Файл: Конспект подготовлен студентами, не проходил проф. Редактуру и может содержать ошибки. Следите за обновлениями на vk. Comteachinmsu.pdf

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
138
Лекция 24
Геохимия атмосферы
Атмосфера состоит из 3х частей:
1)
Тропосфера – нижняя часть, которая интенсивно перемешивается в результате конвективных потоков, преобладает вертикальное перемешивание. Температура убывает адиабатически, так как воздушные массы, поднимаясь вверх, расширяются и охлаждаются, в верхней части – тропопаузе температура -50℃.
Выше температура начинает расти, плотность снижаться. Нет слоистости.
2)
Стратосфера – начинается с высоты около 16 км. В этой части преобладает горизонтальное течение, взаимодействует с излучением. Образуется озоновый слой.
3)
Ионосфера – газ ионизирован, температуры около 3000К, газ разрежен.
Ионосфера переходит в космическое пространство
Состав атмосферы
Концентрация в об %
Время пребывания, лет
N
2
(
к)
78.084 4*10 8
O
2
(к)
20.946 6000
H
2
O
(н.к.)
0.004*10
-4
H
2
(н.к.)
0.55*10
-4 4-7
CO
2
(н.к.)
0.032 10
CH
4
(н.к.)
1.4*10
-4 2.6-8
SO
2
(н.к.)
0.001-0.004*10
-4
Часы – недели
He
(к)
5.24*10
-4 2*10 6
Ne
(к)
18.18*10
-4
Ar
(к)
0.934
Kr
(к)
1.14*10
-4
Xe
(к)
0.087*10
-4
к-консервативные; н.к. – неконсервативные
У консервативных элементов концентрация в атмосфере остаётся постоянной.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
139
• H
2
O зависит от влажности, метан возрастает над болотами, соединения серы – над вулканами
• He и H
2
теряются в космос. Аргон и другие тяжелые инертные газы постепенно накапливаются в атмосфере в течение геологического времени.
•
Азот в основном инертен. Азот связываемый азотобактериями – 2% от потока азота в биосфере.
• CO
2
и O
2
зависят в основном от биохимических процессов. Каждый год 83*10 15 г C (12% от атмосферного CO
2
) используется на фотосинтез. При этом освобождается 2.2*10 17
г O
2
Всего в атмосфере 1.2*10 21
г O
2
Отсюда время пребывания O
2
в атмосфере равно 5500 лет. Потоки O
2
и С почти полностью сбалансированы: масса C фиксируемая фотосинтезом почти полностью равна массе окисляемого углерода.
• CO
2
и O
2
участвуют также и в неорганических процессах выветривания и осадкообразования. CO
2
фиксируемая выветриванием, составляет менее 0, 5% от массы углерода, уходящего в живое вещество. То же и для кислорода.
•
Менее 0,1% углерода, фиксируемого органическим веществом, захороняется в осадочных породах (остальное сразу окисляется). Равное количество удаляется из осадочных пород в результате выветривания.

Происхождение и эволюция атмосферы и гидросферы
Катастрофическая или постепенная дегазация недр?
Земля не имеет первичной атмосферы, образовавшейся в результате аккреции и атмосфера Земли хемогенная и является продуктом дегазации мантии Земли.
Инертными газами Земля обеднена.
Есть признаки интенсивной ранней дегазации – избыток
129
Xe
(продукт распада короткоживущего
129
I
) в мантийном ксеноне. Значительная часть ксенона попала в атмосферу, когда
129
I еше не распался окончательно.
С другой стороны, высокое
40
Ar/
36
Ar в атмосфере свидетельствует, что уход газов из твёрдой Земли продолжается параллельно распаду
40
K.
Первичная дегазация Земли – образование атмосферы, гидросферы на самых ранних стадиях. Дегазация из мантии продолжается, поступают первичные газы –
36
Ar,
3
He, Ne.
Первичная атмосфера могла быть восстановленной (водород, метан). Самые древние осадочные породы свидетельствуют о ведущей роли CO
2
(CO
2
+N
2
): интенсивное глинообразование, требующее CO
2 4NaAlSi
3
O
8
+ 11H
2
O + 2CO
2
= 2Na
+
+2HCO
3
-
+ Al
2
Si
2
O
5
(OH)
4
+ 4H
4
SiO
4
Переход к кислородной атмосфере 3-2 млрд лет назад. Критерии – конгломераты с гальками пирита и уранинита, палеопочвы – в древних признаки выноса Fe
2+
в нижние горизонты, в современных железо задерживается наверху в форме окислов.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
140
Отношение Zn/Fe в карбонатах можно использовать для оценки летучести O
2
Древние карбонаты до 2,5 млрд лет имеют маленькое соотношение Zn/Fe. После 2,5 млрд лет это соотношение увеличивается и в фанерозое возрастает до современных значений.
Это связано с тем, что концентрация Fe в морской воде была выше, чем сегодня, поступление Fe контролируется подводными гидротермами. Можно рассчитать фугитивность кислорода.
Рис. 96 Парциальное давление кислорода в атмосфере в истории Земли
Скачок – момент, когда на Земле изменилась биосфера. Анаэробные сообщества вымерли. Доминирование организмов, которые научились преодолевать кислородный яд. Появились эукариоты.
Затем спад, связанный с изменением состава атмосферы – CH
4
, CO
2
, парниковые газы.
Выделение кислорода привело к тому, что метан окислился и парниковый эффект закончился и наступили эпохи оледенения.
Далее кембрийский период – взрыв жизни, образовались скелетные формы организмов, начался фанерозой. Шёл железный фотосинтез, который способствовал выведению Fe из океана и образовывались железистые кварциты.
Интенсивное отложение окислов железа из морской воды в протерозое – результат повышения давления кислорода, раньше Fe2+ выносилось в океан реками и оставалось в растворе. Причины перехода к кислородной атмосфере (O
2
+N
2
) – развитие фотосинтезирующих растений. Альтернативная точка зрения – снижение интенсивности подводного базальтового вулканизма, выносившего в океан F
2+
Содержание CO2 в атмосфере.
•
Можно изучать по пузырькам воздуха, захороненных во льдах
•
По распределению C в карбонатах. Содержание CO
2
в атмосфере сильно менялось, так как CO
2
– неконсервативный компонент и изменение внешних условий меняет его концентрацию.
Сделанные оценки для фанерозоя показывают, что выведение CO
2
из атмосферы, связанное с жизнью, происходило во всей истории фанерозая. В начале фанерозоя содержание CO
2 было в 20 раз выше, чем сегодня и затем, с появление организмов на

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
141 суше и образованием лесов выведение CO
2
и захоронение C
орг привело к сокращению концентрации CO
2
почти до современного уровня. Это связано с отложением карбонатов, развитием биосферы, захоронением С
орг
, в каменноугольном и пермском периоде. Затем содержание CO
2 растёт, это связано с вымиранием жизни и образованием трапов в Сибири. Затем юрский вулканизм – дополнительное поступление CO
2 в атмосферу. В четвертичном периоде – снова уменьшение CO
2.
Сегодня достигаются минимальные содержания CO
2.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
142
Лекция 25
Геохимия атмосферы (продолжение)
Геохимия биосферы
Глобальное потепление
Цикл углерода
Рис. 97 Цикл углерода
Основные резервуары углерода: осадочные породы, содержащие в себе карбонаты, и органический углерод.
Наиболее активным обменным циклом выделения и поглощения углерода из атмосферы является жизнидеятельностью организмов - фотосинтез и дыхание. Потоки, привносящие CO
2
– поток, связанный с вулканизмом, но он скомпенсирован захоронением С в зоне субдукции. Сжигание C и выброс в атмосферу в результате деятельности человека. Это может вызвать изменение концентрации CO
2
в атмосфере.
Это может привести к глобальному потеплению за счёт парникового эффекта.
Увеличивается температура Земли. К этому также может приводить цикл
Миланковича.
Сегодня – увеличение CO
2 в атмосфере, также наблюдается увеличение CH
4 за счёт таяния льда.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
143
Рис. 98 Изменение концентрации CO
2
в атмосфере
Еще одна причина- солнце – накопление
14
С в атмосфере – когда солнце пассивно. Чем более активное солнце, тем менее радиоактивна атмосфера Земли за счёт галактических протонов, тем меньше образуется
14
C.
Радиационные пояса Земли защищают её от галактических протонов. Сегодня – период пассивного солнца – поэтому радиоактивность атмосферы выше.
Значительно меняется альбедо Земли – отражательная способность. В стратосфере образуется дымка, отражающая излучение. Чем больше галактических протонов – тем больше отражение. Когда минимум солнечной активности – период похолодания.
Когда положительные циклы – глобальное потепление. Сейчас активность солнца спадает.
Рис. 99 Средние температуры на Земле за последние годы

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
144
Сегодня количество CO
2
в атмосфере растёт, а температура стабилизировалась – вывод
– корреляции между CO
2
и температурой нет.
Биосфера
Термин был предложен Вернадским – область занятая жизнью.
Биосфера, геохимические функции живого вещества.
1.
Концентрационная функция - избирательная концентрация элементов C – H – O
– P – K – Ca –S - P
2.
Окислительно – восстановительные процессы – окисленная атмосфера + восстановленные скопления органического вещества (глины, чёрные сланцы).
3.
Катализатор – скорости сравнимы с газовой средой.
4.
Специфические формы миграции – органические комплексы
5.
Осуществляются неравновесные процессы за счёт солнечной энергии
6.
Биогеохимические провинции – участки земной поверхности, характеризующиеся повышенными или пониженными содержаниями элементов, оказывающими воздействие на живые организмы.
Главное живое вещество на Земле – фотосинтезирующие растения. На суше – деревья, в океане – фитопланктон.
Как определить состав растений?
•
Содержание элементов на живой вес. Биофильные элементы – содержание которых в живом веществе больше, чем в земной коре – H –
C – O – N – S - P
•
Содержание на сухой вес K – Na – Mg
•
Вес золы – микроэлементы – Fe, Si, Zn, M
Если известна биохимическая функция – жизненно-необходимые элементы – Fe, Zn,
Mo и др. Если нет – безразличные элементы.
Биогеохимия
Рис.100 Изменение продуктивности – прирост массы на единицу времени, от концентрации элементов в окружающей среде

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
145
Рис. 101 Распределение элементов между организмом и окружающей средой
Гомеостазис – способность организма поддерживать постоянный состав, вне зависимости от окружающей среды.
Удобрения от токсичных веществ с точки зрения геохимии отличаются уровнями, где находится кларковое содержание в окружающей среде. Недостаток – необходимо вносить в качестве удобрений. Избыток – токсичные вещества.
Существуют предельно допустимые концентрации элементов. Минимальные и максимальные.
Происхождение жизни на Земле
В. И. Вернадский
1) Жизнь зародилась в условиях особых, прекратившихся в геологические периоды земной истории.
2) Жизнь в виде самопроизвольного зарождения создалась в догеологические периоды в условиях, близких к условиям геологических периодов, и совпадает с их началом.
Жизнь распространяется в космосе.
Вернадский В. И. Живое вещество М.: Наука, 1978, с.171
Происхождение жизни не является проблемой геохимии.
Нет геологических свидетельств условий на ранней Земле.
Древнейшее вещество Земли
Циркон ZrSiO
4 химически устойчив, сохраняет состав. Возраст внутренних частей достигает 4400 Ma (Jack Hills, Австралия).
Модель образования жизни: 3 этапа
1)
Фон органических соединений
2)
Предбиологическая эволюция
3)
Эволюция жизни

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
146
Физико- химические механизмы
Возникновение жизни
1)
Коацерватная теория
2)
Электрические разряды
3)
Фотоэффекты
4)
Термические циклы
5)
Синтез на поверхности минералов
6)
Синтез в эруптивной колонне вулкана
Как можно сравнивать все живые организмы?
Кард Вёзе выбрал для сравнения последовательности нуклеотидов молекул рибосомы
РНК. РНК малой рибосомной субъединицы есть во всех организмах. Она содержит как меняющиеся, так и консервативные участки, поэтому сравнивая РНК можно определять и дальнее и близкое родство.
Сравнение первых двух бактериальных геномов выявило наличие всего 256 общих генов. Методы сравнительной геномики позволяют, анализируя полные геномы, предсказывать функции большинства закодированных в геномах белков.
Сравнивая архей и бактерий можно реконструировать их общего предка.
Рис. 102 Филогения живых организмов
Было предложено назвать их общего предка LUCA (Last Universal Cellular Ancestor)
Когда жил LUCA?
«Останки» фотосинтезирующих микроорганизмов обнаружены в зеленокаменном поясе Барбертон в Южной Африке, которому 3.4 млрд лет.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
147
Поскольку фотосинтез возник у бактерий после их расхождения с археями, бактерии и археи разошлись > 3.4 миллиардов лет назад.
Каким был LUCA?
В LUCA, как минимум, имелись те белки, гены которых есть в геномах всех клеточных организмов. Белки LUCA обогащены ионами Zn
2+
ZnS на поверхности силикатов могли:
•
Служить матрицами при синтезе биополимеров;
•
Содействовать фотоселекции РНК – подобных полимеров, защищая их от фотодиссоциации.
Цинковый парадокс – никогда концентрация Zn в океане не могла быть больше современной. Сегодня – в окислительной среде концентрация Zn максимальна. Но
LUCA жил в местах, обогащённых Zn – чёрные курильщики.
LUCA – консорциум взаимозависимых и способных к синтезу белков и метаболитов организмов, обитавших, возможно, в пористых неорганических отложениях.
Особенность LUCA – пористые, несовершенные мембраны.
Первые клетки, скорее всего, обитали в среде, содержащей больше калия, чем натрия, и богатой переходными металлами, фосфорными соединениями. Возможно в древнем океане было больше K, чем Na. Но этого не может быть.
Ионный состав цитоплазмы похож в бактериях и археях, хотя они и разошлись > 3.4 миллиарда лет назад.
Ни в каких древних морских или океанских системах не могло быть калия больше чем натрия. Первые клетки не могли развиваться в морской воде. Остаются континентальные геотермальные системы, где можно использовать и энергию солнечного света, и геотермальную энергию. Геотермальная жидкость, поднимаясь, начинает кипеть и разделяться на 2 фазы – жидкую и газообразную, паровую. У них разный химический состав. Паровая фаза обогащена летучими веществами, такими как
CO
2
, H
2
S, NH
3
Содержания K в пару больше, чем Na.
Геотермальные поля обеспечивали:
1)
Водоёмы с химическим составом, похожим на цитоплазму.
2)
Источник органических и фосфорных соединений.
3)
Пористые структуры, выстланные мощными (фото)катализаторами, такими как
ZnS и MnS
4)
Возможность концентрации реагентов при испарения
Бескислородные геотермальные поля:
В каждый геотермальный пруд стекал «урожай» органических молекул их его водосбора. Только переносимые водой соединения могли попадать в такие пруды.