ГЕОХИМИЯ

ГЕОХИМИЯ (от гео...
и химия), наука о хим. составе Земли, законах распространённости и распределения
в ней хим. элементов, способах сочетания и миграции атомов в ходе природных
процессов. Г.-часть космохимии. Единицами сравнения в Г. являются атомы
и ионы.

Одна из важнейших задач Г.-
изучение на основе распространённости хим. элементов хим. эволюции Земли,
стремление объяснить на хим. основе происхождение и историю Земли, дифференциацию
её на оболочки (геосферы). Наибольшее внимание в Г. уделяется проблемам
распространённости и распределения хим. элементов.

Распространённость химических
элементов. Распространённость различных хим. элементов определяется синтезом
их ядер, происходящим по разным термоядерным реакциям в недрах звёзд. Стадия
эволюции звезды (её темп-ра) определяет характер этого синтеза.

Согласно наиболее распространённым
космогонич. гипотезам (см. Космогония), при образовании Солнца из сжимающейся
и вращающейся туманности на заключит. стадии сжатия от центр, сгущения
отделилась значит, масса горячей плазмы которая
образовала вокруг него про-топланетное облако в виде диска. Облако быстро
охлаждалось, и в нём возникла спонтанная конденсация вещества. В результате
многостадийных реакций (конденсационный рост ядер, их коагуляция, процессы
аккреции и агломерации) газовое облако превратилось в газопылевое. Одновременно
происходила потеря облаком газов в космическое пространство. Холодное газопылевое
облако в силу ротационной неустойчивости разбилось на ряд сгущений - протопланет,
к-рые адиабатически сжимались. Благодаря этому процессу из холодного вещества
протопланетного облака образовались планеты земного типа и астероидный
пояс с астероидами и метеоритами. Наконец, на периферии протопланетного
облака происходила при очень низких абс. темп-pax конденсация отлетевших
газов (Н, Не, NHs, CH- Юпитер, Сатурн, Нептун, Уран.

Непосредственное определение
общего состава планеты невозможно. Однако астрономические (спектральные)
данные о составе Солнца и данные о хим. составе кам. метеоритов (наиболее
распространённых-хондритов) позволяют судить о распространённости хим.
элементов на Земле и на др. планетах. Из табл. 1 видно, что распространённость
элементов на Солнце и в метеоритах совпадают. Наиболее распространённые
элементы (изотопы) имеют чётные по протонам и чётные по нейтронам ядра:

и многие др. Элементы с четно-нечётным
числом протонов или нейтронов занимают среднее место. Элементы с нечётным
числом протонов и нейтронов имеют очень малую распространённость,

напр.
Распространённость элементов с чётным порядковым номером больше соседних
с нечётными номерами (рис. 1). Лёгкие элементы Li, Be, В находятся в дефиците,
т. к. "сгорают" в реакциях с протонами. Ядра элементов конца Менделеевской
системы имеют огромный избыток нейтронов и потому неустойчивы. Эти элементы
претерпевают радиоактивный распад (U, Th, Ra и др.) и спонтанное деление
(U, Th, нек-рые актиниды).

Из данных о хим. составе
оболочек Земли следует, что Земля имеет метеоритный состав. Метеориты разделяются
на каменные (хондриты и более редкие ахондриты), железные (из Fe-Ni сплава)
и смешанные. Хондриты потеряли все летучие вещества, кроме тех, к-рые прочно
вошли в соединение с твёрдым веществом метеоритов - HС, NHэлементов отвечает солнечному составу; Mg, Si, Fe, О занимают первые места
(по числу атомов Si/Mg = l), затем S, A1, Са и др. Силикатная фаза хондритов
состоит преим. из мета- и ортосиликатов (см. Силикаты)- пироксенов (MgSiOи оливинов [(Mg,Fe)SiOглавных фаз - силикатной и металлической (сплав Fe - Ni), они имеют ещё
сульфидную, хромитную, карбидную, фосфидную фазы.

Табл. 1.- Распространённость химических элементов на Солнце и в каменных метеоритаж (хондритах) ( - число атомов данного элемента на 106 атомов магния)
Элементы	Солнце		Метеориты
	lg		lg
1 Н	10,64	4,4.1010
3 Li	<-0,46	<3,4.10-1	1,54	3,5.101
4 Be	0,98	9,55	-0,14	7,19.10-1
5 В	2,24	1.7.102	1,18	1,50.101
6 С	7,15	1,4.107	4,30	2.02.104
7 N	6,70	5,0.106	2,54	3,47.102
8 О	7,47	3,0.107	6,55	3,54.106
9 F			3,01	1,02.102
11 На	4,94	8,7.104	4,69	4.93.104
12 Mg	6,00	1,0.108	6,00	1 ,00.104
13 А1	4,84	6,9.104	4,89	7,81.104
14 Si	6,34	2,2.106	6,01	1,04. 104
	5,88	7,6.105
15 Р	3,98	9,6.103	3,72	5,23.102
16 S	5,94	8,7.105	5,00	1,01.102
17 Сl			2,50	3,20.102
19 К	3,34	2,2.103	3,55	3,52.102
20 Са	4,68	4,8.104	4,75	5,66.104
21 Sc	1,49	3,1.101	1,46	2,88.101
22 Ti	3,45	2,8.103	3,34	2,20.102
	3,27	1 ,9.103
23 V	2,81	6,5.102	2,35	2,23.102
24 Cr	3,76	5,8.103
	3,65	4,5.103	3,97	9,35.102
25 Mn	3,49	3,1. 103	3,87	7,37.102
26 Fe	5,44	2,8.105	5,84	6,96.101
27 Co	3,34	2,2.105	3,28	1, 92.103
28 Ni	4,41	2,6.104	4,60	4,00.104
29 Cu	3,09	1,2,103	2,49	3,06.102
30 Zn	2,16	1 ,4.102	2,09	1,24.102
31 Ga	1 ,36	2,3.101	1 ,06	1,16.101
32 Ge	1,13	1,3.101	1 ,35	2.23.101
33 As			0,64	4,32
34 Sc	-	-	1,31	2.05.101
35 Br	_	-	1,78	6,08.10-1
37 Rb	1,12	1 ,3.101	0,75	5,69
38 Sr	1 ,66	4.6.101	1.27	1 ,85.101
39 Y	1 ,84	6,9.101	0,56	3,64
40 Zr	1,29	2,0.101	1,09	1,24.101
41 Nb	0,94	8,7	-0,28	5,23.10-1
42 Mo	0,94	8,7	0,40	2,53
44 Ru	0,46	2,9	0,20	1 ,60
45 Rh	0,01	1,0	-0,51	3,15.10-2
46 Pd	0,21	1,6	0,18	1,52
47 Ая	-0,61	2,4.10-1	-0,82	1,50.10-1
48 Cd	0,18	1,5	-1,14	7,21.10-3
49 In	0,09	1 ,2	-2,85	1,41 .10-3
50 Sn	0.18	1,5	0,83	6,83
	0,69	4,9
51 Sb	0,58	3,8
	-0,94	1,1*10-1	- 0,88	1,33.10-1
52 Те			0,28	1 ,90
53 I	_		-1 ,71	5,11.10-1
55 Cs	_		-0,91	1 ,22.10-1
56 Ba	0,74	5,5	0,85	7,08
57 La	0,67	4,7	-0,46	3,50.10-1
58 Ce	0,42	2,6	-0,24	5,78.10-1
59 Pr	0,09	1,2	-0,94	1 ,15.10-1
60 Nd	0,57	3,7	-0,17	6,74.10-1
62 Sm	0,26	1 ,8	-0,67	2.16.10-1
63 Eu	-0,40	4,0.10-1	-1,07	8,53.10-2
64 Gd	-0,23	5,9.10-1	-0,39	4,12.10-1
65 Tb	-		-1,29	5,10.10-2
66 Dy	-0,36	4,4.10-1	-0,46	3,49.10-1
67 Ho			-1,16	6,88.10-2
68 Er			-0,71	1 ,94.10-1
69 Tm			-1,42	3,84.10-2
70 Yb	0,17	1,5	-0,73	1,87.10-1
71 Lu	1,49		-1,49	3,24.10-2
72 Hf			-0,74	1,82. 10-1
73 Та			-0,75	1,79.10-1
74 W		_	-0,58	2,64.10-1
75 Re		_	-0,76	1,74.10-1
76 Os			-0,22	5.96.10-1
77 Ir		_	-0,38	4.22.10-1
78 Pt		_	0,22	1,66
79 Au			-0,79	1,65.10-1
80 HS		_	-0,09	8,08.10-1
81 Tl			-2,63	2,38.10-3
82 Pb	0,27	1,9	-0,81	1,56.10-1
83 Bi			-1 ,63	2,33.10-2
90 Th			-1,55	2,79.10-2
92 U			-1,99	1 ,02.10-2

Цифры со стрелками
обозначают поля элементов (оконтурены жирной линией): <2 - халькофильных; <3 - сидеро-фильных. Для каждого элемента
приведены значения атомного радиуса (0) <и ионных радиусов при различных
валентностях и координационных числах (обозначены римскими цифрами). Звёздочка
обозначает пара- или ферромагнитное состояние переходных элементов; отсутствие
звездочки - диамагнитное состояние. Атомные радиусы даны по Дж. Слейтеру,
ионные - по Р. Д. Шеннону и

К. Г. Превитту, ионные (в
скобках) - по Л. Аренсу.

Отношение силикатной и металлич.
фаз в разных метеоритах варьирует. Мн. учёные, исходя из аналогии с метеоритами,
считают, что планеты земного типа имеют также силикатную фазу и металлич.
ядро, причём отношения между этими фазами у разных планет различны. По
этой гипотезе, Земля имеет ок. 31% металлич. фазы, или ок. 40% Fe (включая
окисленное).

Распределение химических
элементов. Земля, как и др. планеты земного типа и Луна, имеет оболочечное
строение; она состоит из ряда геосфер: ядра, мантии, земной коры, гидросферы
и атмосферы (см. Земля). Твёрдые оболочки Земли, слагающие их горные породы,
парагенетич. ассоциации минералов и т. п., как правило,- сложные многокомпонентные
силикатные системы. Процессы, при к-рых они образуются, идут с конечными
скоростями и являются необратимыми. В Г. мы встречаемся с неравновесными
системами, к-рые характеризуются массой, объёмом, энтропией, давлением,
темп-рой, хим. потенциалами. Для применения термодинамики в Г. необходимо
знать поведение конкретных фаз, компонентов и систем в условиях геол. обстановки,
в частности в большом диапазоне давлений и темп-р. Так, напр., общее представление
о направлении геохим. процесса даёт Ле Шателье - Брауна принцип, согласно
к-ро-му в любой системе, находящейся под действием внеш. сил, изменение
к.-л. внеш. фактора вызывает превращение, направленное на компенсацию действия
этого фактора. По действующих масс закону изменение активности одного из
компонентов системы смещает равновесие. Напр., в реакции

равновесие смещается вправо,
т. к. ангидрит выпадает из раствора. В реакции

начинающейся при темп-ре
выше 350 ⁰С, равновесие сдвигается вправо, т. к. одновременно
с отложением минерала вол-ластонита СаSiOудаляющаяся из системы. С повышением темп-ры в реакциях с участием газовой
фазы равновесие смещается в сторону меньшего объёма газовых компонентов.
Напр., в реакции

равновесие сдвигается вправо.
Высокое давление (газовое и литостатическое) изменяет направление и характер
кристаллизации магмы.

Рис. 1. Распространённость
химических элементов на Солнцеи в каменных метеоритах
(хондритах); по оси абсцисс - порядковые номера
элементов, по оси ординат- число атомов данного элемента на 10* атомов
Mg.

Условия равновесия подчиняются
также правилу фаз Гиббса (см. фаз правило), согласно к-рому число термодинамических
степеней свободы системы f = k- -п + 2, где n- число фаз в системе, k -
число компонентов. Поскольку в закрытой системе число степеней свободы
f =< 2 (давление и темп-pa), то число фаз n>=k. Это минералогич. правило
фаз, впервые в Г. применённое В. М. Гольдшмид-том, оправдывается для разнообразных
горных пород.

Закономерности распределения
отдельных элементов по многочисленным фазам - минералам зависят гл. обр.
от строения внешних электронных оболочек атомов. В Г. поэтому широко используются
закономерности, установленные кри-сталлохимией. Ионы и атомы в кристал-лич.
решётках имеют разные радиусы Rс положением хим. элемента в системе Менделеева. По вертикальным группам
Rувеличением валентности иона в пределах периода (см. табл. 2 на стр. 331).

В природных процессах разделения
ионы и атомы сортируются по своим размерам. Кристаллич. решётки гл. породообразующих
минералов принимают одни ионы (или атомы) и не принимают другие, в зависимости
от их величины, заряда и др. свойств. Если ионы разновалентны, но имеют
близкий размер Rзарядом. Если ионы имеют одинаковую валентность и по размеру различаются
не больше чем на 15%, они часто изоморфно замещаются в кристаллич. решётках;
происходит замещение атома атомом, иона ионом или группы атомов группой
атомов, в зависимости от типа решётки, размеров Rт. д. (см. Изоморфизм). Изоморфное замещение играет огромную роль в распределении
элементов по различным минералам. Использование R, в Г. объяснило причину
ассоциации таких разнородных элементов, как U, Th и редкоземельных элементов
(в минералах то-рианит, иттриалит и др.), а также постоянную ассоциацию
редкоземельных элементов. При деформации одного иона другим в соединении,
имеющем катион малого радиуса и анион большого радиуса, возникает т. н.
поляризация, к-рая нарушает физ.-хим. свойства вещества - твёрдость, летучесть
и мн. др. Отношение Rчисло атомов, окружающих центральный атом в соединении, - его координацию,
т. е. координационное число. Оно в свою очередь указывает на характер и
строение кристаллич. решётки. Координац. число может изменяться в зависимости
от условий образования минерала. Кристаллич. решётки минералов имеют различную
структуру - от очень простых и симметричных построек из плотно упакованных
шаров до весьма сложных с низкой степенью симметрии. При кристаллизации
атомы и ионы стремятся расположиться в кристаллической решётке таким образом,
чтобы была минимальной энергия кристаллической решётки. На основе всех
этих данных была создана геохимическая классификация элементов, опирающаяся
на физико-химические свойства химических элементов (табл. 3).

Табл. 3. - Геохимическая классификация химических элементов
Сидерофиль-ные (железо)	Хал ькофил ь-ные (сульфиды)	Литофильные (силикаты и др.)
Fe, Ni, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, (Mo), Au, Re, (P),(As), (C), (Ge), (Ga),(Sn), (Sb), (Cu)	S,Se, Те, Си, Zn, Cd, Pb, Sn.Mo, Ge, As, Ga, Sb, Bi, Ag, Ни, In, Tl, (Fe),(Ni),(Co)	Н, О, N, Si, Ti, Zr, Hf, F, Cl, Br, I, B, Al. Sc, Y, Li, Na, K, Rb, Cs, Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Ra, V, Cr, Mn, W, Th, Nb, Та, U, Ac, Pa, (S),(P),(Sn),(C).(Ga), (Fe), (Ni),(Co), редкоземельные элементы

С открытием изотопов стала
развиваться Г. изотопов - изучение процессов разделения изотопов хим. элементов
в природных процессах, особенно лёгких атомов Н, С, О, N, S и др. Этим
методом часто удаётся установить способ и условия разделения хим. элементов
и образования конкретных минералов и рудных залежей.

Геохим. процессы разделения
элементов на Земле поддерживаются прежде всего теплом, генерируемым радиоактивными
элементами (радиогенное тепло), гравитационной энергией. На поверхности
Земли значит, роль играет энергия солнечных лучей, к-рая, в частности,
трансформируется живым веществом в хим. энергию нефтей и углей.



Геохимические процессы.
Первичное разделение холодного недифференцированного вещества Земли
на оболочки произошло под влиянием тепла адиабатич. сжатия планеты и радиогенного
тепла. В мантии Земли на различных глубинах, особенно в астеносфере, возникали
многочисл. расплавл. очаги. Разделение на оболочки шло путём зонного плавления,
к-рое не требует полного расплавления мантии. Силикатное вещество планеты
разделялось на тугоплавкую фазу - ультраосновные породы верхней мантии,
и легкоплавкую фазу - основные породы (базальты) земной коры. Легкоплавкое
вещество проплавляло кровлю магматич. камеры, а тугоплавкое кристаллизовалось
на дне камеры; т. о. легкоплавкое вещество перемещалось вверх к поверхности
Земли. При этом метасиликаты инконгруентно разлагались на ортосиликаты
и кремне-кислоту, обогащённую хим. элементами, понижающими темп-ру плавления:
щелочными элементами, Si, Ca, Al, U, Th, Sr и др. редкими литофильными
элементами. Вещества, повышающие темп-ру плавления (Mg, Fe, Ni, Co, Сr
и др.), сохранились по преимуществу в тугоплавкой фазе, т. е. остались
в мантии Земли. Вместе с зонным плавлением шёл процесс дегазации верх,
мантии.

Табл. 4. - Химический состав горных пород Земли, Луны и метеоритов
Окислы и элементы	Каменные метеориты (хондриты)	Ультраосновные породы Земли	Примитивные базальты Земли (толеитовые)	Эвкриты (базаль-тич. кам. метеориты)	Породы поверхности Луны				Средний состав осадочных пород Земли	Граниты Земли
					кристаллические (базальт)		тонко диспергированные (реголит)
					"Аполлон-12"	"Луна-16"	<• Аполлон-12"	"Луна-16"
В % по массе
SiO	38,04	43,54	50,83	48,5	40	43,8	42	41,7	46,20	70,8
ТiO	0,11	0,05	2,03	0,6	3,7	4,9	3,1	3,39	0,58	0,4
Аl	2,5	3,90	14,0	12,96	11,2	13,65	14	15,33	10,50	14,6
FeO	12,45	9,84( + 2,51 Fe	9,0 ( + 2,88 Fe	17,6	21,3	19,35	17	16,64	1,95 (+3,3 Fе	1,8 ( + 1,6 Fe
MgO	23,84	34,02	6,34	8,28	11,7	7,05	12	8,78	2,87	0,9
CaO	1,95	3,46	10,42	10,23	10,7	10,4	10	12,49	14,0	2,0
Na	0,98	0,56	2,23	0,75	0,45	0,38	0,40	0,34	1,17	3,5
K	0,17	0,25	(0,16)	0,24	0,065	0,15	0,18	0,10	2,07	4,0
MnO	0,25	0,21	0, 18	0,43	0,26	0,20	0,25	0,21	0,16	0, 10
Cr	0,36	0,34	0,4	0,38	0,55	0,28	0,41	0,28	0,09	0,07
ZrO	0,004	0,004	0,01	0,006	0,023	0,04	0,09	0,013	0,01	0,003
10-4 % п о массе
Rb	5	1	1,2	0,2	0,65		3,2	5,9	200	200
Ва	6	1	14	30	72	206	420	114	500	800
Sr	10	10	130	80	145	445	170	169	300	700
Y	2,0	1	43	22	50	54	13	58	30	30
V	70	40	290	50	88	425	64	61	100	40
Sc	6	1.5	61	35	50	20	47	27	10	3
Ni	13500	2000	97	1000	54	147	200	190	45	8
Co	800	200	32	40	40	29	42	53	10	5
Li	3	0,5	9	3	5,5		11	10	40	40
Th	0,05	0,015	А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я Обратная связь Помощь О проекте © BezMani, 2003-2024