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
18
•
Содержат белые включения – богатые Ca, Mg, Ti (диопсид + анортит + шпинель
+ перовскит). Это высокотемпературная тугоплавкая ассоциация.
•
Изотопная аномалия
26
Mg – продукт распада вымершего
26
Al (t –
740000 лет).
Возникает из-за иного соотношения Mg/Al.
•
Белые включения – самый ранний продукт конденсации из газа, в конце – органическое вещество.
Органическое вещество метеоритов не имеет биогенной природы, в результате конденсации из протопланетного облака при самых низких температурах.
Рис. 5 График классификации хондритов – восстановление железа.
При восстановлении Fe – (Mg, Fe)
2
SiO
4
→ MgSiO
3
+Fe+1/2O
2
Кислород испаряется в космос и Fe восстанавливается до металла. Оливин превращается в энстатит (рис. 5). Предельный случай восстановления метеоритов.
Метеориты и солнечное вещество.
Метеориты обеднены летучими компонентами, благородных газов мало, мало умеренно-летучих компонентов (щелочные металлы и другие). Многие элементы уменьшают свою концентрацию по мере эволюции метеоритов. Самый близкий тип к солнцу – CI – тип.
Изотопный состав кислорода. Изотопный состав принято изображать в отклонении от стандарта.
16
O,
18
O,
17
O

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
19
δ18O = [((
18
O/
16
O)
обр – (
18
O/
16
O)
ст)/(18O/16O)ст]*1000 промилле
Рис. 6 Изотопный состав кислорода
Возможность определить из каких частей протопланетного диска образовались те или иные объекты солнечной системы.
Хондриты близки к линии изотопного фракционирования Земли.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
20
Катастрофические горизонты. Раз в 200 млн лет на Землю падает крупный метеорит, происходит катастрофа. Метеориты на Земле находят по содержанию иридиевой аномалии, так как в метеоритах этого вещества много, а на Земле мало.
Выводы
•
Два главных типа метеоритов – хондриты (преобладают) и железные
•
Основные фазы – Fe, Ni сплав, силикаты (Ol+Px) и сульфидные (троилит FeS).
Ассоциация специфическая и ни один из типов метеоритов не похож на породы
Земли.
•
Распространенность химических элементов в метеоритах близка к Солнечной.
Наиболее близки – углистые хондриты.
•
Отличия в составе связаны с конденсацией из газа. Мало летучих компонентов.
•
Метеориты имели сложную историю. Различные части метеоритов (белые включения, хондры, зерна оливина) имели разное происхождение. Многие метеориты подверглись изменениям – ударному метаморфизму и переплавлению в небольших планетарных телах
•
Возраст металлических и каменных метеоритов 4,55 млрд. лет
Дополнение
•
На примере метеоритов можно видеть, что главные элементы (Fe, Ni, Si, O, Mg,
Ca, S…) дают собственные минералы. Малые элементы ведут себя двояко: одни дают собственные минералы (Au, Cu, Pt, P, C), а другие входят в породообразующие минералы (Ga, Ge, Li, Rb, Co, In…)
•
Разделение элементов на устойчивые ассоциации в металлической фазе – Fe, Ni,
Co, P, C, [Pt, Ru, Os, Ir, Pd], Ge, Ga, Sn
В силикатной фазе – Si, O, Mg, H [Li-K], [Be-Ba], Al, Sc, Ti, Zr, Th, U, V, Cr, Mn
В сульфидной фазе – S, Se, As, Cu, Ag, Zn, Pb, Fe

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
21
Лекция 4
Химия планетных тел
В солнечной системе есть 2 группы планет – каменные, находятся ближе к солнцу –
Меркурий, Венера, Земля, Марс и газовые планеты – находятся на периферии солнечной системы.
Наша солнечная система- исключение по сравнению с другими найденными экзопланетами.
Планеты – гиганты
В группу планет-гигантов входят: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.
Большие размеры и массы. Например, по объему Юпитер превосходит Землю почти в
1320 раз, а по массе – в 318 раз.
Планеты – гиганты находятся далеко от Солнца, и независимо от характера смены времен года на них всегда господствуют низкие температуры. НА Юпитере вообще нет смены времен году, поскольку ос этой планеты почти перпендикулярна к плоскости ее орбиты. Своеобразно происходит смена времен года и на планете Уран, так как ось этой планеты наклонена к плоскости орбиты под углом 8 градусов.
Планеты- гиганты не имеют твердых поверхностей. Такое представление хорошо согласуется с малыми средними плотностями планет – гигантов у Юпитера 1,3 г/см
3
, у
Сатурна 0, 71 г/см
3
, их химическим составом (они состоят в основном из легких элементов – водорода и гелия), быстрым зональным вращением и некоторыми другими данными. Следовательно, все, что удается рассмотреть на Юпитере и Сатурне (на более далеких планетах детали вообще не видны), происходит в протяженных атмосферах этих планет. На Юпитере даже в небольшие телескопы заметны полосы, вытянутые вдоль экватора. В верхних слоях водородно – гелиевой атмосферы Юпитера в виде примесей встречаются химические соединения (например, метан и аммиак), углеводороды (этан, ацетилен), а также различные соединения (в том числе содержащие фосфор и серу), окрашивающие детали атмосферы в красно-коричневые и желтые цвета. Таким образом, по всему химическому составу планеты- гиганты резко отличаются от планет земной группы. Это отличие связано с процессом образования планетной системы.
Юпитер
На Юпитере газообразный водород, входящий в состав атмосферы, переходит в жидкую, а затем и в твердую (металлическую) фазу. Появление таких необычных агрегатных состояний водорода (в последнем случае он становится проводником электричества), связано с резким увеличением давления по мере погружения в глубину.
Так, на глубине, несколько большей 0,9 радиуса планеты, давление достигает 40 млн атмосфер. Очень мощное магнитное поле. Газ в атмосфере Юпитера участвует в

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
22 сложном движении, которое сопровождается образованием и распадом вихрей.
Предполагается, что наблюдаемое на Юпитере около 300 лет Большое Красное Пятно
(овал с полуосями 15 и 5 тыс. км) тоже представляет собой огромный и очень устойчивый вихрь.
Замечательная особенность планет – гигантов – кольца, разрушенные спутники, которые открыты не только у Сатурна, но и у Юпитера, Урана и Нептуна.
Планеты – гиганты отличаются большим числом спутников, у Юпитера к середине
2001 года их обнаружено 28 (спутник Ио – единственное, кроме Земли небесное тело, у которого есть вулканическая активность; Европа – полностью покрыта льдом, подо льдом существует жидкая вода), у Сатурна – 30, Урана – 21 и только у Нептуна – 8.
Сатурн
Кольца сделаны из частиц льда и камня, есть щели, в которых этих частей нет, так как частичка оказывается на запрещенных орбитах, а затем столкнута с неё. Титан – спутник Сатурна, его атмосфера сделана из углеводородов.
Планеты Земной группы
.
Меркурий, Венера, Земля, Марс – имеют небольшие размеры и массы, средняя плотность этих планет в несколько раз превосходит плотность воды, они медленно вращаются вокруг своих осей, у них мало спутников (у Меркурия и Венеры их вообще нет, у Марса – два, у Земли – один)
Луна тоже может рассматриваться этой группе.
Планеты земной группы
Меркурий
Венера
Земля
Луна
Марс
Расстояние от Солнца млн. км
59,7 108,2 149,6 149,6 227,9
Радиус з. е.
0,38 0,95 1
0,27 0,53
Масса з. е.
0,06 0,82 1
0,01 0,11
Средняя плотность
5,4 5,3 5,5 3,3 3,9
Ядро, об%
60 30 31,5 5(?)
19
Состав коры ?
(
β)
β, γ
β, An
(
β)
Состав атмосферы
Нет
CO
2 100 атм
480℃
N
2
, O
2 1 атм
7℃ нет
CO
2 0,05 атм

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
23
Меркурий
Вращается вокруг солнца, так что всегда одной стороной находится к солнцу, а другой всегда в тени. В целом, Меркурий похож на Луну, наблюдаются светлые материки и темные моря.
Венера
Венера покрыта чрезвычайно плотной атмосферой. Вращается вокруг своей оси очень медленно, атмосфера Венеры непрерывно крутится в одну сторону. Облака Венеры сделаны из серной кислоты и паров воды. Такая плотная атмосфера приводит к формированию парникового эффекта на поверхности Венеры.
Парниковый эффект
Температура поверхности Венеры очень высокая (около 500℃) и остается все время почти одинаковой. Высокая температура поверхности Венеры обусловлена парниковым эффектом. Густая плотная атмосфера пропускает лучи Солнца, но задерживает инфракрасное тепловое излучение, идущее от нагретой поверхности. Газ в атмосферах планет земной группы находится в непрерывном движении. Ураганные ветры зафиксированы в атмосфере Венеры на высотах, где расположен облачный слой
(от 50 до 70 км над поверхностью планеты), но вблизи поверхности этой планеты скорость ветра достигает всего лишь нескольких метров в секунду.
Поверхность Венеры изучается с помощью радиолокационной съемки. На Венере есть вулканы.
Тесеры – странные элементы поверхности, тектонические элементы.
Марс
Красного цвета, у него нет магнитного поля. Солнечный ветер сдувает атмосферу
Марса, поэтому он потерял атмосферу. Сегодня у Марса есть полярные шапки, в которых конденсируется вода и углекислота. Красная поверхность Марса сделана из оливина красного цвета. На Марсе есть самый крупный щитовой вулкан Олимпус.
Высота Олимпуса превышает 25 км, диаметр кратера 90 км. Диаметр основания этой гигантской конусообразной горы более 500 км. О том, что миллионы лет назад на
Марсе происходили мощные вулканические извержения и смещались поверхностные пласты, свидетельствуют остатки лавовых потоков, огромные разломы поверхности
(один из них – Маринер – тянется на 4000 км), многочисленные ущелья и каньоны.
Рассолы хлоратов могут существовать в атмосфере Марса.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
24
Лекция 5
Геохимическая классификация элементов
1 классификация – классификация В. И. Вернадского.
Содержит несколько групп элементов. Формы нахождения элементов в земной коре.
Используется редко.
1)
Благородные газы – так как отказываются вступать в основные реакции и образуют собственные одноатомные молекулы: He, Ne, Ar, Xe, Kr
2)
Благородные металлы – отличаются низкой химической активность, плохо вступают в химические реакции, преимущественно присутствуют в виде интерметаллидов, сплавов, самородных элементов: Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au, платиноиды
3)
Циклические элементы – H, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti… Все основные химические элементы таблицы Менделеева.
4)
Рассеянные элементы – главная форма нахождения – изоморфные примеси: Li,
Sc, Ga, Br, Rb, Y, Nb, In, I, Cs, Ta
5)
Редкоземельные элементы – La, Ce, Pz, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tu, Yb,
Lu
6)
Радиоактивные элементы: Th, U, Po, Rn, Ra, Pa, Ac
Геохимическая классификация элементов В.М. Гольдшмидта.
Распределение элементов в метеоритах.
Литофильные Сидерофильные Халькофильные Атмофильные Биофильные
O Si Mg Fe
Li Na K Rb Cs
Be Ca Sr Ba Ra
B Al Sr Y TR
Ti Zr Hf U Th
V Nb Ta W Cz
Ma F Cl Br I
Fe
Ni Co [Ga] [Ge]
{Mo}Ra Rh Pd
{Sn} Re Os Ir Pt
C P Au
Fe S
Cu Zn Ag Cd
In Hg Tl Pb Bi
As Se Te
H N
He Ne Ar Kr
Xe Rn
(C) (H) (O) (P)
(N)
Биофильные – элементы, чья концентрация в живом веществе превышает концентрацию в земной коре.
Fe относится ко всем группам – следовательно присутствует реперный элемент, относительно которого определяются поведение других элементов. Поведение определяется понятием сродства. Сродство – термодинамические возможности протекания обменных реакций.
Mg + FeO
→ MgO + Fe + Q
Дополнение

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
25
Обменная реакция сдвигается вправо, следовательно, сродство у Mg больше, чем у железа.
MgS + FeO
→ MgO + FeS + Q
Следовательно, сродство Mg к S ниже, чем сродство Fe к O. Все халькофильные элементы имеют большее сродство к S, по сравнению с Fe и так будет для всех прочих элементов.
Физическая основа классификации – сродство к O, S и распространенность элементов.
Если мы возьмем все литофильные элементы, то O будет больше, чем нужно, чтобы связать в оксиды все литофильные элементы, а если добавим Fe, то тогда не хватит. По нуклеосинтезу. Fe последний элемент который при синтезе имеет энергетическую выгоду. Fe оказывается в максимуме.
Для литофильных элементов.
Ʃ (литофильных без Fe) < O < Ʃ (литофильных – Fe) + Fe
Ʃ (халькофильных без Fe) < S < Ʃ (халькофильных без Fe) + Fe
Космохимическая классификация элементов
Рис. 8 Космохимическая классификация элементов
Также используются и другие выделения групп элементов.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
26
Основной закон геохимии. Закон всюдности Вернадского. В любом геологически значимом образце присутствуют все элементы, за исключением радиоактивных.
Редкие элементы – те, у которых низкий кларк.
Рассеянные элементы – не образуют собственных фаз, основная форма нахождения – рассеянная.
В земной коре:
•
Более 10000г/т O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K
• 1000-
10000г/т Mn, Ti
Граница между макро и микрокомпонентами
• 100-1000
г/т C, F, P, S, Cl, Rb, Sr, Zr, Ba
• 10 – 100 Pb, Th, Y, Nb, TR, Li, Sc, Va, Co, Cr, Ni, Cu, Zn, Ga
• 0,001-0,01 Re, Os, Ir, Te, Au

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
27
Лекция 6
Геохимия Земли. Геохимия мантии.
Оболочка, мантия и ядро планеты. Мантию и ядро непосредственно изучать мы не можем, так как сверху они покрыты земной корой. Пробурить земную кору мы не можем. В океане кора примерно 7-10 км, континентальная – 20-30 км.
Мантия Земли сделана из силикатов, отвечающим ультраосновным породам, а ядро сделано из Fe-Ni сплава. Источник информации – метеорит.
Источники информации о химическом составе Земли:
•
Геофизические оценки плотности в сравнении с экспериментальными данными
(рис. 9)
•
Фрагменты мантийных пород, выносимых глубинными магмами (ксенолиты)
•
Тектонические пластины мантийного вещества (офиолиты, орогенные перидотиты)
График
Рис. 9 Геофизические оценки распределения плотностей
Главная граница – между ядром и мантией, носит неизохимичекий характер. С одной стороны, силикатная часть с меньшей плотностью, а с другой стороны - это металлическая фаза с большой плотностью.
Продольные волны распространяются к в твердой, так и в жидкой, в жидкости медленно. Поперечные волны не распространяются в жидкой фазе. Внешняя часть ядра находится в жидком состоянии, так как там не поперечных волн. Внутренняя часть ядра - область распространения поперечных волн в ядре Земли, значит оно

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
28 твердое. В силикатной части растет скорость распространения поперечных волн, в жидкой фазе резкое изменение скоростей, поперечные волны уменьшаются.
Земля имеет магнитное поле.
Физические параметры Земли
Интервал глубин, км
Плотность, г/см
3
% от массы
Кора
А
0-33 2.7-3.0 0.8
Мантия
В
С
D
33-400 400-1000 1000-2900 3.3-3.65 3.65-4.68 4.68-5.69 10.4 16.4 41.0
Ядро
E
F
G
2900-5000 5000-5100 5100-6371 9.40-11.5 11.5-12.0 12.0-12.3 31.5
Земная кора чрезвычайно неоднородна по химическому составу.
Главные сейсмические границы
•
Ядро – мантия – изохимическая – силикатная и металлическая фаза
•
Мантия – кора (поверхность Мохоровичича) – сменяется состав пород, кора сложена менее плотными породами гранитами, базальтами, чем мантия, мантия сложена ультраосновными породами
•
Ядро – Fe + Ni + O(?) + (?) + C + H(?)
•
Мантия близка к ультраосновным породам (Ol, Px, Pl)
Железное ядро. Меньшая плотность, по сравнению с металлами. Возможно? Из-за серы, кислородные соединения.
Геохимия мантии Земли
Мантия Земли. Переход на глубине от 400 км.
Наша планета в основном сделана из 1 минерала (рис. 10). MgSiO
3
– со структурой перовскита, больше чем наполовину Земля сделана из этого минерала. Название- бриджмонит. Лишь верхняя мантия из оливина, граната и пироксена.