Строение литосферы и структура земной коры

ХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Учебное пособие

САРАТОВ-2008

ББК 20.1 я 73

Т.Г. Дмитриенко

Физико-химические процессы в почвенном слое: Учебное пособие. – Саратов: СВИРХБЗ, 2006. – 74 c.

Учебное пособие « Физико-химические процессы в литосфере» предназначено для студентов-экологов, изучающих курс «Химия окружающей среды».

Процессы, протекающие в почвенном слое, являются частью глобальных и региональных кругооборотов вещества в природе. Поэтому знания о генезисе почв, протекающих в них химических процессах и физических свойствах почв необходимы при рассмотрении вопросов трансформации примесей в окружающей среде и являются неотъемлемой частью представлений о химии окружающей среды.

В пособии рассмотрены строение литосферы и структура земной коры, минералы и горные породы, гипергенез и почвообразование, механический и элементный состав почв, органические вещества почвы, поглотительная способность почв, щелочность и кислотность почв.

Приводимые в учебном пособии краткое изложение теоретических вопросов, примеры решения типовых задач, вопросы для самопроверки и контрольные задачи должны способствовать повышению эффективности самостоятельной работы студентов.

Пособие может быть использовано студентами при отработке теоретического материала, подготовке к практическим и семинарским занятиям.

Рецензенты: доктор химических наук, профессор Древко Б.И.

кандидат химических наук, доцент Ястребова Н.И.

@ Саратовский военный институт радиационной, химической

и биологической защиты, 2006

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЛИТОСФЕРЕ

Введение

Долгие годы почва рассматривалась либо как разрушенная выветриванием разновидность горных пород, либо как нанос, либо как рыхлый пахотныйслой, в котором находятся корни растений. Термины «земля» и «почва» были равнозначны. Лишь в 1874 г. великий русский естествоиспытатель В. В. Докучаев дал первое на­учное определение понятия «почва». В. В. Докучаеву принадлежит открытие законов происхождения и географического распространения почв. Он первый показал, что именно в почвах наиболее тесно переплетены и взаимосвязаны геологические и биологические процессы, развивающиеся на поверхности Земли.

Почвенный покров Земли представляет собой тончайшую оболочку планеты на суше и дне мелководий, которая значительно уступает по массе другим геосферам. Однако это хрупкое и легкоранимое природное образование является источником существования множества живых организмов, включая и человека.

Почвенный покров тесно взаимодействует со всеми геосферами: атмосферой, гидросферой, литосферой, а также с биосферой. Процессы, протекающие в почвенном слое, являются частью глобаль­ных и региональных кругооборотов вещества в природе. Поэтому знания о генезисе почв, протекающих в них химических процессах и физических свойствах почв необходимы при рассмотрении вопросов трансформации примесей в окружающей среде и являются неотъемлемой частью представлений о химии окружающей среды.

Строение литосферы и структура земной коры

К важнейшим научным открытиям начала 20-го века безусловно следует отнести вывод о наличии на Земле концентрических оболочек различной плотности. На основании данных о скорости прохождения сейсмических волн земные недра разделяют на ряд слоев (рисунок 1).

Верхний слой (слой А) – это земная кора – твердая внешняя обо-лочка Земли. При переходе от земной коры к внутренней оболочке (слой В) происходит скачкообразное изменение в распространении сейсмических волн. Эта граница получила название раздела Мохоровича (М). По современным данным, глубина залегания поверхности Мохоровича, а, следовательно, и толщина земной коры, изменяется от 6 км под дном океана до 70 км в горных районах.

Рис. 1.Слои Земли (а) и строение земной коры по Гутенбергу (б)

Расположенную ниже поверхности Мохоровича толщу называют внутренней оболочкой, или мантией, Земли. Ей соответствуют слои В, С, D (рисунок 1, а). Мантия Земли почти в 40 раз толще земной коры и простирается до глубины 2900 км. Слои В и С отличаются по скорости прохождения сейсмических волн друг от друга и от слоя D. Они образуют верхнюю мантию. Слои Е, F, G входят в состав ядра Земли: слой Е (2900-4980 км) – внешнее ядро, слой F (4980-5120 км) – переходная зона ядра и слой G (5120-6370 км) – внутреннее ядро.

Установлено, что плотность земного вещества с глубиной возрастает. На этом основании предполагается, что в составе мантии преобладают более тяжелые химические элементы, такие, как желе­зо, хром, магний. Резкое изменение плотности вещества на границе мантии и ядра связано, вероятно, с изменением фазового состояния или, возможно, химического состава преобладающего вещества. Однако до настоящего времени нет единого мнения о химическом составе внутренней оболочки ядра, и отсутствует единая теория глубинного строения Земли.

Наиболее изученной частью Земли является ее верхний слой – земная кора. Среднее содержание химических элементов в земной коре впервые определил американский геохимик Ф. Кларк. Более сорока лет работал он над этой проблемой и несколько раз опубликовывал все более подробные сведения о составе земной коры. В честь Ф. Кларка, первым занявшимся этой трудоемкой работой, А. Е. Ферсман предложил называть кларком среднее содержание элементов в земной коре, на Земле в целом или в других природных телах, выраженное в процентах. Анализы большого числа горных пород (таблица 1) показывают, что земная кора более чем на 99 % состоит всего из девяти химических элементов. На долю остальных 80 элементов, встречающихся в земной коре (их называют редкими и рассеянными), приходится всего 0,52 %.

Таблица1. Кларки важнейших химических элементов земной коры

*Массовые кларки по А. П. Виноградову.

**Объемные кларки по В. Гольдшмидту.

Кислород, кремний и алюминий являются главными элемента­ми земной коры. На их долю приходится 84,55 % ее массы. Но еще более поразительная картина получается при сравнении объемных кларков элементов, рассчитанных на основании данных В. Гольдшмидта об ионных радиусах. В этом случае на кислород приходится 91,97 % всего объема, и земная кора предстает перед исследовате­лем в виде сплошного кислородного каркаса, в пустотах которого располагаются атомы кремния и других элементов. Остальные 80 элементов, встречающиеся в земной коре, или изоморфно входят в кристаллические решетки, образованные главными элементами земной коры, или остаются в твердом кристаллическом веществе в неупорядоченном, рассеянном состоянии.

Рассеянные элементы распределены в земной коре очень неравномерно. Поэтому для характеристики распространенности элементов в отдельных участках земной коры недостаточно только среднего содержания элемента. Для количественной оценки распреде­ления химических элементов в земной коре В. И. Вернадский ввел понятие кларк концентрации К_к:

К_к = А/К, (1)

где А – содержание элемента в земной коре в данном регионе, %(мас);

К – кларк элемента в земной коре, %(мас).

Многочисленные анализы проб земной коры позволяют выделить территории, различающиеся уровнем содержания определенных элементов. Такие территории называют геохимическими провинциями. Так, например, районы Уральских гор, характеризующиеся повышенным содержанием меди, хрома, никеля и других элементов, следует отнести к уральской геохимической провинции.

В пределах провинций также имеются участки, различающиеся содержанием рассеянных элементов. Это так называемый геохимический фон элементов.

Примеры решения задач

Пример 1.Используя данные таблицы 1, рассчитайте мольное соотношение атомов кислорода и кремния в земной коре.

Решение.Как видно из таблицы 1, массовые кларки кислорода и кремния в земной коре равны 47,0 и 29,5 %(мас.) соответственно. Атомные массы кислорода и кремния равны 16 и 28 соответ­ственно. Количество молей атомов кислорода и кремния в 100 г земной коры определяется следующим выражением:

n= m/А,

где n – количество молей;

m – масса элемента в 100 г земнойкоры, г;

А – молярная масса атомов кислорода, г/моль.

В соответствии с этим количество молей кислорода n_O и кремния n_Si составит:

n_о = 47,0/16 = 2,9 (моль);

n_Si = 29,5/28,1 = 1,1 (моль).

Искомое соотношение равно:

n_o/n_Si = 2,9/1,1 = 2,6.

Ответ:мольное соотношение атомов кислорода и кремния в земнойкоре равно 2,6.

Пример 2. Определите содержание кислорода и кремния в % (мас.) в нефелине – K[AlSiO₄]. Сравните полученные результаты с данными, приведенными в таблице 1.

Решение.Массовое содержание W_э [% (мас.)] элемента вминерале, вчастности нефелине, определяется следующим выражением:

W_э= ,

где m_э – общая масса элемента в молекуле;

М_неф – молекуляр­ная масса нефелина.

Значение М_неф определяется суммированием атомных масс всех составляющих данную молекулу элементов с учетом стехиометрических коэффициентов:

М_неф = 1 • A_K + 1 • A_A1 + 1 • A_Si + 4A_O = 39 + 27 + 28 + 64 = 158.

Тогда содержание кислорода и кремния в %(мас.) будет равно:

Полученные значения 40 и 18 % (мас.) отличаются от соответствующих значений, приведенных в таблице 1, поскольку, по определению, кларк есть среднее содержание элемента в зем­ной коре, тогда как в задаче определено содержание элементов в конкретном минерале.

Ответ: содержание кислорода и кремния в нефелине составляет 40 и 18% (мас.) соответственно.

Минералы и горные породы

Химические элементы в земной коре находятся преимущественно в виде химических соединений. Однородные по составу и строению природные химические соединения или однородные структуры, возникающие при различных химических и физико-химических процессах в земной коре, принято называть минералами. В земной коре минералы встречаются в твердом, жидком и газообразном состояниях. Основную массу составляют твердые минералы. Каждый минерал характеризуется внутренней однородностью, определенными физическими свойствами и признаками, по которым его можно от­личить от других минералов.

В природе минералы находятся чаще всего в виде комплексных минеральных агрегатов – горных пород, образующих самостоятельные геологические тела более или менее постоянного минералогического и химического состава. В настоящее время известно около 3000 минералов, и ежегодно открываются все новые их разно­видности. Однако, лишь около 100 минералов имеют сравнительно большое практическое значение, и только 30 из них могут быть отнесены к породообразующим минералам. В таблице 2 представлено ориентировочное содержание главных породообразующих минера­лов земной коры.

В зависимости от условий образования горные породы принято делить на три главные группы: магматические, осадочные и мета­морфические. Магматические породывозникают при затвердева­нии магматического расплава на поверхности или в глубинах земной коры. При этом образуются глубинные (интрузивные) и поверхностные (эффузивные) породы. Осадочные породыобразуются путем отложения материала разрушенных или растворенных гор­ных пород любого генезиса как на суше, так и в море. Осадочные породы залегают слоями. Метаморфические породыформируются путем преобразования магматических или осадочных пород в глубинах земной коры под воздействием высоких температур и давлений.

Таблица 2. Породообразующие минералы земной коры

(до глубины 16 км, по Г.Шуману, 1957)

Верхний слой земной коры (до глубины 16 км) на 95% сложен из магматических пород. Осадочные породы составляют лишь 1% от массы этого слоя земной коры, метаморфические породы – 4%.

Магматические породы

Магматические породы образуются из жидкого расплавленного вещества, находящегося в недрах Земли и называемого магмой. Магма – сложный раствор-расплав силикатного состава. В нем преобладают те же главные элементы, что и в земной коре. Когда магма в процессе извержения не достигает земной поверхности и медленно застывает на глубинах нескольких десятков километров, образуются крупнокристаллические структуры интрузивных пород. Главные представители интрузивных пород – гранит, диорит, габбро, перидотит. Их плотность в этом ряду возрастает, а содержание диоксида кремния убывает. В связи с высоким содержанием диоксида крем­ния (кремниевой кислоты) граниты относят к кислым породам, диорит – к средним, габбро – к основным, а перидотит – к ультра-основным(таблица 3).

Таблица 3. Классификация магматических пород

Эффузивные магматические породы образуются, когда огненно-жидкая магма достигает земной поверхности. По минералогическому составу эти породы сходны с интрузивными (таблица 3), так как обе группы пород образуются из одних и тех же магм. Суще­ственное различие между этими породами заключается в их структуре. Процесс застывания магмы на поверхности Земли протекает намного быстрее, чем в ее глубинах, поэтому эффузивные породы состоят из мелких кристаллов (микроскопических размеров). В некоторых случаях магма застывала так быстро, что кристаллы вообще не успевали появляться, и вся масса породы оказывалась аморфной, стекловидной. Подобные породы называют вулканическими стеклами.

Осадочные породы

Осадочные породы имеют вторичное происхождение. Они всегда образуются на поверхности Земли из продуктов предварительного разрушения пород. По составу и происхождению осадочные породы подразделяются на обломочные, хемогенные и биогенные.

Обломочные горные породы – это продукты механического разрушения коренных, исходных пород. В зависимости от крупности зерен, независимо от их минерального состава, формы и происхождения, обломочные горные породы делят на глины (размер частиц менее 0,02 мм), песок (0,02-2,0 мм), гравий, гальку, щебень (2,0-200 мм), глыбы, валуны (размер более 200 мм).

Глинистые породы в минералогическом отношении резко отличаются от крупных обломочных пород. Их главными представителями являются каолин, глина, суглинок, мергель, сланцевая глина и лесс. За исключением лесса, все они образуются путем осаждения из воды в процессе разрушения горных пород. Их характерной особенностью является способность удерживать воду в многочисленных тончайших порах. Поэтому глины обладают низкой водопроницаемостью для грунтовых вод и образуют водоупорные слои.

Хемогенные породыобразуются из естественных растворов в процессе осаждения находящихся в них соединений в результате выпаривания. Породы этой группы чаще всего классифицируют по химическому составу. К ним относятся: каменная соль (NaCl), ангидрит (CaSO₄), гипс (CaSO₄ ^· 2Н₂О), известняки (СаСО₃) и др.

Биогенные горные породыформируются в результате жизнедеятельности живых организмов. Они представляют собой либо продукты, образующиеся при жизни животных и растений, либо их неразложившиеся остатки. По химическому составу породы делят на карбонатные, кремнистые и фосфатные.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: