы. Они представляют собой относительно хорошо перемешанную системы, и несмотря на огромные размеры достаточно однородны по химизму, за исключением тех их частей, где на распределение элементов влияет биологическая деятельность. • Океанская вода является примером растворов с относительно высокими содержанием растворенных веществ в сравнении с речной и другими водами суши. Значение активностей растворенных веществ отличаются от их концентраций, но в то же время ее можно считать разбавленным раствором, так как общее количество растворенных веществ далеко от максимально возможного. • В морской воде концентрации элементов и соединенний, не связанных с биологической активностью, в значительной степени постоянны. Максимальные концентрации имеют ионы Na и Cl. 99, 9% растворенных солей образованы 11 элементами.
Состав вод Мирового океана Элемент Название Символ Водород H Кислород Содержание моль/кг O Хлор Основной компонент H 2 O 53, 7 Cl Cl (водн) 0, 535 Натрий Na Na (водн) 0, 460 Магний Mg Mg (водн) 0, 052 Сера S SO 2 (водн) 0, 028 Кальций Ca Ca (водн) 0, 0 l 0 Калий K K (водн) 0, 0 l 0 Бром Br Br (водн) 0, 008 Содержание растворённых газов не учитывается.
Общие сведения о Мировом океане Температура Средняя Пределы 5 о. С 1 о. С (глубин. ) 30 о. С (поверх. тропики) Давление Среднее Обычный диапазон 200 бар от 1 бар до 540 бар Плотность воды Глубина 1, 024 г/см 3 Средняя Наибольшая 3730 м 10850 м Общий объем 1, 36 109 км 3 Общая масса 1, 2 1024 г Общая площадь 3, 62 108 км 2 р. Н 8, 1+/- 0, 2
• Соленость морской воды колеблется в пределах 34 -36. • Концентрации растворенных газов (N 2, O 2, CO 2, H 2 S) обусловлены жизнедеятельностью организмов. Интенсивность биологической активности в океанах изменяется в горизонтальном и вертикальном направлениях, и вместе с ней меняется содержание растворенных газов. Процесс фотосинтеза происходит вблизи поверхности, при этом из воды поглощаются фосфор (PO 43 -) и азот (NO 3 -). При разложении органического вещества на глубине эти элементов поступают обратно в воду. Наряду с деятельностью организмов на состав воды влияет перемешивание, когда из глубины выносится вода, обогащенная необходимыми для питания организмов элементами. При отсутствии перемешивания глубинные воды обедняются кислородом, Среда становится восстановительной, происходит анаэробное восстановление сульфат-иона. • При изучении хим. состава океанической воды рассматривается три типа обменных реакций: • 1) с атмосферой, • 2) с донными осадками, • 3) с живыми организмами. • Кислород и диоксид углерода участвуют в обмене с атмосферой и образуются при органических процессах. Морские организмы обмениваются с водой С, O, N, P, Si и редкими металлами. Взаимодействие воды с донными осадками включает ионный обмен с глинистыми минералами, диффузию элементов через поровые воды, химическое выветривание, осаждение и растворение карбоната кальция и оксида марганца.
МАТЕРИКОВЫЕ ВОДЫ • К материковым водам относятся воды ледников, озер, болот, рек, подземные воды, включая термальные воды вулканических областей. Большая часть вод суши образуется за счет атмосферных осадков с минимальной концентрацией растворенных веществ, которая сохраняется в ледниках. • Выпавшие в виде осадков, а также снеговые и ледниковые талые воды стекают в виде рек, пополняют озера и болота, часть их идет на пополнение подземных вод путем инфильтрации через почву и горные породы. При инфильтрации воды взаимодействуют с горными породами, почвами и организмами, и частично растворяют их компоненты. • Химический состав вод зависит от физико-географических и физикохимических условий стока. • Разнообразие состава природных вод определяется соотношением в них условно выделяемых (по О. А. Алекину) пяти групп компонентов: 1 главные ионы 2 растворенные газы 3 биогенные элементы (соединения N, P, Si) 4 микроэлементы 5 органические вещества.
Основными источниками минерализации вод в пределах ЗК являются: 1 изверженные и метаморфические породы, дающие при выветривании растворимые соединения, 2 залежи некоторых осадочных пород (известняки, доломиты, мергели, гипсы, каменная соль), состоящие из растворимых солей (карбонаты, сульфаты, хлориды), 3 соли, рассеянные и адсорбированные в осадочных породах, коре выветривания и почвах. • Кроме того, вклад в минерализацию вод дают вулканические извержения, несущие газообразные соединения (H 2 S, HСl, NH 3, BH 3), в последствии окисляющиеся. • Воды рек и озер • Большинство рек суши относится к так называемым пресным или слабо минерализованным водам, для рек и озер минерализация составляет до 500 мг/л. • Из сравнения химического состава вод Мирового океана и рек выявляется резкое различие: • ОВ (океаническая) Na>Mg>Ca Cl>SO 4>HCO 3 • РВ (речная) Ca>Na>Mg HCO 3>SO 4>Cl Т. е. относительная распространенность ионов различна. • При равновесии дождевой воды с атмосферным СО 2 устанавливается величина РН=5, 6, но она повышается при взаимодействии с карбонатом кальция и силикатными минералами, на нее влияют и процессы дыхания организмов и разложения органических веществ. В целом интервал значений р. Н вод большинства рек составляет от 6 до 8. Величина Eh поверхностных вод ниже ожидаемой в контакте с атмосферным кислородом, но в целом она отвечает окислительным условиям, за исключением глубоких частей озер. • Состав речной и озерной воды зависит главным образом от типа почв и горных пород, через которые она проходит, а также от типа источника питания: поверхностный сток или грунтовые воды. Так как грунтовые воды более минерализованные, чем поверхностные, состав зависит от времени и места опробования, а для различных рек от физикогеографических условий, особенно климата. Все это приводит к тому, что состав вод рек весьма изменчив. Он зависит от относительного вклада поверхностного стока и грунтовых вод, климата, количества органического вещества, степени перемешивания вод. Поэтому для получения правильного представления о составе необходимо проанализировать многочисленные пробы из разных мест за определенный промежуток времени.