Геохимия - Geochemistry

Геохимия это наука который использует инструменты и принципы химия чтобы объяснить механизмы, лежащие в основе основных геологических систем, таких как земной коры и это океаны.[1]:1 Область геохимии простирается за пределы земной шар, охватывающий всю Солнечная система,[2] и внес важный вклад в понимание ряда процессов, включая мантийная конвекция, формирование планеты и происхождение гранит и базальт.[1]:1 Это интегрированная область химии и геологии / географии.

История

Виктор Гольдшмидт (1909)

Период, термин геохимия впервые был использован швейцарско-немецким химиком Кристиан Фридрих Шёнбейн в 1838 году: «должна быть начата сравнительная геохимия до того, как геохимия станет геологией и до того, как будет раскрыта тайна происхождения наших планет и их неорганического вещества».[3] Однако до конца века более распространенным термином была «химическая геология», и между ними было мало контактов. геологи и химики.[3]

Геохимия возникла как отдельная дисциплина после создания крупных лабораторий, начиная с Геологическая служба США (USGS) в 1884 году и начал систематические исследования химического состава горных пород и минералов. Главный химик USGS, Фрэнк Вигглсворт Кларк, отметили, что содержание элементов в целом уменьшается с увеличением их атомного веса, и резюмировали работу по содержанию элементов в Данные геохимии.[3][4]:2

Состав метеориты был исследован и сравнен с земными породами еще в 1850 г. В 1901 г. Оливер К. Фаррингтон выдвинули гипотезу о том, что, несмотря на различия, относительная численность должна оставаться прежней.[3] Это было начало области космохимия и внес многое из того, что мы знаем о формировании Земли и Солнечной системы.[5]

В начале 20 века Макс фон Лауэ и Уильям Л. Брэгг показали, что рассеяние рентгеновских лучей можно использовать для определения структуры кристаллов. В 1920-1930-е гг. Виктор Гольдшмидт и сотрудники Университет Осло применил эти методы ко многим распространенным минералам и сформулировал набор правил группировки элементов. Гольдшмидт опубликовал эту работу в серии Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente [Геохимические закономерности распределения элементов].[4]:2[6]

Подполя

Некоторые разделы геохимии:[7]

  • Водная геохимия изучает роль различных элементов в водоразделах, в том числе медь, сера, Меркурий и как происходит обмен элементарными потоками посредством атмосферно-земно-водных взаимодействий.[8]
  • Биогеохимия это область исследований, посвященная влиянию жизни на химический состав Земли.[9]:3
  • Космохимия включает анализ распределения элементов и их изотопов в космос.[2]:1
  • Изотопная геохимия включает определение относительных и абсолютных концентраций элементы и их изотопы на Земле и на поверхности Земли.[10]
  • Органическая геохимия, изучение роли процессов и соединений, происходящих от живых или некогда существовавших организмов.[11]
  • Фотогеохимия это исследование вызванных светом химических реакций, которые происходят или могут происходить между естественными компонентами земной поверхности.[12]
  • Региональная геохимия включает приложения для экологических, гидрологических и геологоразведочных исследований.[13]

Химические элементы

Строительные блоки материалов - это химические элементы. Их можно определить по их атомный номер Z - количество протоны в ядро. Элемент может иметь более одного значения для N, количество нейтронов в ядре. Сумма этих массовое число, что примерно равно атомная масса. Атомы с одинаковым атомным номером, но разными нейтронными числами называются изотопы. Данный изотоп идентифицируется буквой элемента, которому предшествует верхний индекс массового числа. Например, два общих изотопа хлор находятся 35Cl и 37Cl. Известно около 1700 комбинаций Z и N, из которых только около 260 являются стабильными. Однако большинство нестабильных изотопов в природе не встречается. В геохимии стабильные изотопы используются для отслеживания химических путей и реакций, в то время как изотопы в основном используются для датирования образцов.[4]:13–17

Химическое поведение атома - его близость к другим элементам и тип облигации он образует - определяется расположением электронов в орбитали, особенно крайний (валентность ) электроны. Эти расположения отражаются в положении элементов в периодическая таблица.[4]:13–17 В зависимости от положения элементы делятся на широкие группы щелочных металлов, щелочноземельные металлы, переходные металлы, полуметаллы (также известные как металлоиды ), галогены, благородные газы, лантаноиды и актиниды.[4]:20–23

Еще одна полезная схема классификации для геохимии - это Классификация Гольдшмидта, который разбивает элементы на четыре основные группы. Литофилы легко сочетается с кислородом. Эти элементы, которые включают Na, K, Si, Al, Ti, Mg и Ca, доминировать в земной коры, формируя силикаты и другие оксиды. Сидерофил элементы (Fe, Co, Ni, Pt, Re, Операционные системы ) иметь близость к утюг и склонны концентрироваться на основной. Халькофил элементы (Cu, Ag, Zn, Pb, S ) форма сульфиды; и атмофил элементы (О, N, ЧАС и благородные газы) преобладают в атмосфере. Внутри каждой группы некоторые элементы огнеупорный, оставаясь стабильными при высоких температурах, в то время как другие летучий, легче испаряются, поэтому нагревание может их разделить.[1]:17[4]:23

Дифференциация и смешивание

Химический состав Земли и других тел определяется двумя противоположными процессами: дифференциацией и смешением. На Земле мантия дифференциация происходит при срединно-океанические хребты через частичное плавление, с большим количеством огнеупорных материалов, оставшихся в основании литосфера в то время как остаток поднимается, чтобы сформировать базальт. После того, как океаническая плита опустится в мантию, конвекция в конечном итоге смешивает две части вместе. Эрозия отличает гранит, разделив его на глина на дне океана, песчаник на краю континента, и растворенные минералы в водах океана. Метаморфизм и анатексис (частичное плавление пород земной коры) может снова смешать эти элементы вместе. В океане биологические организмы могут вызывать химическую дифференциацию, в то время как растворение организмов и их отходов может снова смешивать материалы.[1]:23–24

Фракционирование

Смотрите также: магматическая дифференциация

Основным источником дифференциации является фракционирование, неравномерное распределение элементов и изотопов. Это может быть результатом химических реакций, фазовые изменения, кинетические эффекты или радиоактивность.[1]:2–3В самом большом масштабе планетарная дифференциация физическое и химическое разделение планеты на химически различные регионы. Например, планеты земной группы образовали богатые железом ядра и богатые силикатами мантии и корки.[14]:218 В мантии Земли основным источником химической дифференциации является частичное плавление, особенно возле срединно-океанических хребтов.[15]:68,153 Это может произойти, когда твердое тело неоднородно или Твердый раствор, и часть расплава отделяется от твердого вещества. Процесс известен как равновесие или же партия плавление, если твердое вещество и расплав остаются в равновесии до момента удаления расплава, и дробный или же Рэлей тает, если его постоянно удалять.[16]

Изотопное фракционирование могут иметь массово-зависимые и массово-независимые формы. Молекулы с более тяжелыми изотопами имеют более низкую энергии основного состояния и поэтому более стабильны. В результате химические реакции демонстрируют небольшую изотопную зависимость, при этом более тяжелые изотопы предпочитают соединения или соединения с более высокой степенью окисления; и при фазовых переходах более тяжелые изотопы имеют тенденцию концентрироваться в более тяжелых фазах.[17] Массово-зависимое фракционирование является самым большим для легких элементов, поскольку разница в массах составляет большую долю от общей массы.[18]:47

Соотношения между изотопами обычно сравнивают со стандартом. Например, у серы есть четыре стабильных изотопа, два из которых наиболее распространены: 32Песок 34С.[18]:98 Соотношение их концентраций, р=34S /32S, сообщается как

куда рs такое же соотношение для стандарта. Поскольку разница невелика, соотношение умножается на 1000, чтобы получить части на тысячу (называемые частями на мил). Это представлено символом ‰.[17]:55

Равновесие

Равновесное фракционирование происходит между химическими веществами или фазами, которые находятся в равновесии друг с другом. При равновесном фракционировании между фазами более тяжелые фазы предпочитают более тяжелые изотопы. Для двух фаз A и B эффект может быть представлен коэффициентом

При фазовом переходе жидкость-пар для воды аl-v при 20 градусах Цельсия равно 1,0098 для 18O и 1.084 для 2H. Как правило, фракционирование больше при более низких температурах. При 0 ° C коэффициенты равны 1,0117 и 1,111.[17]:59

Кинетический

Когда нет равновесия между фазами или химическими соединениями, кинетическое фракционирование может случиться. Например, на границе раздела между жидкой водой и воздухом прямая реакция усиливается, если влажность воздуха меньше 100% или водяной пар перемещается ветром. Кинетическое фракционирование обычно улучшается по сравнению с равновесным фракционированием и зависит от таких факторов, как скорость реакции, путь реакции и энергия связи. Поскольку более легкие изотопы обычно имеют более слабые связи, они, как правило, реагируют быстрее и обогащают продукты реакции.[17]:60

Биологическое фракционирование - это форма кинетического фракционирования, поскольку реакции имеют тенденцию протекать в одном направлении. Биологические организмы предпочитают более легкие изотопы, потому что разрыв энергетических связей требует меньших затрат энергии. В дополнение к ранее упомянутым факторам, среда и вид организма могут иметь большое влияние на фракционирование.[17]:70

Циклы

Основная статья: Геохимический цикл
Смотрите также: Климатическая модель § Коробчатые модели

Благодаря разнообразным физическим и химическим процессам химические элементы изменяют свою концентрацию и перемещаются в так называемом геохимические циклы. Для понимания этих изменений необходимы как подробные наблюдения, так и теоретические модели. Каждое химическое соединение, элемент или изотоп имеет концентрацию, которая является функцией C(р,т) положения и времени, но моделировать полную изменчивость нецелесообразно. Вместо этого в подходе, заимствованном из химическая инженерия,[1]:81 геохимики усредняют концентрацию по регионам Земли, называемым геохимические резервуары. Выбор резервуара зависит от проблемы; например, океан может быть одним резервуаром или разделен на несколько резервуаров.[19] В модели, называемой коробчатая модель, резервуар представлен прямоугольником с входами и выходами.[1]:81[19]

Геохимические модели обычно предполагают обратную связь. В простейшем случае линейного цикла либо вход, либо выход из резервуара пропорциональны концентрации. Например, соль удаляется из океана путем образования эвапориты, и при постоянной скорости испарения в эвапоритовых бассейнах скорость удаления соли должна быть пропорциональна ее концентрации. Для данного компонента C, если вход в пласт постоянный а и выход kC для некоторой постоянной k, то баланс массы уравнение

 

 

 

 

(1)

Это выражает тот факт, что любое изменение массы должно уравновешиваться изменениями на входе или выходе. В масштабе времени т = 1 / к, система приближается к устойчивое состояние в котором Cустойчивый = а/k. В Время жительства определяется как

куда я и О - скорость ввода и вывода. В приведенном выше примере скорости входа и выхода в установившемся режиме равны а, так τres = 1/k.[19]

Если скорости ввода и вывода являются нелинейными функциями C, они все еще могут быть хорошо сбалансированы во временных масштабах, намного превышающих время пребывания; в противном случае будут большие колебания C. В этом случае система всегда близка к установившемуся состоянию, и разложение уравнения баланса массы самого низкого порядка приведет к линейному уравнению, подобному уравнению (1). В большинстве систем один или оба входа и выхода зависят от C, что приводит к обратной связи, которая стремится поддерживать стабильное состояние. Если внешнее воздействие нарушит работу системы, она вернется в установившееся состояние в масштабе времени 1/k.[19]

Изобилие элементов

Основная статья: Изобилие химических элементов

Солнечная система

Изобилие элементов солнечной системы.[20]

Состав Солнечной системы подобен составу многих других звезд, и, помимо небольших аномалий, можно предположить, что она образовалась из солнечная туманность которые имели однородный состав, а состав солнце с фотосфера похож на остальную часть Солнечной системы. Состав фотосферы определяется подгонкой линии поглощения в его спектр к моделям атмосферы Солнца.[21] Безусловно, два крупнейших элемента по массе - это водород (74,9%) и гелий (23,8%), при этом на все остальные элементы приходится всего 1,3%.[22] Существует общая тенденция экспоненциальное убывание в изобилии с увеличением атомного номера, хотя элементы с четным атомным номером более распространены, чем их соседи с нечетным номером ( Правило Оддо – Харкинса ). По сравнению с общей тенденцией, литий, бор и бериллий обеднены, а железо аномально обогащено.[23]:284–285

Структура содержания элементов в основном обусловлена ​​двумя факторами. Водород, гелий и часть лития были образовался примерно через 20 минут после Большого взрыва, а остальные были создан в интерьерах звезд.[4]:316–317

Метеориты

Метеориты бывают разных составов, но химический анализ может определить, были ли они когда-то в планетезимали который растаял или же дифференцированный.[21]:45 Хондриты недифференцированы и имеют круглые минеральные включения, называемые хондры. Имея возраст 4,56 миллиарда лет, они датируются ранняя солнечная система. Особый вид, CI хондрит, имеет состав, который очень похож на состав фотосферы Солнца, за исключением истощения некоторых летучих (H, He, C, N, O) и группы элементов (Li, B, Be), которые разрушаются в результате нуклеосинтеза на Солнце. .[4]:318[21] Из-за последней группы хондриты CI считаются более подходящими для состава ранней Солнечной системы. Более того, химический анализ хондритов CI более точен, чем для фотосферы, поэтому он обычно используется в качестве источника химического состава, несмотря на их редкость (на Земле было обнаружено только пять).[21]

Планеты-гиганты

Вырезки, иллюстрирующие модели недр планет-гигантов.

Планеты Солнечной системы делятся на две группы: четыре внутренние планеты - это планеты земной группы (Меркурий, Венера, земной шар и Марс ), с относительно небольшими размерами и каменистыми поверхностями. Четыре внешние планеты - это планеты-гиганты, в которых преобладают водород и гелий, и их средняя плотность ниже. Они могут быть далее подразделены на газовые гиганты (Юпитер и Сатурн ) и ледяные гиганты (Уран и Нептун ) с большими ледяными ядрами.[24]:26–27,283–284

Большая часть нашей прямой информации о составе планет-гигантов получена из спектроскопия. С 1930-х годов было известно, что Юпитер содержит водород, метан и аммоний. В 1960-е гг. интерферометрия значительно увеличили разрешение и чувствительность спектрального анализа, что позволило идентифицировать гораздо больший набор молекул, включая этан, ацетилен, вода и монооксид углерода.[25]:138–139 Однако земная спектроскопия становится все более сложной для более удаленных планет, так как отраженный свет Солнца намного тусклее; и спектроскопический анализ света от планет может использоваться только для обнаружения колебаний молекул, которые находятся в инфракрасный Диапазон частот. Это ограничивает распространенность элементов H, C и N.[25]:130 Обнаружены еще два элемента: фосфор в газе. фосфин (PH3) и германий в немецкий (GeH4).[25]:131

Атом гелия колеблется в ультрафиолетовый диапазон, который сильно поглощается атмосферой внешних планет и Земли. Таким образом, несмотря на его изобилие, гелий был обнаружен только после того, как космический корабль был отправлен к внешним планетам, и то только косвенно, через поглощение, вызванное столкновениями в молекулах водорода.[25]:209 Дополнительная информация о Юпитере была получена из Галилео зонд когда он был отправлен в атмосферу в 1995 году;[26][27] и последняя миссия из Зонд Кассини в 2017 году должен был войти в атмосферу Сатурна.[28] Было обнаружено, что в атмосфере Юпитера он истощен в 2 раза по сравнению с солнечным составом, а Ne - в 10 раз, что является удивительным результатом, поскольку другие благородные газы и элементы C, N и S были усилены в несколько раз. 2–4 (кислород также был истощен, но это было связано с необычно сухой областью, взятой Галилеем).[27]

Спектроскопические методы проникают в атмосферы Юпитера и Сатурна только на глубины, где давление примерно равно 1 бар, примерно земной атмосферное давление в уровень моря.[25]:131 Зонд Galileo проникал до 22 бар.[27] Это небольшая часть планеты, давление на которой, как ожидается, достигнет более 40 Мбар. Чтобы ограничить состав внутри, термодинамические модели построены с использованием информации о температуре из инфракрасных спектров излучения и уравнений состояния для вероятных составов.[25]:131 Эксперименты при высоком давлении предсказывают, что водород будет металлической жидкостью внутри Юпитера и Сатурна, а на Уране и Нептуне он останется в молекулярном состоянии.[25]:135–136 Оценки также зависят от моделей образования планет. Конденсация предсолнечной туманности привела бы к образованию газообразной планеты с таким же составом, что и Солнце, но планеты также могли образоваться, когда твердое ядро ​​захватило туманный газ.[25]:136

В современных моделях четыре планеты-гиганта имеют ядра из камня и льда примерно одинакового размера, но доля водорода и гелия уменьшается с примерно 300 масс Земли на Юпитере до 75 масс на Сатурне и всего несколько масс на Уране и Нептуне.[25]:220 Таким образом, в то время как газовые гиганты в основном состоят из водорода и гелия, ледяные гиганты в основном состоят из более тяжелых элементов (O, C, N, S), прежде всего в форме воды, метана и аммиака. Поверхности достаточно холодные, чтобы молекулярный водород стал жидкостью, поэтому большая часть каждой планеты, вероятно, представляет собой водородный океан, покрывающий одно из более тяжелых соединений.[29] Вне ядра Юпитер имеет мантию из жидкого металлического водорода и атмосферу из молекулярного водорода и гелия. Металлический водород плохо смешивается с гелием, а на Сатурне он может образовывать отдельный слой под металлическим водородом.[25]:138

Планеты земной группы

Смотрите также: Состав Марса

Считается, что планеты земной группы произошли из того же материала туманностей, что и планеты-гиганты, но они утратили большинство более легких элементов и имеют разную историю. Можно было бы ожидать, что планеты, расположенные ближе к Солнцу, будут иметь более высокую долю тугоплавких элементов, но если их более поздние стадии формирования включают столкновения крупных объектов с орбитами, которые образуют различные части Солнечной системы, то может быть небольшая систематическая зависимость от положения.[30]:3–4

Прямая информация о Марсе, Венере и Меркурии в основном поступает из миссий космических кораблей. С помощью гамма-спектрометры состав коры Марса был измерен Марс Одиссея орбитальный аппарат,[31] кора Венеры некоторыми из Венера миссии на Венеру,[30] и кора Меркурия МЕССЕНДЖЕР космический корабль.[32] Дополнительная информация о Марсе поступает от упавших на Землю метеоритов ( Shergottites, Нахлиты, и Хасигниты, вместе известные как метеориты SNC).[33]:124 Изобилие также ограничено массами планет, в то время как внутреннее распределение элементов ограничено их моментами инерции.[4]:334

Планеты сконцентрировались из солнечной туманности, и многие детали их состава определяются фракционированием по мере их охлаждения. Конденсирующиеся фазы делятся на пять групп. В первую очередь конденсируются материалы, богатые тугоплавкими элементами, такими как Ca и Al. Далее следуют никель и железо, затем силикаты магния. Ниже около 700 кельвины (700 К), FeS а металлы и силикаты, богатые летучими веществами, образуют четвертую группу, а в пятой группе FeO входят силикаты магния.[34] Состав планет и Луны хондритовый, что означает, что внутри каждой группы соотношения между элементами такие же, как в углеродистых хондритах.[4]:334

Оценки составов планет зависят от используемой модели. в равновесная конденсация модели, каждая планета была сформирована из зона кормления в котором состав твердых тел определялся температурой в этой зоне. Таким образом, ртуть образовывалась при 1400 K, где железо оставалось в чистой металлической форме, а магния или кремния в твердой форме было мало; Венера при 900 К, поэтому весь магний и кремний конденсировались; Земля при 600 К, поэтому она содержит FeS и силикаты; и Марс при 450 К, поэтому FeO был включен в силикаты магния. Самая большая проблема этой теории в том, что летучие вещества не будут конденсироваться, поэтому планеты не будут иметь атмосферы, а Земля - ​​атмосферы.[4]:335–336

В хондритовое перемешивание На моделях составы хондритов используются для оценки составов планет. Например, одна модель смешивает два компонента, один из которых состоит из хондритов C1, а другой - только из огнеупорных компонентов хондритов C1.[4]:337 В другой модели численность пяти групп фракционирования оценивается с использованием элемента индекса для каждой группы. Для самой тугоплавкой группы уран используется; утюг для второго; соотношение калия и таллий на уран для следующих двух; и молярное отношение FeO / (FeO +MgO ) за последние. Используя тепловые и сейсмические модели вместе с тепловым потоком и плотностью, Fe можно ограничить в пределах 10 процентов на Земле, Венере и Меркурии. Уран может быть ограничен примерно 30% на Земле, но его изобилие на других планетах основано на «обоснованных предположениях». Одна из трудностей этой модели заключается в том, что при прогнозировании содержания летучих веществ могут быть значительные ошибки, поскольку некоторые летучие вещества конденсируются лишь частично.[34][4]:337–338

земной коры

Смотрите также: Изобилие элементов в земной коре

Наиболее распространенные составляющие породы почти все оксиды; хлориды, сульфиды и фториды являются единственными важными исключениями из этого правила, и их общее количество в любой породе обычно намного меньше 1%. К 1911 г. Ф. В. Кларк подсчитали, что чуть более 47% земной коры состоит из кислород. Он встречается в основном в виде оксидов, главными из которых являются кремнезем, глинозем, оксиды железа, и различные карбонаты (карбонат кальция, карбонат магния, карбонат натрия, и карбонат калия ). Кремнезем действует главным образом как кислота, образуя силикаты, и все обычные минералы Магматические породы имеют такую ​​природу. На основе расчета, основанного на анализе 1672 различных пород, Кларк пришел к следующему среднему процентному составу земной коры: SiO2= 59,71, Al2О3= 15,41, Fe2О3= 2,63, FeO = 3,52, MgO = 4,36, CaO = 4,90, Na2O = 3,55, К2О = 2,80, Н2O = 1,52, TiO2= 0,60, P2О5= 0,22, (всего 99,22%). Все остальные компоненты встречаются только в очень малых количествах, обычно намного меньше 1%.[35]

Эти оксиды объединяются случайным образом. Например, поташ (карбонат калия) и сода (карбонат натрия ) объединить, чтобы произвести полевые шпаты. В некоторых случаях они могут принимать другие формы, например нефелин, лейцит, и москвич, но в подавляющем большинстве случаев они встречаются в виде полевого шпата. Фосфорная кислота с Лайм (карбонат кальция) формы апатит. Оксид титана с закись железа дает начало ильменит. Часть извести образует известковый полевой шпат. Карбонат магния и оксиды железа с кремнеземом кристаллизуются в виде оливин или же энстатит, или с глиноземом и известью образуют сложные ферромагнезиальные силикаты, из которых пироксены, амфиболы, и биотиты являются главными. Любой избыток кремнезема сверх того, что требуется для нейтрализации базы будет выделяться как кварц; избыток глинозема кристаллизуется как корунд. Это следует рассматривать только как общие тенденции.Анализ горных пород позволяет приблизительно сказать, какие минералы в них содержатся, но из любого правила есть многочисленные исключения.[35]

Минеральный состав

За исключением кислота или кремнистые магматические породы, содержащие более 66% кремнезем, известный как фельзический горных пород, кварц в магматических породах встречается нечасто. В основных породах (содержащих 20% кремнезема или менее) они редко содержат такое количество кремния, они называются мафический горные породы. Если магний и утюг выше среднего, а диоксид кремния низкий, оливин можно ожидать; где кремнезем присутствует в большем количестве по сравнению с ферромагнезиальными минералами, такими как авгит, роговая обманка, энстатит или же биотит, встречаются, а не оливин. Пока не поташ высокий, а кремнезем относительно низкий, лейцит не будет присутствовать, поскольку лейцит не встречается со свободным кварцем. Нефелин также обычно встречается в породах с большим содержанием соды и сравнительно небольшим содержанием кремнезема. С высоким щелочи, содовый пироксены и амфиболы может присутствовать. Чем ниже процент кремнезема и щелочей, тем больше преобладает плагиоклаз полевой шпат в сочетании с содой или калиевым полевым шпатом.[35]

Земная кора на 90% состоит из силикатных минералов, и их количество на Земле следующее: плагиоклаз полевой шпат (39%), щелочной полевой шпат (12%), кварц (12%), пироксен (11%), амфиболы (5%), слюды (5%), глинистые минералы (5%); остальные силикатные минералы составляют еще 3% земной коры. Только 8% Земли состоит из несиликатных минералов, таких как карбонаты, оксиды, и сульфиды.[36]

Другой определяющий фактор, а именно физические условия, сопровождающие консолидацию, в целом играет меньшую роль, но ни в коем случае нельзя пренебрегать. Некоторые минералы практически приурочены к глубоко залегающим интрузивным породам, например, микроклин, мусковит, диаллаг. Лейцит очень редко встречается в плутонических массах; многие минералы имеют особые особенности микроскопического характера в зависимости от того, кристаллизовались ли они на глубине или вблизи поверхности, например гиперстен, ортоклаз, кварц. Есть несколько любопытных примеров горных пород, имеющих одинаковый химический состав, но состоящих из совершенно разных минералов, например, горнблендит Гран в Норвегии, который содержит только роговую обманку, имеет тот же состав, что и некоторые из минералов. камптониты той же местности, которые содержат полевой шпат и роговую обманку разного сорта. В этой связи можно повторить сказанное выше о коррозии порфировых минералов в магматических породах. В риолитах и ​​трахитах можно найти в большом количестве ранние кристаллы роговой обманки и биотита, частично преобразованные в авгит и магнетит. Роговая обманка и биотит были стабильны при давлении и других условиях под поверхностью, но нестабильны на более высоких уровнях. В основной массе этих пород авгит присутствует почти повсеместно. Но плутонические представители той же магмы, гранита и сиенита содержат биотит и роговую обманку гораздо чаще, чем авгит.[35]

Магматические породы кислого, среднего и основного состава

Те породы, которые содержат больше всего кремнезема и при кристаллизации не дают кварца, образуют группу, обычно называемую «кислыми» породами. Опять же, те, которые содержат меньше всего кремнезема и больше всего магнезии и железа, так что кварц отсутствует, пока оливин обычно многочисленны, образуют «мафическую» группу. К «промежуточным» относятся породы, для которых в целом отсутствуют как кварц, так и оливин. Важная их часть содержит очень высокий процент щелочей, особенно соды, и, следовательно, содержит такие минералы, как нефелин и лейцит не встречается в других породах. Его часто отделяют от других как «щелочные» или «содовые» породы, и существует соответствующая серия основных пород. Наконец, небольшая подгруппа, богатая оливином и не содержащая полевого шпата, получила название «ультраосновных» пород. В них очень мало кремнезема, но много железа и магнезии.

За исключением последних, практически все породы содержат полевой шпат или полевошпатоидные минералы. В кислых породах обычными полевыми шпатами являются ортоклаз, пертит, микроклин и олигоклаз - все они содержат много кремнезема и щелочей. В основных породах преобладают лабрадорит, анортит и битовнит, богатые известью и бедные кремнеземом, калием и содой. Август является наиболее распространенным ферромагнезиальным отложением в основных породах, но биотит и роговая обманка в целом чаще встречаются в кислых породах.[35]

Самые распространенные минералыFelsicСреднийМафикУльтрабазит
Кварцевый
Ортоклаз (и олигоклаз), слюда, роговая обманка, авгит		Кварц мало или совсем нет:
Ортоклаз роговая обманка, авгит, биотит		Кварц мало или нет:
Плагиоклаз Роговая обманка, Авгит, Биотит		Нет кварца
Плагиоклаз Август, Оливин		Нет полевого шпата
Авгит, роговая обманка, оливин
Плутонический или Абиссальный типГранитСиенитДиоритГабброПеридотит
Навязчивый или Гипабиссал типКварц-порфирОртоклаз-порфирПорфиритДолеритПикрит
Лавы или эффузивный типРиолит, ОбсидианТрахитАндезитБазальтКоматиите

Породы, содержащие лейцит или нефелин, частично или полностью замещающие полевой шпат, не включены в эту таблицу. По сути, они носят промежуточный или основной характер. Следовательно, мы можем рассматривать их как разновидности сиенита, диорита, габбро и т. Д., В которых встречаются фельдшпатоидные минералы, и действительно существует множество переходов между сиенитами обычного типа и нефелин - или лейцит - сиенитом, и между габбро или долеритом и тералитом или эссексит. Но поскольку многие минералы развиваются в этих «щелочных» породах, которые необычны в других местах, удобно рассматривать весь комплекс как отдельную серию при чисто формальной классификации, подобной описанной здесь.[35]

Нефелиновые и лейцитсодержащие породы
Самые распространенные минералыЩелочной полевой шпат, нефелин или лейцит, авгит, роговая смесь, биотитНатронная известь, полевой шпат, нефелин или лейцит, авгит, роговая обманка (оливин)Нефелин или лейцит, авгит, роговая обманка, оливин
Плутонический типНефелин-сиенит, Лейцит-сиенит, Нефелин-порфирЭссексит и ТералитИйолит и миссурит
Эффектный тип или ЛавыФонолит, лейцитофирТефрит и базанитНефелин-базальт, Лейцит-базальт

Эта классификация основана в основном на минералогическом строении магматических пород. Любые химические различия между разными группами, хотя и подразумеваются, отводятся в подчиненное положение. Это, по общему признанию, искусственное, но оно выросло с ростом науки и до сих пор принимается в качестве основы для создания более мелких подразделений. Подразделения ни в коем случае не равноценны. Сиениты, например, и перидотиты гораздо менее важны, чем граниты, диориты и габбро. Более того, эффузивные андезиты не всегда соответствуют плутоническим диоритам, но отчасти также соответствуют габбро. Поскольку различные виды рока, рассматриваемые как агрегаты минералов постепенно переходят один в другой, переходные типы очень распространены и часто настолько важны, что получают особые названия. Кварц-сиениты и нордмаркиты могут располагаться между гранитом и сиенитом, тоналиты и адамеллиты - между гранитом и диоритом, монцониты - между сиенитом и диоритом, нориты и гипериты - между диоритом и габбро и так далее.[35]

Следы металлов в океане

Следы металлов легко сформировать комплексы с основными ионы в океане, в том числе гидроксид, карбонат, и хлористый и их химический состав меняется в зависимости от окружающей среды. окисленный или восстановленный.[37] Бенджамин (2002) определяет комплексы металлов с более чем одним типом лиганд, кроме воды, в виде комплексов со смешанными лигандами. В некоторых случаях лиганд содержит более одного донор атом, образующий очень прочные комплексы, также называемые хелаты (лиганд - хелатор). Одним из наиболее распространенных хелаторов является ЭДТА (этилендиаминтетрауксусной кислоты ), которые могут заменять шесть молекул воды и образовывать прочные связи с металлами, имеющими заряд плюс два.[38] С более сильным комплексом, ниже Мероприятия свободного иона металла. Одним из последствий более низкой реакционной способности металлических комплексов по сравнению с такой же концентрацией свободного металла является то, что хелатирование имеет тенденцию стабилизировать металлы в водном растворе, а не в твердых веществах.[38]

Концентрации следов металлов кадмий, медь, молибден, марганец, рений, уран и ванадий в отложениях фиксируют окислительно-восстановительную историю океанов. В водной среде кадмий (II) может быть в форме CdCl+(водн.) в ядовитый воды или CdS в пониженной среде. Таким образом, более высокие концентрации Cd в морских отложениях могут указывать на условия с низким окислительно-восстановительным потенциалом в прошлом. Для меди (II) преобладающей формой является CuCl.+(водн.) в кислородной среде и CuS (s) и Cu2S в ограниченных условиях. Среда с восстановленной морской водой приводит к двум возможным состояниям окисления меди: Cu (I) и Cu (II). Молибден присутствует в степени окисления Mo (VI) как MoO42−(водн.) в кислородной среде. Mo (V) и Mo (IV) присутствуют в восстановленной среде в форме MoO2+(водн.) и MoS2 (с). Рений присутствует в степени окисления Re (VII) как ReO4− в кислородных условиях, но восстанавливается до Re (IV), который может образовывать ReO2 или ReS2. Уран находится в степени окисления VI в UO2(CO3)34−(aq) и находится в приведенной форме UO2(s). Ванадий находится в нескольких формах в степени окисления V (V); HVO42− и H2VO4−. Его сокращенные формы могут включать ВО2+, ВО (ОН)3−, и V (OH)3. Относительное доминирование этих видов зависит от pH.

В водной толще океана или глубоких озер вертикальные профили растворенных микроэлементов металлов характеризуются следующим образом: консервативный тип, питательный тип, или же scavenged – type раздачи. В этих трех распределениях металлические следы имеют разное время пребывания и в разной степени используются планктонный микроорганизмы. Следы металлов с распределением консервативного типа имеют высокие концентрации относительно их биологического использования. Одним из примеров металлических примесей с консервативным типом распределения является молибден. Время пребывания в океанах составляет около 8 x 10.5 лет и обычно присутствует как молибдат анион (МоО42−). Молибден слабо взаимодействует с частицами и имеет почти равномерный вертикальный профиль в океане. Относительно количества молибдена в океане, количество, необходимое в качестве кофактора металла для ферменты в морском фитопланктон незначительно.[39]

Следы металлов с распределением по типу питательных веществ прочно связаны с внутренними циклами твердых частиц органического вещества, особенно с ассимиляцией планктоном. Наименьшие растворенные концентрации этих металлов находятся на поверхности океана, где они ассимилируются планктоном. Поскольку растворение и разложение происходят на большей глубине, концентрация этих следов металлов увеличивается. Время пребывания этих металлов, таких как цинк, составляет от нескольких тысяч до ста тысяч лет. Наконец, пример металлического следа очищенного типа: алюминий, который имеет сильное взаимодействие с частицами, а также короткое время пребывания в океане. Время нахождения следов металлов очищенного типа составляет от 100 до 1000 лет. Концентрации этих металлов наиболее высоки вокруг донных отложений, гидротермальные источники, и реки. Для алюминия атмосферная пыль является самым большим источником внешних поступлений в океан.[39]

Распределение железа и меди в океане гибридное. На них влияют переработка и интенсивное удаление мусора. Железо является ограничивающим питательным веществом на обширных территориях океанов и содержится в большом количестве наряду с марганцем вблизи гидротермальных источников. Здесь обнаруживается много осадков железа, в основном в виде сульфидов железа и окисленных соединений оксигидроксида железа. Концентрации железа вблизи гидротермальных источников могут в миллион раз превышать концентрации, обнаруженные в открытом океане.[39]

Используя электрохимические методы, можно показать, что биоактивные следы металлов (цинк, кобальт, кадмий, железо и медь) связываются органическими лигандами в поверхностной морской воде. Эти лигандные комплексы служат для снижения биодоступности следов металлов в океане. Например, медь, которая может быть токсичной для фитопланктона и бактерий открытого океана, может образовывать органические комплексы. Образование этих комплексов снижает концентрации биодоступных неорганических комплексов меди, которые могут быть токсичными для морской жизни при высоких концентрациях. В отличие от меди, токсичность цинка для морского фитопланктона низкая, и нет никаких преимуществ в увеличении органического связывания Zn.2+. В регионах с высоким содержанием питательных веществ и низким содержанием хлорофилла железо является лимитирующим питательным веществом, при этом доминирующими видами являются сильные органические комплексы Fe (III).[39]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм Альбаред, Франциск (2007). Геохимия: введение. Перевод с французского. (5-е изд.). Кембридж: Cambridge Univ. Нажмите. ISBN  9780521891486.
  2. ^ а б McSween, Jr, Harry Y .; Хасс, Гэри Р. (2010). Космохимия. Издательство Кембриджского университета. ISBN  9781139489461.
  3. ^ а б c d Краг, Хельге (2008). «От геохимии к космохимии: происхождение научной дисциплины, 1915–1955». В Рейнхардте, Карстен (ред.). Химические науки в ХХ веке: преодолевая границы. Джон Вили и сыновья. С. 160–192. ISBN  978-3-527-30271-0.
  4. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Максуин младший, Гарри Ю.; Ричардсон, Стивен М .; Уле, Мария Э. (2003). Пути и процессы геохимии (2-е изд.). Нью-Йорк: Колумбийский университет. ISBN  9780231509039.
  5. ^ Уайт, Уильям М. Геохимия (не опубликовано). п. 1. Получено 14 марта 2012.
  6. ^ Мейсон, Брайан (1992). Виктор Мориц Гольдшмидт: отец современной геохимии. Сан-Антонио, Техас: Геохимическое общество. ISBN  0-941809-03-X.
  7. ^ «Добро пожаловать в GPS Geochemistry». Программа исследований GPS. Калифорнийский технологический институт. Получено 2 октября 2017.
  8. ^ Ленгмюр, Дональд (1997). Геохимия водной среды. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall. ISBN  9780023674129.
  9. ^ Schlesinger, William H .; Бернхардт, Эмили С. (2013). Биогеохимия: анализ глобальных изменений (Третье изд.). Академическая пресса. ISBN  9780123858740.
  10. ^ Кендалл, Кэрол; Колдуэлл, Эрик А. (1998). «Глава 2: Основы геохимии изотопов». В Кендалле, С .; Макдоннелл, Дж. Дж. (Ред.). Изотопные индикаторы в гидрологии водосбора. Амстердам: Elsevier Science. стр. 51–86. Получено 3 октября 2017.
  11. ^ Киллопс, Стивен Д .; Киллопс, Ванесса Дж. (2013). Введение в органическую геохимию. Джон Вили и сыновья. ISBN  9781118697207.
  12. ^ Доан, Т.А. (2017). «Обзор фотогеохимии». Геохим Транс. 18: 1. Дои:10.1186 / s12932-017-0039-у. ЧВК  5307419. PMID  28246525.
  13. ^ Garrett, R.G .; Reimann, C .; Smith, D.B .; Се, X. (ноябрь 2008 г.). «От геохимической разведки до международного геохимического картирования: исторический обзор: Таблица 1». Геохимия: разведка, окружающая среда, анализ. 8 (3–4): 205–217. Дои:10.1144/1467-7873/08-174. S2CID  130836294.
  14. ^ Максуин младший, Гарри Ю.; Хасс, Гэри Р. (2010). Космохимия. Издательство Кембриджского университета. ISBN  9781139489461.
  15. ^ Олсон, Джеральд Шуберт; Дональд Л. Тюркотт; Питер (2001). Мантийная конвекция на Земле и планетах. Кембридж: Cambridge Univ. Нажмите. ISBN  9780521798365.
  16. ^ Уилсон, Марджори (2007). Магматический петрогенез. Дордрехт: Спрингер. ISBN  9789401093880.
  17. ^ а б c d е Кендалл, Кэрол; Колдуэлл, Эрик А. (2000). «Глава 2: Основы геохимии изотопов». В Кендалле, Кэрол; Макдоннелл, Дж. Дж. (Ред.). Изотопные индикаторы в гидрологии водосбора. Амстердам: Эльзевир. С. 51–86. ISBN  9780444501554. Получено 24 октября 2017.
  18. ^ а б Hoefs, Йохен (2015). «Процессы изотопного фракционирования отдельных элементов». Геохимия стабильных изотопов: 47–134. Дои:10.1007/978-3-319-19716-6_2. ISBN  978-3-319-19715-9.
  19. ^ а б c d Lasaga, Antonio C .; Бернер, Роберт А. (апрель 1998 г.). «Фундаментальные аспекты количественных моделей геохимических циклов». Химическая геология. 145 (3–4): 161–175. Bibcode:1998ЧГео.145..161Л. Дои:10.1016 / S0009-2541 (97) 00142-3.
  20. ^ Данные из таблицы 6 Кэмерон, A.G.W. (Сентябрь 1973 г.). «Изобилие элементов в солнечной системе». Обзоры космической науки. 15 (1): 121. Bibcode:1973ССРв ... 15..121С. Дои:10.1007 / BF00172440. S2CID  120201972.
  21. ^ а б c d Palme, H .; Джонс, А. (2003). «1.03 - Изобилие элементов Солнечной системы» (PDF). В Голландии H.D .; Турекян, К. (ред.). Трактат по геохимии. Том 1: Метеориты, кометы и планеты (1-е изд.). Оксфорд: Elsevier Science. С. 41–61. Дои:10.1016 / B0-08-043751-6 / 01060-4. ISBN  9780080437514. Получено 3 октября 2017.
  22. ^ Лоддерс, Катарина (10 июля 2003 г.). "Изобилие в солнечной системе и температуры конденсации элементов". Астрофизический журнал. 591 (2): 1220–1247. Bibcode:2003ApJ ... 591.1220L. CiteSeerX  10.1.1.695.5451. Дои:10.1086/375492.
  23. ^ Мидлмост, Эрик А. К. (2014). Магмы, горные породы и развитие планет: обзор систем магмы / магматических пород. Рутледж. ISBN  9781317892649.
  24. ^ Энкреназ, Тереза; Бибринг, Жан-Пьер; Blanc, M .; Баруччи, Мария-Антониетта; Рокес, Франсуаза; Зарка, Филипп (2004). Солнечная система (3-е изд.). Берлин: Springer. ISBN  9783540002413.
  25. ^ а б c d е ж грамм час я j Льюис, Джон (1995). Физика и химия Солнечной системы. Берлингтон: Elsevier Science. ISBN  9780323145848.
  26. ^ Атрея, С.К .; Mahaffy, P.R; Niemann, H.B; Вонг, M.H; Оуэн, T.C (февраль 2003 г.). «Состав и происхождение атмосферы Юпитера - обновление и значение для внесолнечных планет-гигантов». Планетарная и космическая наука. 51 (2): 105–112. Bibcode:2003P & SS ... 51..105A. Дои:10.1016 / S0032-0633 (02) 00144-7.
  27. ^ а б c Фортни, Джонатан (22 марта 2010 г.). «Точка зрения: вглядываясь в Юпитер». Физика. 3: 26. Дои:10.1103 / Физика.3.26.
  28. ^ Нетберн, Дебора (15 сентября 2017 г.). «Когда миссия НАСА« Кассини »вспыхивает над Сатурном, ученые отмечают горько-сладкий конец миссии». Лос-Анджелес Таймс. Получено 10 октября 2017.
  29. ^ Лэнг, Кеннет Р. (2010). «11. Уран и Нептун». Космос НАСА. Университет Тафтса. Получено 11 октября 2017.
  30. ^ а б Андерсон, Дон Л. (2007). Новая теория Земли. Издательство Кембриджского университета. ISBN  9781139462082.
  31. ^ «ГРС». Лаборатория реактивного движения. USA.gov. Получено 17 октября 2017.
  32. ^ Родос, Эдгар А .; Эванс, Ларри Дж .; Ниттлер, Ларри Р .; Старр, Ричард Д .; Sprague, Ann L .; Лоуренс, Дэвид Дж .; Маккой, Тимоти Дж .; Стокстилл-Кэхилл, Карен Р.; Голдстен, Джон О.; Пепловски, Патрик Н .; Хамара, Дэвид К .; Бойнтон, Уильям V .; Соломон, Шон С. (декабрь 2011 г.). «Анализ данных гамма-спектрометра MESSENGER с пролетов над Меркурием». Планетарная и космическая наука. 59 (15): 1829–1841. Bibcode:2011P & SS ... 59.1829R. Дои:10.1016 / j.pss.2011.07.018.
  33. ^ Киффер, Хью Х., изд. (1994). Марс (2-е изд.). Тусон: Университет Аризоны Press. ISBN  9780816512577.
  34. ^ а б Морган, Джон В .; Андерс, Эдвард (декабрь 1980 г.). «Химический состав Земли, Венеры и Меркурия». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 77 (12): 6973–6977. Bibcode:1980ПНАС ... 77.6973М. Дои:10.1073 / pnas.77.12.6973. JSTOR  9538. ЧВК  350422. PMID  16592930.
  35. ^ а б c d е ж грамм Одно или несколько предыдущих предложений включают текст из публикации, которая сейчас находится в всеобщее достояние: Флетт, Джон Смит (1911). "Петрология "В Чисхолме, Хью (ред.)". Британская энциклопедия. 21 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 328–333.
  36. ^ В соответствии с [1], который цитирует это: Klein, C., Hurlbut, C. S. (1993) Руководство по минералогии, 21 издание. Джон Вили и сыновья.
  37. ^ Намерофф, Т; Balistrieri, L; Мюррей, Дж (2002). «Геохимия субоксичных следов металлов в восточном тропике северной части Тихого океана». Geochimica et Cosmochimica Acta. 66 (7): 1139–1158. Bibcode:2002GeCoA..66.1139N. Дои:10.1016 / с0016-7037 (01) 00843-2.
  38. ^ а б Бенджамин, М (2002). Химия воды. Вашингтонский университет. ISBN  1-57766-667-4.
  39. ^ а б c d Bruland, K; Лохан, М (2003). «6.02 - Контроль следов металлов в морской воде». В Голландии H.D .; Турекян, К. (ред.). Трактат по геохимии. Том 6: Океаны и морская геохимия. С. 23–47. Bibcode:2003TrGeo ... 6 ... 23B. Дои:10.1016 / B0-08-043751-6 / 06105-3.

дальнейшее чтение

  • Фор, Гюнтер; Менсинг, Тереза ​​М. (2005). Изотопы: принципы и применение (3-е изд.). Нью-Джерси: Уайли. ISBN  0471384372.
  • Holland, H.D .; Турекян К.К., ред. (2003). Трактат по геохимии (1-е изд.). Оксфорд: Elsevier Science. ISBN  978-0-08-043751-4.
  • Marshall, C.P .; Fairbridge, R.W., ред. (2006). Геохимия. Берлин: SpringerLink. ISBN  1-4020-4496-8.
  • Совет по исследованию окружающей среды. «Модель данных геохимии». EarthDataModels.org. Получено 9 октября 2017.
  • Роллинсон, Хью Р. (1996). Использование геохимических данных: оценка, представление, интерпретация (Ред. Ред.). Харлоу: Лонгман. ISBN  978-0-582-06701-1.
  • Уайт, Уильям М. Геохимия (не опубликовано). п. 1. Получено 14 марта 2012.

внешняя ссылка