Глобальный элементопоток железа.

Масса железа в земной коре оценивается в 755 трлн. т /177/. В результате вулканической деятельности в литосферу ежегодно поступает около 3 млрд. тонн железа в виде магматических расплавов, причем почти 90 % приходится на подводные вулканы. Значительное количество железа содержится в железомарганцевых конкрециях (ЖМК) Мирового океана. Химический состав океанских конкреций крайне разнообразен: в них в тех или иных количествах присутствуют практически все элементы периодической системы. В таблице приведены средние содержания главных рудных элементов в морских железомарганцевых конкрециях и в глубоководных пелагических осадках /178, 179/.

 

Таблица 12. Средний химический состав железомарганцевых конкреций Мирового океана

Элемент	Диапазон содержаний, % (масс. доля)	Средние содержания, %
		Океаны			Моря	Глубоко- водные осадки
		Тихий	Индийский	Атлантический
Mn	0,04 – 50,3	21,600	15,25	13,250	5,300	0,300
Fe	0,3 – 50,0	10,400	14,20	17,000	19,100	3,800
Ni	0,08 – 2,48	0,900	0,430	0,320	0,015	0,010
Cu	0,003 – 1,9	0,600	0,250	0,130	0,003	0,024
Co	0,001 – 2,53	0,260	0,210	0,270	0,010	0,006
Zn	0,01 – 9,0	0,110	0,149	0,123	0,010	0,013
Pb	0,01 – 7,5	0,074	0,100	0,140	0,003	0,004
Mo	0,0007 –0,22	0,040	0,030	0,037	0,010	0,001

 

Проблема генезиса железомарганцевых конкреций сопряжена с оценкой скорости их роста /180/. Согласно результатам датирования конкреций традиционными радиометрическими методами, скорость их роста оценивается миллиметрами за миллион лет, т.е. намного ниже скоростей отложения осадков. По другим данным, в частности по возрасту органических остатков и по изотопному составу гелия, конкреции растут в сотни и тысячи раз быстрее и могут, как предполагают, оказаться моложе подстилающих осадков /181/.

Окраинные районы океанов являются «фабрикой», поставляющей Mn и Fe в океан. В морские и океанические воды металлы попадают, в том числе и при подводных вулканических процессах, как в виде примеси в породообразующих и акцессорных минералах, так и из флюидов. Во флюидах подводных гидротермальных систем (курильщики) содержание металлов в 10-50 раз выше, чем в океанической воде. В ламинарной части гидротермального факела происходит образование свежего гидроксида железа, который является сильнейшим сорбентом /182/. Он, как и другие сорбенты, захватывает металлы. Осаждение гидроксида железа приводит к обогащению осадков этими металлами.

Транспортировка вещества с континентов в океанические бассейны осуществляется в виде механического переноса (18,4 10¹⁵ г/год) и переноса в растворенном виде (4,3 10¹⁵ г/год). Большая часть вещества переносится реками: 87% от механического переноса и 91% от переноса в растворенном виде /183/. Исходя из содержания металла в верхней континентальной коре, можно оценить его общий снос за год в бассейны накопления.

В настоящее время скорость химической эрозии на различных континентах различается в 3-4, а механической примерно в 25 раз, что определяется тектонической активностью и климатом региона. От этого зависит количество и характер вещества, сносимого в разные части Мирового океана. На длительность нахождения элемента в природных водах существенно влияет величина электростатического действия энергии связи элемент - кислород. Путем геохимических сопоставлений доказано, что основная часть (62 – 88 %) Fe, Mn, Pb, Zn поступает в глубоководные осадки из гидротермальных источников, в то время как основная часть других металлов (54 – 94 %) Ba, Ni, Co, Zr, La, Sm – из океанской воды /182, 183/.

В связи со сложностью количественной оценки движения железа с мантийными флюидами и при формировании океанических конкреций, эти процессы в глобальном элементопотоке железа не учитывались.

Содержание железа в почвах колеблется от 2 до 550 мг/кг /184/. Среднее значение концентрации железа в органическом веществе педосферы составляет 200 – 300 мкг/г сухого вещества. В целом масса железа в педосфере оценивается в 31,436 млрд. т /185/. В зонах металлургических комбинатов (производительностью свыше 5 млн. т стали в год) в твердых выбросах содержится от 22000 до 31000 мг железа /кг пыли. Поэтому в прилегающие к комбинатам почвы ежегодно поступает до 31 – 42 мг железа /кг сухого вещества /186, 187/.

Железо,растворенноев природных и техногенных водах, представлено соединениями, находящимися в ионной форме, в виде гидроксокомплекса и комплексов с растворенными неорганическими и органическими веществами природных вод. Содержание железа в поверхностных водах суши составляет десятые доли миллиграмма, вблизи болот – единицы миллиграммов. Наибольшие концентрации железа (до нескольких десятков и сотен миллиграммов в 1 дм³) наблюдаются в подземных водах с низкими значениями рН.

Интенсивность миграции железа в подземных водах зоны гипергенеза /132, 188/:

- содержание в водах – 5,47*10^-4 г/л

- содержание катионов железа (Fe²⁺, Fe³⁺) в речных водах – 0,04 мг/кг

Главными источниками соединений железа в поверхностных водах являются процессы химического выветривания горных пород, сопровождающиеся их механическим разрушением и растворением. Значительные количества железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и с сельскохозяйственными стоками.

По данным /189/ содержание железа в речных водах и озерной воде составляет ~ 10^-4 %, в морской воде ~2·10^-7%, в подземных водах ~10^-5%.

 

Таблица 13. Содержание железа в источниках воды. /132, 188, 189/

Источник	Объем, км3	Масса воды, т	Содержание железа
			% (масс. доля)	тонны
Океаны, моря, и заливы	1,338·109	1,37·1018	2·10-7	2,74·109
Грунтовые воды	2,34·107	2,34·1016	1·10-5	2,34·109
Реки	2,12·103	2,12·1012	1·10-4	2,12·106
Озера	7,5·105	7,50·1014	1·10-4	7,50·108

 

Таким образом, суммарное количество железа в гидросфере составляет 5,83·10⁹ т. Годовой речной сток оценивается /178/ в 991·10⁶ т железа в год, из которого 963·10⁶ т составляют взвешенные формы, а 28·10⁶ – растворенные.

Естественными источниками выбросов железа в атмосферу являются: вулканическая деятельность, выветривание горных пород, выдувание почвы, дым от лесных и степных пожаров, метеоритная пыль. Принято считать, что средняя концентрация естественной пыли в атмосфере в настоящее время не подвержена значительным колебаниям. /190, 191/. В таблице 14 представлено количество аэрозолей, поступающих от различных источников /190/, и содержание в них железа.

 

Таблица 14. Количество аэрозолей и содержание в них железа /190, 191/

Источник образования аэрозолей	Количество аэрозолей, млн. т/год	Среднее содержание железа в аэрозолях, %
Почвенная пыль	200–300	0,025
Вулканы	70–80	4,65
Лесные пожары	70–75	0,02
Сжигание топлива	24–30	4,65
Металлургия	12–15	60
Сельское хозяйство	4–5	0,02
Всего	730–1145	69,4

Подавляющая часть пыли аэрозолей быстро оседает с крупными частицами, и над континентом в атмосфере постоянно находится около 1 % этого количества /191/. Таким образом, количество железа, постоянно находящееся в атмосфере, составляет:13,38 + 3,56 = 16,94 1% - 0,17 млн. т.

 

Таблица 15. Мировое поступление железа в атмосферу, млн. т/год

Источник поступления	Масса железа, млн. т/год	%
Природные источники
Выветривание почв	0,06	1,76
Вулканическая пыль	3,48	97,83
Лесные пожары	0,02	0,41
Всего	3,56	100
Антропогенные источники
Сжигание топлива	1,25	13,5
Черная металлургия	8,13	86,4
Другие отрасли индустрии и сельского хозяйства	4,00	0,01
	13,38	100

 

Поведение железа в биосфере. Железо присутствует в организмах всех животных и в растениях (в среднем около 0,02 %); оно необходимо главным образом для кислородного обмена и окислительных процессов. Железо активно вовлекается в биологический круговорот, т.к. входит в состав многих ферментов. Характерные содержания железа в организмах животных и в растениях представлены в таблице 16 /184, 189, 192/. Таким образом, суммарное количество железа, постоянно находящегося в биосфере, составляет 487,5 млн. т. В биоте суши находится 485,89 млн. т железа, а 1,613 млн. т – в океане.

 

Таблица 16. Характерные содержания железа в организмах животных и в растениях

Объекты биосферы	Масса, т	Пределы содержания железа, % (масс. доля)	Используемое в расчетах значение, % (масс. доля)	Масса железа, т
Морские животные	28,1·109	10 – 90·10-4	50·10-4	1,405·106
Морские растения	1,89·109	20 – 200·10-4	110·10-4	0,208 106
Животные суши	1,94·1010	0,02	0,02	3,89·106
Растения суши	2,41·1012	0,02	0,02	482,0·106

 

Железо, мигрирующее в ходе биологических процессов. Поскольку масса растений суши составляет ~ 98 % от общей массы биоты, то в расчетах учитываем только движение железа в процессах жизнедеятельности растений. Захват железа растительностью оценивается количеством 516 кг/км² в течение года /189, 190/. Общая площадь земельного фонда всей планеты составляет 134 млн. км² /193/, а площадь суши, на которой осуществляется вовлечение железа в биологический круговорот - 75 % от общей площади суши или 100,5 млн. км². В этом случае количество железа в биологическом круговороте: 100,5·10⁶·0,516 = 51,9·10⁶ т железа в год, что подтверждается данными источника /178/, согласно которым, вовлечение железа в биологический круговорот достигает 34·10⁶ т/год.

Схема элементопотока железа в природной среде, приведенная на рисунке 5, не учитывает движение железа с магматическими флюидами и рассолами, поступающими из недр земли, и в результате тектонической деятельности. Поэтому этот элементопоток можно назвать своеобразным «мгновенным» природным элементопотоком, так как масштабы годового переноса железа учтенными природными средами представляют собой малую величину в сравнении с длительностью Большого геохимического цикла миграции элементов.

 

Таблица 17. Наиболее значимые параметры движения железа в природной среде.

Статья движения железа	млн. т/год	%
Извержения магмы	3000,0	74,1
Эоловый перенос	3,6	0,1
Биологический круговорот	51,9	1,3
Речной сток	991,0	24,5
Итого	4046,5	100,00

Движение железа в техносфере. Учитывалось только движение железа, связанное с процессами и изделиями черной металлургии. По оценкам /158/ на его долю приходится свыше 95 % всего железа, мигрирующего в техносфере. Расчеты производились для периода 2004…2005 годов для возможности сравнения с параметрами элементопотоков марганца, хрома, ванадия и галлия, которые определены в последующих разделах. Были использованы следующие источники /103, 194…215/. Результаты расчетов приведены в таблицах 18 и 19. На основе полученных данных можно построить «глобальный» элементопоток железа в природной и техногенной среде (Рисунок 5 ).

 

Таблица 18. Движение железа с материалами производственного (в том числе отложенного) рециклинга

Материалы производственного рециклинга	тыс. т	%
Материалы, поступающие в агломерационное и доменное производство	10631	5,14
Шлам и шлак из отвалов (материалы отложенного рециклинга)	9589	4,63
Вторичные материалы из прокатного производства (обрезь, брак и пр.)	186666	90,23
Итого	206886	100

 

 

 

Рисунок 5. Основные направления элементопотока железа в природной и техногенной среде.

 

 

Таблица 19. Макробаланс производства железа

Статьи баланса	тыс. т/год
Приход
Поступает с железной рудой	990915
Поступает с ферросплавами	10519
Поступает из металлофонда	227469
Поступает из шлаковых отвалов и шламонакопителей	9589
Итого	1238492
Расход
Поступает в сферу потребления	960056
в том числе: готовая продукция	945402
попутная продукция	14654
Поступает в техногенные месторождения	274013
в том числе: хвостохранилища	246435
шламонакопители и шлаковые отвалы	27578
Выбросы в атмосферу и гидросферу	12872