Лекции_Общая геохимия. Геохимия как наука

• Название: Геохимия как наука
• Анкор: Лекции_Общая геохимия.pdf
• Дата: 26.09.2017
• Размер: 6.86 Mb.
• Имя файла: Лекции_Общая геохимия.pdf
• Тип: Документы; #8965
• страница: 7 из 27

= С + Н (5.1) Возникший изотоп С является излучателем с периодом полураспада 5730 лет. Это значит, что в закрытой системе (дополнительные источники Сот- сутствуют) по прошествии времени, равного десятикратному периоду полураспада, никаких следов Св ней обнаружить не удастся. Иначе говоря, если бы с момента изоляции такой системы от внешнего источника С можно было систематически по прошествии определенных отрезков времени измерять содержание атомов С, еще не успевших распасться, то была бы получена характерная кривая его вымирания. Однако по такой кривой можно решать и обратную задачу, зная количество сохранившегося С, — измерять ее возраст. Но что же происходит с изотопом С после его образования в атмосфере По-видимому, значительная часть его, соединяясь с кислородом, образует молекулу углекислоты и вступает в свойственный ей геохимический цикл, который будет подробно рассмотрен далее. Одним из возможных этапов этого цикла является участие углекислоты в фотосинтезе — поглощении углерода растительностью и осаждение в виде

61 карбонатных осадков в морских бассейнах. При отмирании растений и организмов, употребляющих их в пищу, и осаждении карбонатов обмен углеродом этих объектов с атмосферой прекращается и Св них больше не поступает. Значит, каждый из таких объектов становится подобием ранее рассмотренной нами системы, в которой будет происходить односторонне направленное вымирание изотопа С. На измерении его концентраций в погребенных остатках животных и растительных организмов и карбонатах основан известный метод измерения возраста молодых отложений. Этот метод позволил сделать важные открытия в плейстоценовой геологии и археологии. На основании подобных измерений и сопоставлений с пыльцевой флорой удалось установить синхронность оледенений и потеплений климата враз- ных континентах, измерить возраст речных террас и древних стоянок человека и т. д. Тщательное измерение возраста годичных колец древних секвойи королевских сосен в США, датируемых 800-1000 лет, показало, что допущение о постоянстве процесса образования атомов Св ионосфере, о неизменной его интенсивности не очень обоснованно. Измерения концентрации Св тщательно датированных независимым методом объектах (годичных кольцах) указали на существование флуктуации, совпадающих с периодичностью, свойственной активности Солнца. Аналогична судьба трития - Н, образующегося при другой ядерной реакции в результате соударений быстрых нейтронов с аналогичным, как ив первом случае, изотопом азота
N
14
+ п = С + Н
3
Период полураспада трития 12,3 лет, так как в результате распада тритий превращается в Не Н = β+ Не
3
Следовательно, тритий подобно Сможет быть использован для измерения возраста таких объектов как облака, поверхностные и подземные воды и вода океана с целью измерения скорости их обращения, обмена и т. д, если длительность этих событий не превышает 100 лет. В настоящее время известно восемь радиоактивных изотопов (короткоживущих, образующихся также в результате нейтронной бомбардировки в верхних слоях атмосферы и участвующих в геохимических циклах земного вещества (табл. 5.1). Таблица 5.1 Радиоактивные изотопы, возникшие под действием нейтронов, их периоды полураспада и общее количество на Земле (по Г. Фаулю, 1966 г.)
Изотоп Период полураспада Планетарное количество Н 12,3 года
3,5 кг 2,7 млн. лет
430 т
С
14
5730 лет
54 т 2,6 года
1,2 кг

62 А 26 0,74 млн. лет
1,7 т 700 лет
1,0 кг
С1
з6 0,31 млн. лет
15 т
Аг
39 260 лет
22 кг Пятый "этаж" – экзосфера, те. "внешняя" оболочка атмосферы. Находится этот слой на высоте более 800 км. Воздух здесь разрежён ещё сильнее, чем в термосфере. На сегодняшний день такие высоты доступны лишь ракетам. Этот слой называют также "слоем рассеяния, потому что частицы воздуха здесь, двигаясь с огромными скоростями, иногда улетают в межпланетное пространство и навсегда покидают Землю.
5.3. Подземная атмосфера
Прежде чем обратиться к вопросам происхождения современной атмосферы Земли, рассмотрим состав газов подземной атмосферы, непрерывно поступающих в наземную атмосферу. Согласно классификации В. В. Белоусова, по происхождению подземные газы подразделяются на 1) биохимические, 2) воздушные, 3) химические) радиогенные. В настоящий момент целесообразно выделить, хотя и проблематичную, группу газов ювенильного генезиса, отнесенную В. В. Белоусовым к газам воздушного происхождения. Газы биохимического происхождения, наиболее распространенные, имеют в своем составе метан и более сложные углеводороды, углекислоту, азот и сероводород в меньших количествах содержится водород. Генезис этих газов связан с разложением ОВ, поэтому наиболее крупные скопления газов ассоциируют с нефтяными залежами. В настоящее время доказано активное участие в разложении ОВ мик- робактерий, способствующих генерации как метана, таки водорода. Особую роль играют бактерии десульфуризаторы, генерирующие сероводород путем восстановления сульфатов (до сих пор геохимиками не установлены другие пути восстановления сульфатов в природных условиях. Деятельность бактерий ограничена 45-50° С. Следовательно, на глубинах, превышающих 1500-2000 м,генерация газов биохимического происхождения маловероятна. Вместе с этим в настоящее время установлено, что насыщенные водой фумарольные дымы — это питательная среда для некоторых видов бактерий, и многие минералы, образующиеся у фумарол, например, самородная сера, имеют биологическое происхождение Средний состав этих газов характеризуется следующими соотношениями (вес. %): С — 42-78; НОС Н — 3-
4,3. По мнению В. А. Соколова, существуют две подгруппы газов биохимического происхождения. Одна из них связана с разложением органики в анаэробных условиях в современных отложениях (эти газы сравнительно легко рассеиваются, удаляясь в атмосферу, другая - с образованием нефти на

63 значительных глубинах при повышенной температуре (200° СВ этом случае биохимический фактор отступает на второй план, и доминирующая роль в образовании газов отводится термокаталитическому распаду органического вещества и последующим процессам гидрогенизации углеводородов. Косвенным подтверждением такой точки зрения является насыщение метаном мощных толщ нефтеносных пород на глубину до 6-7 км(Южно-Каспийская впадина.
Газывоздушного происхождения обусловлены захватом воздуха нисходящими водными потоками. При нагревании таких вод на глубине газы свободно мигрируют в виде восходящих газовых струй. Главным компонентом подобного типа газов будет азот, отличающийся ничтожной растворимостью вводных растворах. Значительная часть воздушного кислорода и углекислоты расходуется на взаимодействие с вмещающими породами, поэтому подземные струи азота иногда напоминают некоторые газы биохимического происхождения. Существенным отличием окажется обычное присутствие в газах воздушного происхождения аргона и инертных газов, характеризующихся в воздухе отношением 0,0118, а в подземных струях воздушных газов значением 0,0235 (из-за частичного растворения азота и удаления кислорода. При поисковых работах на каусто- биолиты это обстоятельство имеет определенное значение. К газам химического происхождения были отнесены, с одной стороны, поверхностные газы, возникающие при процессах сгорания угля, разложения карбонатных пород (С 2
), колчеданных залежей (S0 2
) и т. да с другой, — обширная группа метаморфического и вулканического происхождения. К сожалению, до сих пор нет критериев, позволяющих четко отделить газы, возникающие при метаморфизме пород биосферы и поступающие в циркуляцию через вулканические аппараты, от газов явно ювенильного, глубинного характера. В состав газов вулканического происхождения входят С 2
, СОН, Н 0, H
2
S, НС, HF, B(OH)
3
, NH
3
, CH
4
и др. Радиогенные газы подземных атмосфер характеризуются присутствием в первую очередь аргона и гелия — продуктов радиоактивного распада К и изотопов урана и тория соответственно. Обращает на себя внимание одно обстоятельство и аргон и гелий освобождаются либо при выветривании горных пород (тогда они поступают непосредственно в атмосферу, либо удаляются из пород при глубинном термальном метаморфизме. В последнем случае оба элемента поступают в подземные струи газов, в том числе и вулканического происхождения. В отличие от аргона значительные количества гелия накапливаются в структурных ловушках, сопровождая нефтеносные структуры, коллекторы. По-видимому, это обстоятельство объясняется тем, что гелий, как и нефть и биохимические газы, в данном случае имеет один общий источник горизонты осадков, обогащенных органическим материалом, который содержит, как правило, повышенные концентрации урана. Так, например, работами Г. Митрофанова для Урало-Куйбышевского района была установлена прямая корреляция между концентрациями гелия в

64 газоносных коллекторах и урана в материнских продуктивных горизонтах. Исследованиями Пенькова В.Ф. установлена прямая связь между ураном и углеводородами (Пеньков, 1989). В последние годы приобрела поисковое значение гелиевая съемка, проводимая с целью установления глубинных аномалий (повышенных со- держаний) гелия в кристаллическом фундаменте. В некоторых районах СССР Украина, Казахстан) гелиевым методом были закартированы глубинные разломы по высоким содержаниям в них Не, Не, Аг
40
и других газов. Вдоль этих же разломов располагались рудные залежи. До сих пор не решен вопрос об источнике гелия и аргона в геологически долгоживущих структурах. Однако роль этих радиогенных газов как фиксаторов глубинных дислокаций в земной коре, являющихся иногда изо- нами миграции рудных гидротерм, несомненна. Аргон в отличие от гелия, легко диссипирующего из атмосферы за пределы гравитационного поля Земли, будучи по крайней мере враз более тяжелым газом, интенсивно накапливается в атмосфере. Выделение группы ювенильных газов вызвано разгоревшейся в последние годы дискуссией о происхождении нефти и газа в связи с новыми находками в этой области. Действительно, сравнительно недавно выходы газов, содержащих значительное количество метана, обнаружены в пределах массивов интрузий щелочных пород Хибин, мариуполитов Приазовья, кимберлитовых трубок Восточной Сибири, Африки, те. в магматических телах глубинного происхождения, в регионах где какие-либо осадочные формации, обогащенные органическим веществом, отсутствовали. Так, например, одна из скважин в районе трубки алмазоносных ким- берлитов в Якутии Удачной дала фонтан газа, состоявшего из 51% водорода метана с примесью 2,5% тяжелых углеводородов (по сообщению НА. Кудрявцева, 1967 г.
5.4. Происхождение атмосферы
Возвращаясь к ранее рассмотренному составу наземной атмосферы, следует отметить, что вся современная атмосфера есть по существу порождение двух доминирующих процессов на Земле - жизни и радиоактивного распада. Действительно, каковы причины, вызвавшие наблюдаемые нами соотношения газов атмосферы Азот может удаляться из атмосферы тремя путями в результате образования легкорастворимых вводе нитратов под действием солнечного излучения, при поглощении атмосферного азота живыми организмами и при возникновении легкорастворимых соединений азота в результате электрических разрядов. Возвращение азота в атмосферу происходит в результате окисления органического вещества с образованием аммиака либо при более интенсивном окислении — собственно азота. Вероятно, существенная доля азота возвращается в атмосферу при метаморфизме и выветривании горных пород, в которых значительные массы азота присутствуют в виде NH
4
+
, изоморфно замещающего Кв слюдах. Высокая концентрация свободного кислорода в атмосфере (23%) является геохимическим парадоксом, не повторяющимся в известном нам мироздании. Причина в том, что наряду с активным поглощением кислорода из атмосферы — на различные процессы окисления (органического вещества, колчеданов и т. д, дыхание организмов — непрерывно протекает мощный встречный процесс фотосинтеза, сопровождающийся выделением свободного кислорода в атмосферу С 2
+ Н 0 = НСОН + О. Этот процесс, определяемый участием хлорофилла, представляет собой более мощный источник свободного кислорода в атмосфере, чем фотодиссоциация в стратосфере, генерирующая озон. Огромную роль в атмосфере играет углекислота, несмотря на ее незначительную концентрацию. Темп круговорота углекислоты, по-видимому, несоизмерим ни с одним другим газом атмосферы. Углекислота, как уже отмечалось, поглощается при фотосинтезе и карбонатном осадкообразовании. Возвращение ее в атмосферу тесно связано с окислительными процессами на поверхности земной коры (органического вещества, разрушением карбонатных пород в зоне гипергенеза и метаморфизмом. Огромную роль в балансе углекислоты в атмосфере играют вулканические процессы. Есть основание думать, что именно сними связано постепенно возрастающее содержание углерода в земной коре и развитие биосферы. Для примера рассмотрим состав газов некоторых вулканов (табл. 5.2). Таблица 5.2.- Газы некоторых вулканов (Мархинин 1980) Компонент Вулкан Тятя
Толбачик Проба 8 Проба 9 Об Н 1,42 0,01 34,03
O
2 2,58 6,00 Не опр.
N
2 18,0 75,80 35,64
CH
4
+высш.
1,77 0,13 4,20
CO
0,06
0,07
1,90
CO
2
77,29
18,0
23,99
H
2
S
0,09 0,00 0,01 Поскольку парниковый эффект связан с присутствием углекислого газа в атмосфере, колебания его концентрации являются одной из важных причин таких крупномасштабных климатических изменений в истории Земли, как ледниковые периоды. Присутствующий в современной атмосфере гелий большей частью является продуктом радиоактивного распада урана, тория и радия. Эти радиоактивные элементы испускают частицы, которые представляют собой ядра атомов гелия. Поскольку входе радиоактивного распада электрический заряд не образуется и не исчезает, с образованием каждой частицы появляются

66 по два электрона, которые рекомбинируя с частицами, образуют нейтральные атомы гелия. Некоторое количество гелия за счет диффузии поднимается вверх в эк- зосферу, но благодаря постоянному притоку от земной поверхности, объем этого газа в атмосфере почти не меняется. Исключение составляет инертный газ аргон, поскольку в форме изотопа
40
Ar они сейчас образуется в процессе радиоактивного распада изотопа калия.
5.5. Происхождение Вселенной
Физики описали простой тип квантовомеханического вакуума, который представляет собой море так называемых виртуальных частиц, фрагментов атомов, которые почти существуют. Время от времени некоторые из этих субатомных частиц переходят из вакуума в мир материальной реальности. Это явление получило название вакуумных флуктуаций Вакуумные флуктуации невозможно наблюдать непосредственно, однако теории, постулирующие их существование, были подтверждены экспериментально. Согласно этим теориям, частицы и античастицы без всякой причины возникают из вакуума и практически сразу исчезают, аннигилируя друг друга.
Гут и его коллеги допустили, что в какой-то момент вместо крошечной частицы из вакуума появилась целая Вселенная, и вместо того, чтобы сразу исчезнуть, эта Вселенная каким-то образом просуществовала миллиарды лет. Авторы этой модели решили проблему сингулярности, постулировав, что состояние, в котором Вселенная появляется из вакуума, несколько отличается от состояния сингулярности (табл. Таблица 5.3
- Краткая история развития Вселенной
Время Температура Состояние Вселенной -10-
37
сек Более 10 26
K Инфляционное расширение сек Более 10 13
K Появление кварков и электронов cек
10 12
K Образование протонов и нейтронов сек мин
10 11
-10 9
К
Возникновение ядер дейтерия, гелия и лития тыс. лет
4000 К
Образование атомов млн лет
300 Продолжение расширения газового облака млрд лет
20 Зарождение первых звезд и галактик млрд лет
10 Образование тяжелых ядер при взрывах звезд млрд лет
ЗК
Появление планет и разумной жизни 14
лет Прекращение процесса рождения звезд 37
лет
10
-18
K Истощение энергии всех звезд лет
-20 K Испарение черных дыр и рождение элементарных частиц

67 10 100
лет
10
-60
-10
-40
К Завершение испарения всех черных дыр
Краткая история Вселенной изображена на рисунках 5.3 и 5.4. Рис. 5.3. Развитие Вселенной Это изображение описывает развитие Вселенной со времени Большого взрыва, до наших дней от появления элементарных частиц и атомов до современных галактики планет.
Что предшествовало Большому взрыву и почему он произошел, в рамках инфляционной теории, а именно образовавшаяся флуктуация размером 10
-
37
см, скатываясь с максимума, как камень с вершины заснеженной крыши, налипляет на себя снег, увеличивает размер и, достигая конца крыши, падает в пропасть, увеличивая свою кинетическую энергию, разбивается на дне пропасти. Флуктуация при этом достигает размера 10
-33
см и происходит большой взрыв, приводящий согласно теории струнк появлению нашей Вселенной (рис. 5.4 и 5.5).

68 Рис. 5.4. Рождение Вселенной по теории струн Теория струн — направление теоретической физики, изучающее динамику и взаимодействия не точечных частица одномерных протяжённых объектов, так называемых квантовых струн. Теория струн сочетает все- бе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации Рис. 5.5. Взаимодействие в микромире диаграмма Фейнмана в стандартной модели и её аналог в теории струн Теория струн основана на гипотезо том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планков- ской длины 10
−35
м. Данный подход, с одной стороны, позволяет избежать таких трудностей квантовой теории поля, как перенормировка, ас другой стороны, приводит к более глубокому взгляду на структуру материи и про- странства-времени. После рождения Вселенной образуется только три типа атомов водорода, гелия и лития. Поэтому возникает вопрос как возникли элементы, из которых состоит наш мир, в том числе и углерод Известно, что более тяжелые элементы образуются в результате термоядерного синтеза, который происходит внутри звезд. Термоядерный синтез в звездах происходит только до железа. Когда топливо для этого синтеза заканчивается, атмосфера этой железной звезды обрушивается на ядро и происходит взрыв сверхновой звезды. Вовремя взрыва серхновой звезды и происходит синтез элементов тяжелее железа, вплоть до актиноидов, и одновременно происходит распыление образующих веществ в межзвездное пространство (рисунок 5.6). Время жизни этих первых звезд до взрыва сверхновых около трех миллиардов лет.
Рис. 5.6. Развитие звезд
Ядро красного гиганта железное и поэтому дальше термоядерные реакции с появлением

69 более тяжелых элементов не идут внутри звезды. Более тяжелые элементы образуются при взрыве сверхновой при более высоких давлениях и темпе- ратурах.
Космическая пыль, образовавшаяся при взрыве сверхновых, является материалом для новых звезд и звездных систем, состоящих из известного нам множества элементов. Эти элементы, являясь ингибиторами термоядерных реакций, увеличивают жизнь новых звезд до десяти миллиардов лет. Рис. 5.7. Рождение Белого карлика и динамика развития межзвездного вещества Циклический процесс эволюции звёзд представлен на рисунке 5.7. Вслед за начальным сжатием оболочки звезды происходите расширение- образование красных гигантов, в которых происходит последовательное сгорание лёгких элементов и превращение их в массивную многослойную звезду с железным ядром, которая может взорваться, как сверхновая, или превратиться в белого карлика. Сверхновая превращается в нейтронную звезду или пополняет веществом межзвёздное пространство. Космические лучи — часть этого вещества. Из межзвездного вещества, образующегося после взрыва сверхновой, образуются новые звезды и планеты (рис. Далее, при образовании планеты в Солнечной системе, для того чтобы на ней на базе воды и органических веществ образовалась органическая жизнь, необходимо, чтобы температура воды на планете была в пределах 0-60 о
С. Такая температура в Солнечной системе осуществляется на орбите порядка
150 миллиона километров (то есть на орбите Земли) Если сейчас общее количество радиоактивных изотопов в составе коры Земли составляет 0,0015 % (по сравнению с массой стабильных элементов, тов момент образования Земли (6 миллиардов лет назад) порода коры Земли состояла на 90 % из радиоактивных изотопов. Если теперь основную роль в генерации тепла играют радиоактивные уран, торий, калий, то 5 миллиардов лет назад состав Земли был насыщен изотопами с периодом полураспада 10-1000 лети более. Темпы изменения температуры поверхности Земли показаны на рисунке 1. Темпы охлаждения планеты повторяют кривую темпа уменьшения концентрации радиоактивных элементов в коре Земли (рисунок 5.8).

70 Рис. 5.8. Характер изменения радиоактивности и темпы изменения температуры поверхности Земли
Кроме того, ядро Земли железное - это означает, что никаких термоядерных реакций в Земле невозможно. При вулканических явлениях изливающаяся магма нерадиоактивна, то есть радиоактивные процессы внутри Земли не происходят. Поэтому Земля в настоящее время получает тепло только от Солнца.