Глава 28 ВОЗДУШНЫЕ МИГРАНТЫ

геохимия

Смотрите также:

История атомов и география - Перельман

Геохимия - химия земли

Геология

геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

минералы

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

почвы

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

докучаев

биосфера

Биографии геологов, почвоведов

Биографии почвоведов

Эволюция

Инертные газы — Аг, Ne, Кг, Хе, Не, Rn (пассивные воздушные мигранты)

Это единственная группа элементов, в истории которой не играет роль живое вещество.

Аргон — Аг (18; 39,948).

В атмосфере Аг больше, чем углекислого газа — 0,93 об.%. Как и другие инертные газы, он сравнительно хорошо растворим в воде (лучше N) и в природных водах содержится в значительных количествах. В литосфере Аг мало — всего 2,2.10'^смЗ/г. Он открыт в горячих звездах, в туманностях его больше, чем С1, Са, Р, К. В отличие от Земли, в космосе преобладают легкие изотопы 36Аг и 38Аг, господствующего в нашей атмосфере 40Аг (96,6%) очень мало.

Основной источник аргона Аг в земной коре — радиоактивный распад изотопа Около 88% его атомов превращается в 40Са, но в 12% атомов электрон с ближайшей орбиты поглощается ядром атома, заряд которого в результате уменьшается на единицу, т.е. ядро К превращается в ядро Аг. Период полураспада= 1,3 млрд. лет. Хотя изотопа 40К в природном калии мало (0,0119%), высокий кларк К (2,5%) определил значительное накопление 40дг Таким образом, основным источником аргона атмосферы являются радиоактивные процессы в литосфере и верхней мантии, их дегазация.

Аргон — тяжелый газ, удержавшийся в поле тяготения Земли. Растворяясь в поверхностных водах, атмосферный Аг поступает и в подземные. Поэтому воды многих термальных источников содержат "воздушный" аргон. В ноосфере Аг используется широко.

Неон — Ne (10; 20,179).

В атмосфере его содержится 1,2.10~3 об.%. Из атмосферы Ne попадает в природные воды, подземные газы; в горных породах его в среднем 7,7.10'^смЗ/г. Химическая инертность не позволила ему удержаться на Земле, а его легкость (в 1,5 раза легче воздуха) особенно способствовала утечке (диссипации) в космическое пространство. Поэтому основная масса неона Ne утеряна Землей. В атмосферу он поступает из горных пород при их выветривании и других процессах. В ноосфере Ne используется широко, его получают из атмосферного воздуха.

Криптон — Кг (36; 83,80) и ксенон — Хе (54; 131,30).

Они очень редки, в горных породах в среднем 4,2.10'^см^/г Кг и 3,4.10"^смЗ/г Хе, в атмосфере, соответственно, 1.10"4 и 9.10"^ об.%. При самопроизвольном делении 238у и 235и образуются оба эти газа, причем в продуктах деления преобладает ксенон Хе. Однако ядерные реакции не были их главными источниками в атмосфере. Возможно, это остатки первичной атмосферы Земли или же продуктов дегазации мантии и литосферы.

Гелий — Не (2; 4,0026).

Это самый легкий инертный газ, почти в 8 раз легче воздуха. В атмосфере 5.10"4об.% Не, в горных породах — б.Ю'^смЗ/г. Гелий редкий, но не рассеянный элемент, так как природные газы содержат его до 20%. В космосе по распространенности он занимает второе после водорода место (23 ат.%), обнаружен в туманностях, звездах, в том числе и в атмосфере Солнца, где был открыт спектральным анализом в 1868 г. (на Земле в 1895 г.). Ядерная реакция превращения водорода в гелий является основным источником звездной энергии.

Благодаря легкости и инертности Не гелий улетучивается из земной атмосферы, особенно интенсивно это происходило в первые этапы развития Земли. Его современные запасы почти полностью обязаны радиоактивному распаду U и Th. Процесс этот медленный, с периодами полураспада в сотни миллионов и миллиарды лет. С этим связана важная закономерность его размещения в земной коре — чем древнее порода, тем больше в ней рассеянного Не: палеозойские породы богаче мезозойских, а кайнозойские беднее всего.

Гелий плохо растворяется в природных водах (хуже N), но все же в подземных водах заключено огромное его количество. Особенно высоки содержания в глубинных застойных водах с медленным водообменом, длительное время находящихся во взаимодействии с породами.

Из глубоких частей земной коры поток Не направлен к поверхности и далее в атмосферу. По А.А. Саукову, за время геологической истории преобладала диссипация и современное его количество составляет около одной тысячной радиогенного Не, образовавшегося за время существования Земли.

Радиогенное происхождение гелия Не в земной коре определяет связь его концентраций с областями повышенной радиоактивности пород — урановыми и ториевыми месторождениями и провинциями. Все газовые месторождения и проявления, содержащие более 1% Не, расположены недалеко от областей с урановой минерализацией. Для накопления Не благоприятны нефтегазоносные бассейны палеозойского возраста в районах с повышенной радиоактивностью пород кристаллического фундамента или осадочной толщи, особенно в урановых провинциях.

Из двух стабильных изотопов гелия — 4Не и ЗНе на Земле преобладает первый — радиогенный, в космосе — второй (в атмосферном гелии содержится лишь

1,3.10-4% ЗНе). Гелий играет важную роль в технике.

Радон — Rn (86; 222).

Этот инертный газ очень редок, кларк его точно не установлен, но близок к п.10"^"%. В атмосфере лишь 7.10"17 об .% Rn. Низкий кларк и химическая инертность, казалось бы, исключают какую-либо его геохимическую роль. Однако это не так — большое значение имеет высокая радиоактивность радона Rn. Из трех изотопов — продуктов распада 238у собственно),

235и (актинон) и Th (торон) — самый долгоживущий первый с периодом полураспада 3,82 дня. Поэтому существование Rn возможно только в результате радиоактивного распада U и Th, генерирующих Ra, эманацией которого и служит Ra. Поэтому Rn распространен там, где есть Ra, в равновесии с которым он обычно находится. Быстрый распад исключает миграцию Rn на значительные расстояния от его источника — Ra.

Вместе с почвенным и атмосферным воздухом, водой, пищей Rn попадает в организмы, повышенные его количества вызывают лучевую болезнь, поражают органы кроветворения, приводят к раку легких. Английский физик У. Рамзай, открывший в 1904 г. Rn и много экспериментировавший с этим газом, погиб в 1916 г. от этой болезни.

Человечество познакомилось с Rn задолго до его открытия в начале XX века. Шахтеры средневековой Германии, работавшие в рудниках, серебряная руда которых содержала примесь урановых минералов, дышали воздухом, обогащенным Rn. Это вело к смерти примерно через 15 лет после спуска в шахту. Женщины в этих местностях выходили замуж по несколько раз, т.к. мужей уносила эта загадочная "горняцкая чахотка". Предполагают, что концентрация Rn в шахтном воздухе была очень высока. Такие названия горнорудных районов, как Карамазар ("черная могила"), могут быть обязаны их особо дурной славе у древних рудокопов, знавших, что работа в шахтах быстро отнимет у них здоровье. Эта сторона истории горного дела не привлекала внимания исследователей.

Повышенные содержания радона в почвах характерны для ландшафтов месторождений U и Th, для почв на горных породах, обогащенных данными металлами. Подобные породы занимают большие пространства, чем рудные месторождения, к ним относятся некоторые граниты, в которых U на порядок больше кларка, еще больше U во многих черных углеродистых сланцах.

Цивилизация расширила распространение почв, воздух которых обогащен Rn. В первую очередь это отвалы вблизи урановых шахт, предприятий, обогащающих урановую руду, фабрик, где из руды извлекается уран, участки захоронения радиоактивных отходов, а также места, куда попадают радиоактивные препараты в результате небрежного обращения с ними. Важным источником Rn служит и утилизация отвалов предприятий, добывающих и перерабатывающих радиоактивное сырье. Подобные отходы использовались при строительстве дорог, фундаментов зданий, производстве бетона, что приводило к его высоким концентрациям в помещениях. Если радиоактивность обычных почв, как правило, не превышает 50 Бк/кг, то у указанных выше пород она в 100 и даже в 1000 раз больше. Высока радиоактивность и некоторых других строительных материалов, как, например, фосфогипса — отхода переработки фосфоритов. Такие материалы широко использовались (и используются?) в некоторых странах при изготовлении цемента, штукатурки, строительных блоков. В России разработаны нормы, ограничивающие радиоактивность стройматериалов.

Содержание Rn в подземном воздухе зависит и от эманирующей способности пород. Радон иногда накапливается в водах, соприкасающихся с эманирующими коллекторами. В бальнеологии применяются радоновые воды, которые образуются в трещиноватых породах с хорошей эманирующей способностью. Таковы воды Пятигорска, Цхалтубо, Белокурихи и других курортов. Некоторые источники содержат радоно-радиевые воды, в которых повышено содержание и Ra, и Rn (например, в Кисловодске, Карлови-Вари, Истису). Радон активизирует физиологические процессы, радоновые ванны принимают для лечения сердечнососудистых, суставных, нервных и других болезней. В России около 30 радоновых курортов, работает около 100 радоновых лабораторий. Радоновые процедуры применяют и вне курортов около 1 млн. человек в год. Уровни облучения при этом весьма низкие — 10 — 100 миллибэр за курс. Считается, что доза в 1 бэр уменьшает продолжительность жизни на три дня и, следовательно, курс из 15 радоновых ванн сократит жизнь больного на 1,5 часа.

В последние годы "проблема радона" привлекает большое внимание в связи с новыми и неожиданными фактами. В помещениях обнаружены недопустимые концентрации Rn. В Западной Европе и Северной Америке промышленность стала выпускать радонометры. В жилых домах США средняя концентрация Rn составляет 20 — 25 Бк/мЗ; вне помещений она обычно в несколько раз ниже. Следовательно, основное облучение происходит дома, причем в некоторых домах воздух содержит 200 — 250 Бк/мЗ Rn. Как причина рака легких этот элемент в США занимает второе место по смертности после курения, с которым связывают 140 тыс. смертей в год.

Основной источник Rn в домах — почвы и грунты под фундаментом, при этом концентрация Ra в них может быть фоновой (30 — 50 Бк/кг). В микропорах горных пород и почв концентрация Rn достигает 10"^ — 10"6 Ки!л (0,5 — 5,0.10^ Бк/мЗ), что в миллион раз больше, чем в приземной атмосфере. На глубине всего 1 — 2 метров воздух в порах почв содержит 30 — 40000 Бк/мЗ. Таким образом, жилые помещения улавливают Rn, "выдыхаемый почвой", дом подсасывает воздух из грунта (в прохладное время года возникает тяга воздуха из почвы в помещения). Источником Rn в домах может служить также вода, особенно в случае использования артезианских скважин.

Все это привлекло внимание к Rn. За рубежом популярные журналы пишут о "газе-убийце, крадущемся из-под земли", о "беспощадном убийце, незаметно проникающим в наши дома". Издается и серьезный журнал "Обозрение радоновой промышленности".

Норма радона во вновь строящихся домах не более 100 Бк/мЗ, в уже существующих не свыше 200 Бк/мЗ. Если его содержание превышает 400 Бк/мЗ, ставится вопрос о переселении жильцов. Жители квартиры с концентрацией Rn 200 Бк/мЗ за свою жизнь получат около 60 бэр.*

По А.Э. Мемьи-заде, на земной поверхности космические лучи и гамма-радиация литосферы создают 5,5 пары ионов в 1 смЗ за 1 секунду. Rn и продукты его распада в таком же объеме обуславливают 4,5 пары ионов за секунду, а концентрация этого газа составляет всего 4,8 Бк/м^ (1,4.10" 13 Ки/л). Эту концентрацию в условиях спокойного геомагнитного поля и хорошей погоды можно считать минимальной. При геомагнитных возмущениях на поверхности Солнца, а следовательно, и в ландшафтах Земли содержание Rn возрастает, приводя к "радоновым бурям". Они вызывают стресс, влияют не только на легкие, но и на эндокринную систему, особенно на гипофиз и надпочечники. Примерно у трети населения наблюдаются одышка, мигрень, бессонница, сердцебиение, тревожное состояние и другие болезненные реакции. Например, в Ташкенте радоновые бури бывают несколько раз в месяц и концентрация Rn в 10 — 30 раз превышает минимальный уровень. В Вашингтоне дневная концентрация Rn менялась даже более чем в 100 раз. Так как его поступление из почв в атмосферу связано с солнечной активностью, оно имеет циклический характер, доказаны двадцатидневные и одиннадцатилетние циклы.

Интересен вопрос о роли элемента в геологической истории как фактора эволюции организмов. В районах распространения гранитоидов, разломов, урановых и ториевых месторождений содержание Rn повышено в почвах, подземном воздухе и водах. Многие поколения растений, роющих животных, микроорганизмов в таких ландшафтах подвергались ионизирующему излучению. Это могло влиять на наследственность, вызвать различные мутации. Напомним, что в экспериментах ионизирующие излучения являются одним из наиболее мощных средств воздействия на наследственные механизмы, получения искусственных мутаций, выведения нужных рас микроорганизмов. В биосфере подобные мутации частично вели к дегенерации, уродствам и вымиранию видов, но иногда могли иметь и положительное значение, увеличивая шансы организмов в борьбе за существование. Поэтому ландшафты, обогащенные Rn, вероятно, были важными центрами видообразования, в которых происходил отбор на радиационной основе. И в настоящее время флора и фауна таких ландшафтов представляют большой интерес для генетиков.

Контрольные вопросы

1. Почему кислород является геохимическим диктатором в большинстве ландшафтов?

2. Расскажите об "озоновой дыре".

3. Охарактеризуйте круговорот кислорода в биосфере, сравните его с круговоротом в ноосфере.

4. Как и где образуются кислородные геохимические барьеры Аб, All?

5. Какие проблемы геохимии ландшафта помогает решать изучение изотопов водорода?

6. Где образуются кислые геохимические барьеры Е?

7. Какое явление В.И. Вернадский назвал "жизненным циклом"?

8. Назовите предмет "органической геохимии"?

9. Охарактеризуйте сероводородные и глеевые барьеры.

10. Как менялось содержание О2 и СО2 в атмосфере фанерозоя?

11. Влияние вулканизма на геохимию С в биосфере.