Текст книги "Геохимическое землеведение: учебное пособие"

Всеволод Всеволодович Добровольский
Геохимическое землеведение: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «География»

Предисловие

Характерная черта современной географии – широкое использование методов и подходов смежных наук для решения географических проблем. Стремление использовать принципы геохимии для изучения и понимания отдельных географических явлений возникло одновременно с созданием геохимии как науки. Достаточно вспомнить идеи В.И. Вернадского о миграции химических элементов в биосфере, первые работы Ф.У. Кларка по определению химического состава основных компонентов природы, В.М. Гольдшмидта о дифференциации химических элементов на поверхности Земли. Геохимическое направление в географии особенно плодотворно развивалось в нашей стране, где оно приобрело форму учения о геохимии ландшафта, основы которого были разработаны выдающимся почвоведом, географом и геохимиком Б.Б. Полыновым.

Современные представления о геосистемах разного ранга как о комплексах природных компонентов, находящихся в глубокой взаимосвязи, – крупное достижение географии. Эти представления вытекают из идей В.В. Докучаева о «генетической, вековечной и закономерной связи» между составными частями природы. Визуально измерить эти связи невозможно. Геохимический подход позволяет количественно определить их, выразить «числом и мерой», а в дальнейшем – перейти к их кодово-цифровой характеристике. Это открывает принципиально новые возможности в изучении ландшафтов и всей окружающей нас природной среды.

Становление и прогресс любого научного направления в значительной мере обусловливаются запросами практики. Геохимическое направление в географии позволило разработать теоретическую базу для методики геохимических поисков многих полезных ископаемых, а также с успехом использовалось при исследованиях в лесном и сельском хозяйстве. Применение принципов и методов геохимии ландшафта особенно перспективно для изучения состояния окружающей среды, испытывающей нарастающее воздействие со стороны человека. В связи с этой проблемой весьма знаменательно обращение ученых многих стран к изучению геохимии географической оболочки.

Оценка состояния окружающей среды и обоснованный прогноз возможных последствий любых хозяйственных мероприятий должны осуществляться с учетом выяснения закономерностей природных процессов перераспределения химических элементов в конкретных единицах географической оболочки. Никакое самое тщательное наблюдение за состоянием лишь одного компонента не может дать истинной картины геохимического состояния окружающей среды. Необходимы данные о всех компонентах геосистемы (почвах, растениях, водах и пр.) и учет их взаимосвязей. Геохимическое направление в географии подготовило теоретическое и методическое обоснование для организации контроля за состоянием окружающей среды и для разработки природоохранных мероприятий.

Знакомство с геохимическим аспектом землеведения необходимо современным преподавателям естественно-научных дисциплин, в первую очередь преподавателям географии.

В основу данного учебного пособия положены лекции по проблемам геохимии, многие годы читавшиеся автором на географическом факультете Московского педагогического государственного университета. В первых четырех главах последовательно рассмотрены геохимические особенности земной коры, гидросферы, атмосферы, живого вещества. В пятой главе дается представление о распределении масс химических элементов в наружных оболочках Земли и о планетарных геохимических циклах элементов. Одновременно эта глава также имеет важное значение в методическом плане, так как знакомит с практическими примерами перехода от традиционного оперирования величинами концентрации химических элементов к выяснению распределения их масс в географической оболочке и количественной оценке миграционных массопотоков, что необходимо для понимания закономерностей функционирования геосистем разного ранга. Специальная глава посвящена геохимическому ландшафтоведению. В последней главе суммированы данные о геохимии техногенеза и проанализированы последствия хозяйственной деятельности человечества с позиции геохимии.

В заключении автор считает своим долгом выразить признательность научному сотруднику кафедры геологии и геохимии ландшафта МПГУ С.В. Литкенс за помощь в подготовке настоящего пособия к изданию.

Глава I
ПЛАНЕТАРНАЯ ГЕОХИМИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ И ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Одна из главных особенностей нашей планеты – ее оболочечное строение. При этом наружные оболочки: твердая (земная кора), жидкая (гидросфера) и газовая (атмосфера) тесно связаны между собой, а вещество каждой сферы проникает в пределы соседних. Известно, что подземные воды пронизывают верхнюю часть земной коры, что значительная часть газов находится не в атмосфере, а присутствует в растворенном состоянии в гидросфере и заполняет пустоты в почве и горных породах. В свою очередь, вода и твердые частицы насыщают нижние слои атмосферы.

Три наружные оболочки Земли связаны не только пространственно, но также генетически. Происхождение этих оболочек, равно как их развитие во времени, взаимообусловлено. Эта связь еще более усиливается тем, что значительная часть объема наружных оболочек охвачена проявлениями жизни.

Представители разных наук, исходя из различных исходных позиций, пытались обосновать идею единства наружных оболочек Земли. Таковы взгляды В.И. Вернадского (1934) о земной коре, включающей в себя литосферу, гидросферу и атмосферу, концепции географов о единой природе земной поверхности (Марков, 1960), географической сфере (Рябчиков, 1973), географической или ландшафтной оболочке Земли (Калесник, 1955; Ермолаев, 1975).

Современное общее состояние естествознания и успехи некоторых естественных наук, смежных с географией, позволяют вплотную приблизиться к количественной оценке взаимосвязи наружных оболочек. Один из возможных подходов – выяснение закономерностей распределения химических элементов между оболочками. Эта задача по методу решения, несомненно, геохимическая, но ее итог имеет важное значение для указанной фундаментальной проблемы физической географии.

Для ее решения прежде всего необходимо возможно более точно оценить содержание химических элементов в оболочках. Обратимся к рассмотрению состава земной коры.

Средний химический состав земной коры и понятие о кларках

Определение среднего химического состава земной коры было начато в конце XIX в. химиком Геологической службы США Ф.У. Кларком. Обоснование его работы сводилось к следующему: чем больше распространен какой-либо тип горных пород, тем в большем количестве отбираются образцы этих пород и чаще выполняются их анализы. Суммируя все имеющиеся анализы, можно получить представление о составе верхней части литосферы. Эту верхнюю часть Кларк условно ограничил глубиной в 10 миль (16 км). Более 40 лет Кларк работал над этой проблемой и несколько раз публиковал все более подробные сведения о содержании химических элементов в земной коре и других природных образованиях.

Положения, из которых исходил Кларк, не были абсолютно правильны. Одна формальная статистика не может дать исчерпывающего ответа на сложный вопрос о составе земной коры. Строение земной коры в начале нашего века еще не было изучено настолько, чтобы это можно было учесть при расчетах. Последние цифры Кларка, опубликованные в 1924 г., базировались на внушительном фактическом материале – более пяти тысяч химических анализов. Но все пробы были отобраны на суше и, следовательно, не могли характеризовать земную кору в целом, а лишь ее континентальный тип. Тем не менее работы Кларка открыли новый этап изучения Земли – исследования по оценке количественной распространенности химических элементов в земной коре и других объектах.

Кларк установил, что в составе земной коры преобладают восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, калий и натрий. Этот основной вывод был неоднократно подтвержден другими исследователями. В табл. 1 приведены данные, полученные разными учеными в разное время. Эти данные показывают развитие представлений о составе земной коры. В первой графе помещены цифры Кларка. Они вычислены при условном ограничении изученной мощности земной коры в 10 миль (16 км). Во второй графе находятся данные А.П. Виноградова, которые рассчитаны из условного соотношения двух частей гранита и одной части базальта. Это не отражает истинного соотношения горных пород в земной коре. Третья графа содержит цифры, впервые рассчитанные с учетом определения объема земной коры, нижней границей которой является поверхность Мохоровича. Данные А.Б. Ронова и А.А. Ярошевского рассчитаны аналогичным образом, но на основании более точных сведений.

Таблица 1

Средний химический состав земной коры,%

Как следует из данных, приведенных в таблице, колебания в цифрах разных ученых не меняют общую картину. В составе земной коры резко преобладают кислород и кремний, которые составляют примерно ³/₄ всей массы коры.

Внимание Кларка в основном было сосредоточено на главных десяти химических элементах, слагающих земную кору. В дальнейшем круг элементов был расширен, но для большей части элементов подсчеты средних содержаний встречали большие трудности. Во-первых, это имело отношение к металлам и, во-вторых, к малораспространенным химическим элементам.

В Норвегии давно сложилась сильная научная школа минералогов, химиков и металлургов, длительное время настойчиво изучавших руды железа, меди и никеля, свинца и цинка. Крупный норвежский минералог И. Фогт определил соотношение между железом и некоторыми другими металлами (никелем, марганцем, кобальтом) и рассчитал среднее содержание этих металлов в земной коре. Для расчета содержания цинка, свинца, олова и некоторых других металлов Фогт оригинально использовал экономико-статистические сведения. Эти данные были напечатаны в 1899 г. в статье «Об относительном распространении элементов».

Оставалась большая группа элементов, которые с трудом определялись методами химического анализа. На кафедре минералогии Московского университета под руководством В.И. Вернадского было начато использование спектроскопического анализа для определения элементов, содержащихся в незначительном количестве.

В результате всех этих усилий ко второму десятилетию XX в. накопился достаточный фактический материал, чтобы получить общее представление о содержании и распространении химических элементов в земной коре, атмосфере, природных водах и даже в различных космических телах. В честь ученого, который наметил путь к количественной оценке распространения химических элементов, А.Е. Ферсман в 1933 г. предложил называть кларком среднюю величину концентрации элемента в Земле в целом или в других телах. Когда мы говорим, что кларк кремния в земной коре 29,5, это значит, что такова его средняя концентрация в процентах.

В табл. 2 приведены кларки элементов земной коры в целом и «гранитного» слоя земной коры континентов. Из этой таблицы видно, что содержание разных элементов колеблется в огромном диапазоне и меняется в миллиард раз. В действительности контраст еще больше из-за совершенно ничтожного содержания неустойчивых радиоактивных элементов – таких, как радий, полоний и др.

Кларк – важнейшая величина в геохимии. Анализ кларков позволяет понять многие закономерности химии распределения химических элементов на Земле, в Солнечной системе, доступной нашим наблюдениям части Вселенной.

Таблица 2

Кларки химических элементов литосферы (в порядке убывания величин в «гранитном» слое континентов)

Образование и распространение химических элементов

Первые же обобщения химического состава земной коры показали, что соотношения элементов не случайны. Прежде всего, имеется четко выраженная тенденция к уменьшению содержания элементов по мере возрастания их порядкового номера в таблице Менделеева, т. е. массы атома.

Масса атома обусловлена массой его ядра, т. е. количеством нуклонов (протонов и нейтронов), входящих в его состав. Можно сказать, что кларки химических элементов, как правило, уменьшаются по мере усложнения строения ядра, с увеличением числа нуклонов. Правда, есть исключения из этой общей закономерности.

В 1914 г. итальянский физик Дж. Оддо обратил внимание на то, что в земной коре преобладают элементы с четным порядковым номером и четной атомной массой. Более подробно это явление было изучено американским ученым У. Гаркинсом. Оно получило название правила Оддо – Гаркинса и формулируется так: из двух соседних элементов таблицы Менделеева содержание в земной коре четного элемента обычно больше. Это можно легко заметить на примере восьми главных элементов, образующих 99 % массы земной коры. Из них четные элементы составляют 86 %, а нечетные – всего 13 %.

А.Е. Ферсман графически показал закономерности изменения кларков земной коры. Учитывая очень большой диапазон величин, этот ученый изобразил на графике не абсолютные величины кларков, а их логарифмы (рис. 1). Так, кларки величиной от 1 до 10 на логарифмической шкале находятся от 0 до 1, кларки величиной в десятки процентов будут находиться между горизонтальными линиями от 1 до 2. Малые кларки, измеряемые десятыми долями процента, располагаются ниже 0 до —1 измеряемые сотыми долями процента – от —1 до —2 и т. д. Четные элементы соединены жирной линией, нечетные – тонкой. Более высокое положение жирной линии иллюстрирует правило Оддо – Гаркинса. Из этого правила есть исключения, которые представлены на графике и причины которых мы рассмотрим.

Рис. 1. Кривая логарифмов кларков химических элементов земной коры (по А.Е. Ферсману, 1934)

Зависимость между массой химических элементов в земной коре, с одной стороны, и строением атомных ядер, с другой, позволили предположить, что эта связь отражает глубокие закономерности состава Вселенной. Напомним, что масса атомов практически вся сосредоточена в их ядрах. Ядра состоят из элементарных частиц. Эти частицы в свободном состоянии рассеяны в космическом пространстве, в то время как в ядрах атомов они соединены огромной энергией, которая была затрачена на синтез ядер. В условиях статического равновесия рассеянных частиц в межзвездном пространстве синтез ядер химических элементов невозможен. Условием термоядерных реакций, в процессе которых происходит синтез ядер, является очень высокая температура. Эта температура может быть достигнута лишь при сильном уплотнении вещества межзвездных туманностей под влиянием гравитационных сил. Толчок к конденсации рассеянных частиц, при которой с возрастающей интенсивностью начинают действовать гравитационные силы, создает ударная волна, возникающая при взрыве звезды, завершившей свою эволюцию. После достижения уплотнения вещества зарождающейся звезды до предела, при котором начинаются термоядерные реакции, наступает длительная стадия термоядерного «сгорания» ядер водорода и гелия, а после исчерпания запасов ядерного горючего звезда под воздействием гравитационных сил, не сдерживаемых термоядерными реакциями, сильно сжимается до небольших размеров и взрывается, порождая мощную ударную волну и оставляя «облако» рассеянных космических частиц. Таким образом, гибель звезды, завершившей свою эволюцию, является предпосылкой для образования звезд последующих генераций.

Процесс образования и эволюции звезд охватывает всю Вселенную. По расчетам ученых в звездах сосредоточено около 97 % вещества Вселенной. Одной из звезд, средней по массе, является Солнце.

Итак, окружающий нас мир состоит из атомов химических элементов, массы которых находятся в определенном соотношении. Атомы, точнее, их ядра образуются в процессе эволюции звезд. Образование и эволюция звезд – один из важнейших процессов, происходящих во Вселенной. Возникает естественный вопрос: что явилось причиной начала этого процесса и когда началось образование ядер атомов?

Имеющиеся данные позволяют предполагать, что статическое равновесие элементарных частиц, заполнявших пространство Вселенной, около 15–20 млрд лет было нарушено грандиозным энергетическим импульсом. Вместе с тем, астрономы еще в начале XX в. обнаружили факты, свидетельствующие о расширении Вселенной, происходящем с большой скоростью. На основании теоретических соображений американские физики Г. Гамов, Г. Бете и Р. Альфер разработали гипотезу «Большого Взрыва» (Big Bang). Согласно этой гипотезе вещество Вселенной к моменту «Большого Взрыва» было представлено исключительно элементарными частицами. Ударная волна «Большого Взрыва» способствовала образованию флюктационных сгустков исходного рассеянного космического вещества, из которых стали формироваться первые примитивные водородно-гелиевые звезды. Под воздействием гравитационного сжатия в этих звездах стали возрастать давление и температура и начались термоядерные реакции. В итоге был запущен механизм образования звезд и в них – ядер атомов.

Разумеется, наших знаний пока недостаточно, и в рассматриваемой проблеме больше вопросов, чем ответов. Так, например, наблюдения и расчеты показали, что в Галактике гелия в 20 раз больше, чем его могло образовываться в звездах. Следовательно большая часть массы этого химического элемента имеет дозвездное происхождение. Более или менее уверенно можно считать, что в истории Вселенной имели место две стадии: догалактическая стадия, на протяжении которой образовались элементарные частицы и ядра наиболее легких химических элементов, которые в дальнейшем послужили исходным материалом для первичных примитивных звезд, и галактическая стадия, характеризующаяся процессом возникновения и эволюции звезд, в которых путем термоядерных реакций создавались ядра всех известных химических элементов.

Согласно имеющимся данным, основную массу вещества нашей Галактики образуют ядра водорода (75 %) и гелия (24 %). Более сложно устроенные ядра составляют в сумме около 1 %. Среди них наиболее распространены ядра элементов с порядковыми номерами не выше 27 (рис. 2).

Рис. 2. Распространение химических элементов в Галактике

(по А. Полянскому, 1961)

Степень распространения ядер во Вселенной обусловлена процессами их образования. Наиболее распространенная термоядерная реакция – превращение водорода в гелий, сопровождающееся выделением огромной энергии. По мнению американского ученого О. Струве, весь свет, который исходит от звезд, возникает в результате этого процесса.

Литий, бериллий и бор образуются иначе – в магнитных полях огромной интенсивности под воздействием быстро движущихся электронов. Такие условия предполагаются в «звездных пятнах» или при образовании сверхновых звезд. Эти элементы очень неустойчивы под воздействием ядер водорода. Поэтому при термоядерных реакциях они «сгорают», превращаясь в гелий. В результате этого кларки лития, бериллия и бора малы не только для земной коры, но и для всей нашей Галактики. Процесс термоядерного разрушения этих элементов может быть использован для определения относительной молодости звезд. Например, по содержанию лития, по степени его «выгорания» ученые судят о возрасте звезды.

Реакция синтеза ядер не останавливается на образовании гелия. Этот элемент может «сгорать» с образованием ядер углерода, кислорода, неона, которые в результате захвата ядер гелия преобразуются в ядра магния, кремния, серы, аргона и кальция. Такие реакции происходят только в наиболее массивных звездах.

Образование более тяжелых ядер, содержащих большое количество нуклонов, может происходить при последовательном захвате нейтронов. Особую группу составляют самые тяжелые и наиболее сложно устроенные ядра. Начиная с полония (порядковый номер 84), элементы радиоактивны. Их ядра непрерывно разрушаются, превращаясь в стабильные. Самые неустойчивые ядра давно разрушились и в земной коре отсутствуют. Некоторые из них получены искусственно. Таким образом, синтез ядер происходит как за счет усложнения более просто устроенных ядер атомов легких химических элементов, так и в результате распада тяжелых ядер.

Образование ядер происходит в недрах «горячих» звезд, образование электронных оболочек вокруг ядер, т. е. формирование атомов – в условиях более низких температур на периферии этих звезд. Химические соединения атомов возникают на значительном удалении от поверхности звезд. Одна из схем распределения вещества по мере удаления от звезды показана на рис. 3.

Закономерности распространения химических элементов во всей Галактике в значительной мере сохранены и унаследованы кларками земной коры. Но в процессе ее образования произошла существенная пересортировка атомов, что нашло выражение в особых и неповторимых значениях кларков каменной оболочки нашей планеты.

Главная геохимическая особенность земной коры – необычайно высокий кларк кислорода. Ничего подобного не обнаружено ни на Солнце, ни на других звездах. Объяснение этого замечательного явления связано не со строением ядра кислорода, а со способностью этого элемента образовывать очень прочные связи с кремнием, алюминием и некоторыми другими элементами. В свою очередь, кремний и алюминий накапливаются в земной коре благодаря их способности образовывать легкоплавкие соединения со щелочами. В итоге была выплавлена и закреплена на поверхности нашей планеты уникальная по своему составу твердая кремнекислородная оболочка.

Рис. 3. Схема распределения вещества вокруг горячей звезды

(по Г. Уинн-Уильямсу, из книги Г.В. Войткевича, 1987) А – линии атомарного водорода (2–5 мкм); В – эмиссионные полосы СО (2,3 мкм); С – комплексные источники (2—20 мкм); D – эмиссия СО (2,3–4,5 мкм), Е – мазерное излучение H₂O (1,35 см), излучение Н₂; F – эмиссия СО (узкий компонент 2,6 мкм)

Мы уже отмечали низкие кларки инертных газов. Это явление отчасти объясняется их неспособностью связываться в химические соединения и закрепляться на планете. Но содержание одного из инертных газов – аргона – систематически пополняется за счет самопроизвольно протекающей реакции превращения радиоактивного изотопа калия (К⁴⁰). При этом около 12 % этого изотопа превращается в аргон (Аг⁴⁰), а около 88 % – в кальций. В результате содержание аргона примерно в 100 раз больше, чем его можно ожидать по аналогии с другими инертными газами.