Геохимические классификации химических элементов

 

СОДЕРЖАНИЕ:   Глава 1. Геохимические классификации  химических элементов……...…...2         1.1. Классификации химических элементов………………………………………………2         1.2. Миграции химических элементов……………………………………………………..6
Глава 2. Месторождения полезных ископаемых………….………………………8 2.1.  Общие понятия…………………………………………………………………………8
Глава 3. Биогеохимические барьеры………………….……………………...……...10 3.1. Понятие биогеохимических барьеров……………………………………………….11 3.2. Типы биогеохимических барьеров…………………………………………………..12 3.3. Техногенные геохимические барьеры и защита окружающей среды……………..15
Глава 4.  Гидрохимия подземных  вод. Подземные воды……………………...19
4.1. Общие сведения и типы подземных вод……………………………………………..19 4.2. Химический состав подземных вод……………………………………………….....20
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………………….26

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1.

Геохимическая классификация  химических

                       элементов по Гольдшмидту

 

1.1. Геохимическая классификация элементов, подразделяет химические элементы по признаку их геохимического сходства, т. е. по признаку их совместной концентрации в определённых природных системах. В основе Геохимической классификации элементов лежит периодический закон Д.И. Менделеева.

В предложенной В. М. Гольдшмидтом Геохимической классификации элементов выделяют 4 группы, в соответствии с устойчивостью различных типов их соединений в природе: литофильные, халькофильные, сидерофильные, атмофильные.

Литофильные

(от греч. «литос» —  камень и «фил» — люблю (имею  склонность)) — элементы горных  пород. С точки зрения строения  атомов литофильные элементы  имеют характерный общий признак:  на внешней оболочке их ионов,  располагаются по 8 электронов (в  ряду Li — по два). Большинство  этих элементов входит в состав силикатов, т.к. для них наиболее характерны соединения с кислородом. В природе встречаются также в виде окислов, галогенидов, фосфатов, сульфатов, карбонатов. Около 95% земной коры состоит из соединений литофильных элементов. Эти элементы трудно восстанавливаются до элементарного состояния. Преимущественно парамагнитны. К ним относятся 54 элемента (т. е. более половины элементов, существующих в природе): щелочные и щёлочноземельные, В,  Al, Sc, лантаноиды и актиноиды (Ac, Th, Pa,U), С, Si, Ti, Zr, Hf, P,V, Nb, Та, О, Cr, W, галогены и марганец.

Халькофильные

 (от греч. «халькос»- медь) — элементы сульфидных руд. Свое название они получили в связи с определенными свойствами меди, на которую они похожи в своем геохимическом поведении. На внешней оболочке их катионов располагаются 18 электронов (S2—,Se2—, Те2— по 8 электронов). В природе встречаются в виде сульфидов, сульфосолей, теллуридов, селенидов, т.к. проявляют склонность образовывать природные соединения с серой и ее аналогами по группе менделеевской таблицы — селеном и теллуром. В простом (самородном) состоянии в природе встречаются Au, Ag, Cu, As, S, Bi и некоторые др. Преимущественно диамагнитны, располагаются на восходящих участках кривой атомных объёмов. Zn, Cd, Hg, Ca, In,Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, S, Se, Те.

Сидерофильные

 (от греч. «сидерос» — железо) — элементы с достраивающейся электронной оболочкой. Сюда относятся все элементы VIII гр. периодической системы: семейство железа и семейство платиновых металлов, а также молибден и рений — всего 11 элементов. Располагаются в минимумах кривой атомных объёмов, ферромагнитны и парамагнитны. В природе находятся преимущественно в элементарном состоянии, железо как в виде окислов и силикатов, так и в виде сульфидов, реже арсенидов и в самородном состоянии.

Атмофильные (от греч. «атмос»— пар, испарение) — элементы атмосферы. К этой группе относятся все инертные газы (от Не до Rn), азот и водород — всего 8 элементов. В природе для них характерно газообразное состояние. Большинство из них имеет атомы с заполненной электронной внешней оболочкой, располагаются в верхних частях кривой атомных объёмов; преимущественно диамагнитны. Для большинства характерно нахождение в природе в элементарном состоянии.

Геохимическая классификация  элементов В. М. Гольдшмидта построена  с учётом положения элементов  в периодической системе элементов  Д.И. Менделеева, типа электронного строения атомов и ионов, специфичности проявления сродства к тем или иным анионам, положения данного элемента на кривой атомных объёмов. Данная геохимическая  классификация элементов помогает при изучении сложнейших процессов  химической дифференциации различных  веществ и соединений в толще  земной коры и в метеоритах. Она  объясняет распределение отдельных  элементов по различным слоям  Земли.

Другие наиболее известные  Геохимические классификации элементов  были предложены русскими геологами В. И. Вернадским (1927), А. Е. Ферсманом (1932) и А. Н. Заварицким (1950).

Классификация В.И. Вернадского (1927 г.) построена на присутствие или отсутствие в истории данного химического элемента химических и радиохимических процессов, обратимости или необратимости этих процессов, а также на присутствие или отсутствие в земной коре их химических соединений или молекул, состоящих из нескольких атомов. Согласно этим признакам, В. И. Вернадский выделил шесть геохимических групп:

• благородные газы,
• благородные металлы,
• циклические элементы,
• рассеянные элементы,
• элементы сильнорадиоактивные
• элементы редких земель.

Принцип классификации А.Е. Ферсмана (1932 г.) основан на развернутой таблице Д.И. Менделеева. А.Е. Ферсман выделил элементы, создающие концентрации в определенных магматических горных породах: кислых, средних и ультраосновных магм и сульфидных месторождений. В итоге было получено пять самостоятельных групп: благородные газы, металлы обычного поля, металлоиды обычного поля, элементы нижнего кислого поля и элементы сульфидного поля.

Классификация А. И. Заварицкого (1950 г.), как и принцип классификации А.Е. Ферсмана, также основана на развернутой таблице Д. И. Менделеева, но более детально по отношению к последней, и объединяет элементы, геохимически особенно близкие. По А. Н. Заварицкому, все элементы делится на 10 групп:

• благородные газы,
• элементы горных пород,
• элементы магматических аномалий,
• радиоактивные элементы,
• редкие элементы,
• элементы группы железа,
• элементы группы платины,
• металлические элементы,
• металлоидные элементы,
• галоидные элементы.

1.2. Миграция химических элементов.

Геохимические классификации элементов, основаны на особенностях миграции химических элементов в земной коре и Земле в целом. При классификации обычно учитывается положение элементов в периодической системе, строение их атомов.

При классификации химических элементов по условиям их миграции в биосфере учитываются их ионное состояние (катионогенные и анионогенные), интенсивность и контрастность миграции, способность концентрироваться на геохимических барьерах. Каждая группа элементов характерна для определенных систем биосферы. Обычно элементы разделяют на воздушные и водные миграйты. Для первых характерно газообразное состояние (хотя они мигрируют и с водными растворами). Вторые мигрируют преимущественно в растворах в виде ионов, молекул и коллоидных частиц. 

Миграция химических элементов:

1. Энергия гравитационных сил (перемещение вещества на поверхности планеты);

2. Космическая энергия  (энергия солнечных лучей, фотосинтез, тепловой режим атмосферы и  гидросферы);

3. Энергия радиоактивного  распада (тектонические движения);

4. Теплота глубины земного  шара (остаточная теплота звезды, живого вещества, радиационные процессы).

Внешние факторы  миграции

Этот фактор обуславливается  внешней средой, окружающей мигрирующие  элементы

1. Радиационные изменения  среды.

Пример: радиолиз воды – Н2О—»2Н+О2 При этом Н – восстанавливает многие оксиды металлов, соединяется с S, N, F. А О2 - является сильным окислителем.

2.   Воздействие ионизирующего излучения. Этот процесс связан с ионизацией и возбуждением атомов. В зависимости от дозы и длительности облучения, выделяются острые и хронические поражения.

Примеры: папоротники выдерживают дозы до 10.000 Грей {1Гр=1 Дж/кг =100 Рад}, древесная растительность 12Гр. Среди животных устойчивостью обладают: крысы, мыши и насекомые. Мухи – дрозофилы - 950Гр, сельскохозяйственные животные от 3-15Гр. Птицы 25-30Гр, человек – не более 7Гр. У некоторых животных и растений данный вид облучения приводит к стимуляции ряда биохимических процессов (мутации).

3. Температура. С повышением  температуры в биосфере увеличивается  миграционная способность элементов. 

4. Давление. Оказывает влияние  на миграцию элементов в растворах,  расплавах и газовых смесях; изменение  фазового состояния вещества  и скорости реакции.

5. Степень электрической  диссоциации.

6. Концентрация водородных  ионов. Этот фактор определяется  показателем Рh среды. Изменение  щелочности среды влияет на  поступление элементов в растения, на подвижность многих металлов.

7. Окислительно – восстановительный  потенциал и обстановка. Определяется  режимом S и O. Окислительная (кислородная  обстановка способствует накоплению  катионогенных элементов переменной  валентности Fe, Mn, Co) и увеличению  растворимости анионогенных ( V, Mo, Se, S, U, Re).

8. Жизнедеятельность организмов  тесно связана с миграцией  химических элементов.

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 2. 

МЕСТОРОЖДЕНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

 

Земная  кора обладает огромными  и разнообразными природными ресурсами. Различные материки, регионы страны, районы имеют различную ресурсообеспеченность.  Ресурсообеспеченность - соотношение между величиной ресурсов и размерами их использования. Она выражается  количеством лет, на которые должно хватить данного ресурса и запасами этого ресурса из расчета на душу населения.

1. Минеральные ресурсы  относятся к невозобновляемым, и  запасы их видов неодинаковы. 

2.    Топливные полезные ископаемые заключены в угольных и нефтегазоносных бассейнах. Часть мировых угольных ресурсов приходится на Азию, Северную Америку, Европу. 10 крупнейших в России, ФРГ, США. Нефть - в Азии, Северной Америке, Африке.

3.      Рудные полезные ископаемые образуют рудные пояса - Альпийско-Гималайский, Тихоокеанский.

4.      Земельные ресурсы. Их обеспеченность определяется мировым земельным фондом: обрабатываемые земли - 11%, луга - 23%, остальное - кустарники. Наименьшими земельными ресурсами обладают - Япония и Египет.

5.      Водные ресурсы. Население, промышленность, сельское хозяйство испытывают потребность в пресной воде. Запасы пресной воды распределены неравномерно: в Африке только 10% обеспечены водоснабжением. Потребность в пресной воде растет постояннно.

6.      Лесные ресурсы характеризуются 2-мя показателями: размерами лесной площади и запасами древесины. Площадь лесов мира ежегодно уменьшается в связи с хозяйственной деятельностью человека.

7.      Ресурсы мирового океана: морская вода; минеральные ресурсы дна Мирового океана (нефть, природный газ); энергетические ресурсы ( приливная, термоэнергия);  биологические ресурсы (биомасса  океана).

8.      Климатические и космические ресурсы: солнечная, ветряная энергия, агроклиматические ресурсы - тепло, влага, свет.

9.      Рекреационные ресурсы  подразделяются на 2 группы:

-        природно-рекреационные (зеленые зоны вокруг городов);

-        природно-исторические (памятники истории, архитектуры)       

 Россия выделяется  высокой обеспеченностью минеральными  ресурсами, особенно топливно-энергетическими  (торф, уголь, нефть, газ). Богата  редкими цветными металлами (медь, никель, алюминий, олово, вольфрам, молибден, золото, платина, алмазы). Многие имеют мировое значение и идут на экспорт. Минеральные богатства России - основа развития горно-добывающей и обрабатывающей промышленности;

Лесные ресурсы - основа развития лесной и деревообрабатывающей промышленности. Водные ресурсы используются в гидроэнергетике.

 

Месторождение полезных ископаемых — скопление минерального вещества на поверхности или в недрах Земли, по количеству, качеству и условиям залегания пригодное для промышленного использования.

Полезные ископаемые бывают газовые, жидкие и твёрдые. К газовым принадлежат месторождения горючих газов углеводородного состава и негорючих газов таких, как гелий, неон, аргон, криптон. К жидким относятся месторождения нефти и подземных вод. К твёрдым принадлежит большинство месторождений полезных ископаемых, используемых для извлечения из них ценных элементов, минералов, кристаллов и горной породы. По промышленному использованию месторождения полезных ископаемых разделяются на рудные, или металлические (рудные); нерудные, или неметаллические полезные ископаемые; горючие, или каустобиолиты (газовые, нефтяные). Количество минерального сырья и его качество в месторожденях полезных ископаемых должно быть достаточным для промышленной разработки. Минимальное количество полезного ископаемого и наиболее низкое качество, при которых возможна эксплуатация, называются промышленными кондициями. Месторождения полезных ископаемых могут обнажаться на земной поверхности и относиться к открытым или быть погребёнными в недрах Земли и квалифицироваться как закрытые, или "слепые".