Baigiangdiahoa Chuong 5-6 Khi Quyen-Sinhquyen 8-2009

Bμi gi¶ng §Þa ho¸ häc cho sinh viªn ngμnh §Þa chÊt, Hμ Néi 2008 __________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________ NguyÔn Kh¾c Gi¶ng, Bé m«n Kho¸ng Th¹ch, §¹i häc Má-§Þa chÊt

116

Ch−¬ng V:

KhÝ quyÓn 5.1. CÊu t¹o vμ tÝnh chÊt cña khÝ quyÓn:

5.1.1. Kh¸i niÖm chung cña khÝ quyÓn:

PhÇn vá ngoμi cïng cña tr¸i ®Êt gäi lμ khÝ quyÓn. Giíi h¹n trªn cña khÝ quyÓn ®−îc gäi lμ t¨ng ®iÖn ly cã chiÒu cao 1000 km. Giíi h¹n d−íi ë ®é s©u 60-100km (d−íi mÆt ®Êt).

KhÝ quyÓn cã khèi l−îng 50.1015 tÊn chiÕm 0.05% träng l−îng cña vá tr¸i ®Êt. §Æc ®iÓm ®Æc tr−ng cña khÝ quyÓn lμ ®¹i bé phËn cña çc nguyªn tè ë tr¹ng th¸i khÝ. Çc nguyªn tè chñ yÕu lμ oxy, nit¬. Çc nguyªn tè trong khÝ quyÓn ph©n bè mét çch tù do trong kh«ng gian vμ lu«n lu«n trao ®æi m¹nh ,mÏ víi çc quyÓn kh¸c. KhÝ quyÓn ®−îc chia ra: khÝ quyÓn trªn mÆt ®Êt, quyÓn khÝ d−íi mÆt ®Êt.

5.1. 2. CÊu t¹o cña khÝ quyÓn trªn mÆt ®Êt vμ çc tÝnh chÊt cña nã.

C¨n cø vμo tÝnh chÊt vËt lý còng nh− ®Æc ®iÓm ho¸ häc, ng−êi ta chia quyÓn khÝ trªn mÆt ®Êt ra çc tÇng kh¸c nhau:

H×nh 5.1: Sù ph©n bè cña çc tÇng kh«ng khÝ trong khÝ quyÓn

a. TÇng ®èi l−u (troposphere): lμ tÇng ë d−íi cïng, s¸t mÆt ®Êt. Giíi h¹n trªn cña tÇng ®èi l−u ë çc vÜ ®é kh«ng gièng nhau, nã phô thuéc vμo ®é cao cña



117

dßng khÝ ®èi l−u ®i lªn. ë xÝch ®¹o, ®é cao cña tÇng ®èi l−u lμ 16-18 km, ë vïng «n ®íi 10-12 km, ë çc vïng cùc b¸n cÇu 7-8km.

TÇng ®èi l−u cã ®Æc ®iÓm lμ sù chuyÓn ®éng cña chÊt khÝ theo c¶ hai chiÒu: Ngang vμ th¼ng ®øng. TÇng ®èi l−u cã thμnh phÇn ho¸ häc ®ång nhÊt. NhiÖt ®é cña tÇng nμy gi¶m dÇn theo ®é cao vμ cã gradien 0,5-0,60C/100m. Cô thÓ, gÇn mÆt ®Êt, tÇng nμy cã nhiÖt ®é trung b×nh kho¶ng 15oC, nh−ng lªn ®Õn ®é cao 10km nhiÖt ®é gi¶m xuèng -500C ®Õn -800C.

b. TÇng b×nh l−u (Stratosphere): ®−îc giíi h¹n ë 10-20km ®Õn 50km. §Æc ®iÓm cña tÇng nμy lμ chuyÓn ®éng cña chÊt khÝ ë khuÕch t¸n theo ph−¬ng ngang. NhiÖt ®é cña tÇng nμy gia t¨ng theo ®é cao vμ phÝa trªn nhiÖt ®é kh«ng thay ®æi ≈ 500C. Trong tÇng nμy kh«ng cã h¬i n−íc. TÇng nμy cã nång ®é Ozon lín h¬n so víi nh÷ng tÇng kh¸c vμ ®−îc xem lμ tÇng ozon cña khÝ quyÓn. NhiÒu ng−êi cho sù gia t¨ng nhiÖt nμy cã liªn quan ®Õn kh¶ n¨ng hÊp phô tia tö ngo¹i cña ozon. ¸p xuÊt kh«ng khÝ trong tÇng nμy gi¶m theo ®é cao nh−ng ®Õn ®é cao 20km th× æn ®Þnh, kh«ng gi¶m tiÕp xuèng n÷a. Thμnh phÇn kh«ng khÝ cña tÇng nμy kh¸ gièng tÇng b×nh l−u nh−ng lo·ng h¬n rÊt nhiÒu (<1000 ®Õn 10.000 lÇn).

c. TÇng Trung l−u (Mesosphere). Cã ng−êi cßn gäi lμ tÇng ®iÖn ly: TÇng nμy n»m trªn tÇng b×nh l−u vãi ®é cao thay ®æi tõ 50-80km. ë ®©y çc nguyªn tè chñ yÕu ë d¹ng ion. MËt ®é electron ë tÇng nμy lín. Nguyªn nh©n mËt ®é electron lín lμ do tia tö ngo¹i cña mÆt trêi t¸c dông lªn çc nguyªn tè oxy vμ nit¬ biÕn chóng thμnh çc ion vμ gi¶i phãng ra electron

02 + hν = 02+ + 0

N2 + hν = 02+ + 0

0 + hν = 0+ + 0

c. TÇng Ngo¹i quyÓn (Thermosphere):

TÇng nμy cßn ®−îc gäi lμ tÇng nhiÖt quyÓn hay tÇng ngoμi, n»m trªn tÇng trung l−u vμ lμ n¬i cã nhiÖt ®é t¨ng ®ét nghét. TÇng nμy cã ®é cao kho¶ng trªn 80 km ®Õn kho¶ng 100km. MËt ®é kh«ng khÝ cùc lo·ng vμ ¸p suÊt kh«ng khÝ cùc thÊp. §©y lμ tÇng chuyÓn tiÕp dÇn ra ngoμi kho¶ng kh«ng vò trô.

5.2. Thμnh phÇn ho¸ häc cña khÝ quyÓn

5.2.1. Thμnh phÇn kh«ng khÝ trªn mÆt ®Êt

Trong khÝ quyÓn çc nguyªn tè chñ yÕu ë tr¹ng th¸i khÝ, chóng ph©n bè mét çch tù do vμ lu«n lu«n trao ®æi m¹nh mÏ. Cho ®Õn nay cã thÓ biÕt chÝnh x¸c ®−îc thμnh phÇn ho¸ häc cña tÇng ®èi l−u, cßn ®èi víi çc tÇng kh¸c th× tμi liÖu nghiªn cøu cßn Ýt. Tuy nhiªn, mét sè çc nhμ b¸c häc cho r»ng thμnh phÇn ho¸ häc tõ tÇng b×nh l−u trë lªn tÇng ngo¹i vi (n»m ngoμi tÇng ®iÖn ly) chñ yÕu lμ hªli vμ hy®r«. Mét sè ng−êi kh¸c cho r»ng thμnh phÇn chñ yÕu lμ nit¬ ë d¹ng lo·ng.



118

Riªng tÇng ®èi l−u cã thμnh phÇn ho¸ häc gièng th¹ch quyÓn vμ thuû quyÓn. H¬i n−íc ®−îc bèc h¬i tõ mÆt ®Êt chØ cã ë tÇng nμy. MÆt kh¸c ë tÇng nμy cã mÆt tÊt c¶ çc nguyªn tè cã b¶ng tuÇn hoμn Mendeleep. Tuy nhiªn møc ®é phæ biÕn cña çc nguyªn tè trong khÝ quyÓn rÊt kh«ng ®ång ®Òu. Çc nguyªn tè chñ yÕu cã trong tÇng nμy lμ nit¬ vμ oxy, çc khÝ tr¬ vμ khÝ cacbonic. Cßn çc nguyªn tè kh¸c chØ chiÕm tØ lÖ rÊt nhá (B¶ng 5.2).

H×nh 5.2: Thμnh phÇn khÝ cña çc tÇng trong khÝ quyÓn

Trong tÇng ®èi l−u, oxy lμ mét nguyªn tè ho¹t ®éng ho¸ häc m¹nh, bëi vËy hμnh vi cña nã rÊt phøc t¹p. Oxy kÕt hîp víi hydro t¹o ra n−íc. Oxy cßn tham gia ph¶n øng víi Cacbon t¹o ra çc khÝ cacbonic. L−îng cacbonic nμy tham gia m¹nh mÏ vμo çc qu¸ tr×nh ®Þa hãa vμ ®ãng vai trß quan träng trong viÖc ®iÒu hoμ khÝ hËu trªn tr¸i ®Êt

B¶ng 5.2: Thμnh phÇn kh«ng khÝ trªn mÆt ®Êt cña khÝ quyÓn

Oxy tù do cßn tham gia vμo qu¸ tr×nh h« hÊp cña ®éng vËt ®Ó b¶o tån sù sèng trªn hμnh tinh. §Æc biÖt oxy tham gia vμo çc ph¶n øng oxy ho¸ khö trong



119

vá phong ho¸ t¹o nªn ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho sù di chuyÓnn hoÆc tËp trung cña mét sè kho¸ng s¶n.

Ngoμi çc nguyªn tè kÓ trªn trong tÇng ®èi l−u cßn tån t¹i bôi vò trô, vi sinh vËt, amoniac, cacbon, khÝ thuû ng©n, ièt. §Æc biÖt khÝ cacbonic, nit¬ vμ h¬i n−íc lu«n lu«n trao ®æi m¹nh mÏ víi çc quyÓn kh¸c t¹o ra çc vßng tuÇn hoμn khÐp kÝn cã vai trß lμm c©n b»ng sinh th¸i vμ ®iÒu hoμ khÝ hËu trªn hμnh tinh.

5.2.2. Çc khÝ d−íi ®Êt.

Ranh giíi d−íi cña çc khÝ d−íi ®Êt cã thÓ tíi ®é s©u 60-100km. C¨n cø vμo nguån gèc sinh thμnh khÝ d−íi ®Êt ®−îc chia lμm çc lo¹i khÝ sau (theo V.V.Belouxop):

a- KhÝ cã nguån gèc sinh ho¸

Nã bao gåm çc lo¹i khÝ ®−îc t¹o thμnh trong qu¸ tr×nh ph©n gi¶i hîp chÊt h÷u c¬, trong ®iÒu kiÖn nhÊt ®Þnh d−íi mÆt ®Êt. Th−êng çc khÝ ®−îc t¹o thμnh trong çc m«i tr−êng ph©n huû yÕu nh− ®¸y çc ®Çm hå.

Trong thμnh phÇn, çc khÝ nguån gèc sinh ho¸ cã: metan, cacbonic, nit¬,sufua hydro vμ amoniac. Trong çc thμnh phÇn kÓ trªn th× mªtan vμ cacbonic (CH4, CO2) ®−îc t¹o thμnh chñ yÕu do sù ph©n huû vËt chÊt h÷u c¬. Sù t¹o thμnh nμy kh«ng nhÊt thiÕt ®ßi nhiÖt ®é vμ ¸p xuÊt cao. B»ng thùc nghiÖm Onelianski ®· chøng minh r»ng khi vËt chÊt h÷u c¬ bÞ ph©n huû trong m«i tr−êng nghÌo oxy tr−íc hÕt ph¸t sinh metan vμ khÝ cacbonic.

Cßn çc khi nit¬, sunfua hy®ro, anoniac vμ mét Ýt hyrdo mªtan ®−îc t¹o thμnh do ho¹t ®éng cña mét sè vi khuÈn. Tuy nhiªn sù ho¹t ®éng cña vi khuÈn chÞu ¶nh h−ëng chñ yÕu cña nhiÖt ®é, ®é muèi mét phÇn cøng cña ¸p xuÊt.

b- KhÝ cã nguån gèc kh«ng khÝ

Kh«ng khÝ cã thÓ ®i vμo lßng ®Êt theo çc khe nøt hoÆc cã thÓ hoμ tμn trong n−íc trªn mÆt, råi ngÊm dÇn xuèng s©u. Kh¶ n¨ng hoμ tan kh«ng khÝ trong n−íc phô thuéc vμo nhiÖt ®é, ¸p xuÊt vμ ®é kho¸ng hoa. Bëi vËy cã thÓ lμ n−íc cã ¸p lùc d−íi s©u, çc khÝ ®−îc tho¸t ra thμh pha khÝ riªng biÖt ë tr¹ng th¸i tù do a trong thμnh phÇn çc khÝ th−êng cã kiÓu khÝ nguån gèc nμy kh¸c biÖt víi kh«ng khÝ cña khÝ quyÓn. Nh÷ng ®Æc ®iÓm kh¸c biÖt ®ã lμ: Hμm l−îng oxy gi¶m nhiÒu hoÆc lμ mÊt h¼n, do oxy cã ho¹t tÝnh ho¸ häc cao ®· tham gia vμo çc ph¶n øng oxy ho¸ çc vËt chÊt ë th¹ch quyÓn. L−îng nit¬ vμ khÝ tr¬ vÉn gi÷ nguyªn vμ tØ sè gi÷a chóng lu«n lμ mét h»ng sè: Ar/ N2 = 0.0118. Cã thÓ tØ são nμy thay ®æi chót tÝ do vi khuÈn hÊp thô nit¬. Nh− vËy trªn c¬ së nμy ta cã thÓ ph©n biÖt ®−îc nguån gèc cña nit¬. NÕu nit¬ trªn c¬ së nμy ta cã thÓ ph©n biÖt ®−îc nguån gèc cña nit¬. NÕu nit¬ ®i cïng víi mªtan th× râ rμng nã cã nguån gèc sinh ho¸, nÕu ®i cïng víi khÝ tr¬ nã cã nguån gèc kh«ng khÝ.

c- KhÝ cã nguån gèc ho¸ häc:

Lo¹i khÝ nμy cã thÓ chia thμnh hai nhãm:



120

- Çc khÝ ®−îc thμnh t¹o do çc ph¶n øng ho¸ häc ë ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é, ¸p xuÊt b×nh th−êng trªn mÆt ®Êt.

- Çc khÝ thμnh t¹o d−íi s©u, n¬i cã nhiÖt ®é, ¸p suÊt cao Ýt cã mÆt Oxy trªn mÆt vμ trong ®a sè çc ph¶n øng ho¸ häc t¹o thμnh çc chÊt khÝ cã sù tham gia cña çc sinh vËt. Nh− trªn ta ®· xÐt chóng thuéc nhãm khÝ gèc sinh ho¸.

Çc khÝ cã nguån gèc ho¸ häc ®¬n thuÇn ë trªn mÆt ®Êt cã thÓ t×m thÊy çc vÝ dô nh−: çc dung dÞch axit t¸c dông lªn çc sunfua kim lo¹i ®Ó t¹o thμnh H2S vμ mét sè vÝ dô kh¸c.

Çc khÝ t¹o thμnh ë d−íi s©u do t¸c dông cña t¸c nh©n nhiÖt ®é vμ ¸p suÊt cã thÓ chia tμnh hai lo¹i:

- Çc khÝ cã nguån gèc biÕn chÊt.

- Çc khÝ cã nguån gèc nói löa.

Çc khÝ bÞ biÕn chÊt lμ do t¸c dông cña nhiÖt ®é vμ ¸p suÊt lªn çc ®¸. Khi çc t¸c dông nung nãng th× ®Çu tiªn tho¸t ra khÝ cacbonic tiÕp theo thø tù CO - H2 - CH4 råi çc khÝ axit vμ khÝ nit¬. Çc chÊt khÝ tho¸t ra tõ ®¸ nμy kh«ng ph¶i chñ yÕu cã s½n trong ®¸ mμ do çc ph¶n øng ho¸ häc s¶y ra d−íi t¸c dông cña nhiÖt, vÝ dô do dù ph©n hñy nhiÖt çc ®¸ cacbonat gi¶i phãng khÝ cacbonic.

CaMg (CO3) CaCO3 + MgO + CO2↑

D−íi ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é t¨ng cao, cacbonic t¸c dông lªn oxyt s¾t hai gi¶i phãng ra oxyt cacbon:

3FeO + CO2 To cao Fe3 O4 + CO↑

Còng do chÞu ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é t¨ng cao mμ h¬i n−íc ®· tham gia çc ph¶n øng kh¸c nhau ®Ó gi¶i phãng ra khÝ hy®r« hoÆc H2S vμ khÝ sunfua

3FeO + H2O To cao Fe3 O4 + H2↑

FeS2 + H2O To cao FeO + H2S + S↑

Çc khÝ nói löa cã thμnh phÇn chñ yÕu lμ h¬i n−íc vμ cacbonic sau ®ã lμ SO2, N2, H2, CH4, CO, S, HCl, HF, NH3, Cl, B (OH)3

Thμnh phÇn çc khÝ nμy cßn tuú thuéc vμo qu¸ tr×nh phun lªn vμ nhiÖt ®é.

Sù phô thuéc cña nhiÖt ®é vμo thμnh phÇn khÝ nói löa ®−îc tr×nh bμy trong b¶ng 5.3 (theo Inokyti)

B¶ng 5.3: Quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é vμ thμnh phÇn khÝ nói löa

NhiÖt ®é Çc khÝ

Hîp chÊt l−u huúnh Çc chÊt kh¸c



121

8000-12000C H2S >> SO2 H2, HCl, CO

100-4000C H2S << SO2 H2, HCl, CO (rÊt Ýt)

> 1000C H2S >> SO2 Chñ yÕu khÝ CO2 vμ N2

< 1000C H2S Chñ yÕu khÝ CO2 vμ N2

Së dÜ cã sù biÕn ®æi vÒ thμnh phÇn ho¸ häc trong çc khÝ nói löa lμ v× gi÷a chóng ®· x¶y ra nh÷ng ph¶n øng ho¸ häc rÊt nhanh, nhanh h¬n bÊt k× mét qu¸ tr×nh ®Þa chÊt nμo kh¸c. C©n b»ng gi÷a chóng x¶y ra tøc thêi.

H2S + 2 H2O (khÝ) 3 H2 + SO2 (1)

2 H2 + 2 SO2 1/2 S2 (khÝ) + 2 H2O (khÝ) (2)

H2S H2 + 1/2 S2 (khÝ) (3)

SO2 + H2O SO3 + H2 (4)

2 CO2 + 1/2 S2 (khÝ) 2 CO + SO2 (5)

2 H2S + SO2 3 S (r¾n) + H2O (6)

Trªn ®©y lμ mét lo¹t çc ph¶n øng th−ßng x¶y ra trong çc khÝ nói löa. Tuy nhiªn khi theo dâi ho¹t ®éng cña nói löa Ýt thÊy khÝ H2S (theo Inokyti), bëi v× ë phÇn trªn, khÝ nμy tham gia ph¶n øng (6) ®Ó t¹o thμnh S (r¾n). §iÒu nμy gi¶i thÝch hiÖn t−îng xung quanh miÖng nói löa xuÊt hiÖn kho¸ng s¶n l−u huúnh tù sinh.

d- KhÝ cã nguån gèc phãng x¹:

Khi cã nguån gèc phãng x¹ chñ yÕu lμ He, Ar, Tu, Th, chóng ®−îc thμnh t¹o do sù ph©n huû m¹nh cña u, Th, Ra, Sm�

Radon vμ Th«ri lμ çc khÝ phãng x¹ do ®ã chóng l¹i tiÕp tôc ph©n huû t¹o thμnh çc nguyªn tè kh¸c.

Hªli lμ khÝ bÒn v÷ng, ph©n t¸n mäi n¬i trong vá tr¸i ®Êt. Hªli ®−îc gi¶i phãng trong çc ®¸ axit nhiÒu h¬n. Nã lμ s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh phãng x¹ cña U238, U235 , U232:

U238 Pb238 + He

U235 Pb207 + He

U232 Pb208 + He



122

Hªli trong th¹ch quyÓn tån t¹i trong çc kho¸ng vËt vμ ®−îc gi¶i phãng khi çc kho¸ng vËt bÞ ph¸ huû. Trong thùc tÕ nÕu gÆp ®ång khÝ hªli cã hμm l−îng tõ n % trë lªn, ta cã thÓ coi lμ kho¸ng sμng hªli.

Khi cã nguån gèc phãng x¹ cßn ph¶i kÓ ®Õn Ar. KhÝ Ar lμ s¶n phÈm phãng x¹ cña hªli.

K40 + Ar (qu¸ tr×nh chiÕm e ë líp K)

5.4. Vai trß ®Þa ho¸ cña çc tæ phÇn chÝnh trong khÝ quyÓn.

Nghiªn cøu nh÷ng ®Æc ®iÓm vμ thμnh phÇn ho¸ häc cña khÝ quyÓn trªn mÆt ®Êt vμ d−íi mÆt ®Êt, gióp ta gi¶i quyÕt mét vÊn ®Ò quan träng cña ®Þa ho¸ häc vμ sù di chuyÓn cña çc nguyªn tè ë tr¹ng th¸i khÝ - Tr¹ng th¸i chuyÓn ®éng tù do. MÆt kh¸c toμn bé lÞch sö tr¸i ®Êt cã liªn quan ®Õn sù khö khÝ cña çc tÇng s©u ®Ó t¹o nªn thuû quyÓn vμ khÝ quyÓn. ChÝnh ®ã lμ c¬ së ®Ó nghiªn cøu çc vμnh ph©n t¸n khÝ, gi¶i thÝch nguyªn nh©n thμnh t¹o çc vμnh ph©n t¸n cã kÝch th−íc lín cña Hg, As vμ lμ c¬ së cña ph−¬ng ph¸p khÝ ho¸ t×m ra çc kho¸ng vμng, tr−íc hÕt lμ dÇu má, khÝ ®èt vμ çc quÆng phãng x¹.

5.4.1. Ni t¬

Ni t¬ lμ tæ phÇn chÝnh trong khÝ quyÓn cña tr¸i ®Êt, chiÕm 78,08% thÓ tÝch khÝ quyÓn. Ni t¬ tån t¹i trong khÝ quyÓn chñ yÕu ë d¹ng N2, ngoμi ra cßn ë çc d¹ng hîp chÊt kh¸c nh− amoniac (NH4) , NOx... MÆc dï gÇn nh− ë tr¹ng th¸i “Tr¬’ trong kh«ng khÝ, nh−ng çc hîp chÊt cña Ni ®ãng vai trß cùc kú quan trong trong hÖ sinh th¸i, nhÊt lμ ®èi víi çc ®éng vËt bËc cao nh− con ng−êi (çc hîp chÊt ®¹m cã thμnh phÇn chñ yÕu lμ Ni t¬). Tæng céng l−îng Ni t¬ tù do trong khÝ quyÓn kho¶ng 3,850. 1015 tÊn, Ni t¬ oxit (N2O) kho¶ng 1,9.109, l−îng NO2 kho¶ng 8.000.000 tÊn. Chu tr×nh tuÇn hoμn cña Ni t¬ ®−îc thÓ hiÖn ë h×nh 5.2, 5.3.

H×nh 5.3: Chu tr×nh cña Ni t¬ trong tù nhiªn



123

H×nh 5.4: Ph−¬ng thøc di chuyÓn cña Ni trong tù nhiªn

H×nh 5.5: Chu tr×nh Ni t¬ trong tù nhiªn

Trong kh«ng khÝ khi cã m−a gi«ng, d−íi t¸c dông cña tia chíp N kÕt hîp

víi O t¹o thμnh khÝ NO vμ sau ®ã thμnh NO2 theo ph¶n øng sau: N2 + O2 Tia chíp 2NO 2NO + O2 = 2NO2

D−íi t¸c dông cña çc ph¶n øng quang hãa, NO2 chuyÓn thμnh NO3 råi hoμ tan vμo n−íc m−a. §©y chÝnh lμ nguåm ph©n ®¹m kÝch thÝch thùc vËt ph¸t triÓn sau çc c¬n m−a ®Çu mïa (th−êng kÌm theo sÊm chíp).



124

Ngoμi ra mét l−îng lín Ni tù do trong khÝ quyÓn còng ®i vμo sinh quyÓn th«ng qua çc lo¹i vi khuÈn cè ®Þnh ®¹m (t−¬ng tù bÌo hoa d©u) theo çc ph¶n −mngs sau:

2N2 + 6H2O 4NH3 + 3O2 Dßng ng−îc cña N ®i tõ sinh quyÓn trë l¹i khÝ quyÓn th«ng qua qu¸ tr×nh

ph©n hñy chÊt h÷u c¬ gi¶i phãng ra NH3 . Do ®ã ë tÇng thÊp cña khÝ quyÓn N2O lμ d¹ng khÝ chøa Ni t¬ phæ biÕn nhÊt. Chu tr×nh Ni t¬ cã thÓ kh¸i qu¸t ë h×nh 5.

5.4.2. O xy

O xy lμ tæ phÇn chÝnh thø 2 cña khÝ quyÓn sau Ni t¬. O xy tù do chiÕm 20,94% thÓ tÝch khÝ quyÓn víi tæng khèi l−îng kho¶ng 1,18. 1015 tÊn. Ngoμi ra o xy cßn tån t¹i d−íi d¹ng çc oxit cña cacbon, ni t¬, l−u huúnh...

O xy ®ãng vai trß tèi quan träng ®èi víi trao ®æi chÊt cña çc sinh vËt. Nhu cÇu sö dông o xy cho thùc vËt vμ ®éng vËt chiÕm phÇn lín nhu cÇu sö dông o xy cña khÝ quyÓn. Çc thùc vËt hót khÝ CO2 vμ nh¶ ra o xy (qu¸ tr×nh quang hîp). ®iÒu ®ã gãp phÇn rÊt lín vμo c©n b»ng o xy trong khÝ quyÓn. Chu tr×nh vμ çc ph−¬ng thøc di chuyÓn cña o xy trong tù nhiªn ®−îc thÓ hiÖn ë h×nh 5.6 vμ 5.7.

ChÝnh v× o xy gi÷ mét vai trß quan träng nh− vËy nªn viÖc suy gi¶m o xy trong kh«ng khÝ dÉn ®Õn hËu qu¶ hÕt søc nÆng nÒ ®èi víi ho¹t ®éng sèng cña sinh vËt. ®Æc biÖt viÖc o xy ho¸ cacbon t¹o thμnh dioxit cacbon sÏ thøc ®Èy hiÖu øng nhμ kÝnh ph¸t triÓn nhanh ®Ó l¹i nh÷ng hËu qu¶ kh«ng l−êng tr−íc ®−îc vÒ m«i tr−êng sinh th¸i khi hËu toμn cÇu Êm lªn (theo tÝnh to¸n nÕu kh«ng cã biÖn ph¸p ng¨n chÆn sÏ g©y thiÖt h¹i hμng n¨m 7000 tû USD).

H×nh 5.6: Chu tr×nh cña Oxy trong tù nhiªn



125

H×nh 5.7: Vßng tuÇn hoμn cña Oxy vμ Cacbon trong tù nhiªn

H×nh 5.8: Çc d¹ng biÕn ®æi cña oxy vμ cacbon trong tù nhiªn

Trong khÝ quyÓn cÇn l−u ý vai trß cña mét lo¹i ph©n tö khÝ O xy lμ Ozon (O3). KhÝ nμy chiÕm mét tû lÖ nhá trong tÇng ®èi l−u nh−ng l¹i tËp trung nhiÒu ë tÇng b×nh l−u (90% tËp trung ë ®é cao tõ 18-23km). KhÝ o zon ë ®©y ®−îc h×nh thμnh do t¸c dông cña tia tö ngo¹i cña mÆt trêi:



126

O + O2 Tia tö ngo¹i O3

Ozon cã kh¶ n¨ng o xy ho¸ cao nªn còng lμ chÊt « nhiÔm nÕu nång ®é v−ît qua giíi h¹n cho phÐp (®èi víi con ng−êi <0,2ppm, ®èi víi thùc vËt <0,05ppm). Tuy v©y ë trªn cao tÇng ozon lμ líp ¸o gi¸p b¶o vÖ con ng−êi khái tia tö ngo¹i cña mÆt trêi. HiÖn nay cã lç thñng rÊt lín trªn tÇng ozon ë Nam cùc ®ang ®e do¹ nghiªm träng ®Õn m«i tr−êng sinh th¸i. Ozon dÔ bÞ HO, NO vμ çc nguyªn tö Cl hay F ph¸ hñy.

5.4.3. Cac bon

Trong khÝ quyÓn cacbon tån t¹i chñ yÕu d−íi d¹ng khÝ cacbonic (CO2) ví tû lÖ 0,035% vμ khèi l−îng kho¶ng 2,5.1012 tÊn. KhÝ cacbonic lμ s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt (h« hÊp) cña sinh vËt, s¶n phÈm cña çc qu¸ tr×nh ®èt nhiªn liÖu còng nh− çc ph¶n øng kh¸c xÈy ra trong tù nhiªn.

Cacbon monoxit (CO) lμ mét chÊt g©y « nhiÔm rÊt phæ biÕn trong tÇng ®èi l−u. Nguån sinh ra Co chñ yÕu lμ çc ph¶n øng ph©n hñy metan gi¶i phãng ra Co vμ n−íc qua mét lo¹t chuçi ph¶n øng phøc t¹p. Nång ®é Co trong khÝ quyÓn −íc kho¶ng 0,12-0,15ppm.

H×nh 5.9: Chu tr×nh cac bon trong tù nhiªn

5.4.4. L−u huúnh

L−u huúnh lμ mét nguyªn tè cã vai trß ®Þa hãa rÊt quan träng ®èi víi hμng lo¹t kho¸ng s¶n. Trong khÝ quyÓn S tån t¹i chñ yÕu d−íi d¹ng SO2 víi tû lÖ 1.10-

6% vãi khèi l−îng kho¶ng 46 triÖu tÊn. Ngoμi ra chóng cßn tån t¹i ë d¹ng H2S, SO3, H2SO4... víi tæng khèi l−îng kho¶ng 272 TriÖu tÊn.



127

L−u huúnh ®i vμo trong khÝ quyÓn cã nguån gèc chñ yÕu lμ tõ çc nói löa phun vμ çc sinh vËt bÞ ph©n hñy. Çc nghiªn cøu cho biÕt çc lo¹i vi khuÈn khö l−u huúnh ®· cã mÆt trªn tr¸i ®Êt tõ 2 tû n¨m tr−íc. Ngμy nay çc ho¹t ®éng cña con ng−êi còng lμ nguån ph¸t th¶i S quan träng. H2S trong kh«ng khÝ lμ mét nguån g©y « nhiÔm vμ lμ nguån t¹o thμnh anhydrit sunpur¬ theo ph¶n øng:

H2S + O2 (hoÆc O 3) = H2O + SO2

§Õn l−ît m×nh anhydrit sunpur¬ sÏ kÕt hîp víi n−íc t¹o thμnh axit sunphuric trong çc trËn m−a a xit theo ph¶n øng sau:

SO2 + 1/2 O2 + H2O H2SO4

H×nh 5. 10. Chu tr×nh sunphua trong khÝ quyÓn

Theo çc kÕt qu¶ nghiªn cøu SO2 ®ãng vai trß chñ yÕu trong çc trËn m−a a xit mÆc dï hμm l−îng cña chóng thÊp h¬n CO2 rÊt nhiÒu. Çc trËn m−a a xit x¶y ra ngμy cμng th−êng xuyªn ë Hoa Kú, T©y ¢u, Trung Quèc... g©y nh÷ng hËu qu¶ rÊt lín vÒ kinh tÕ vμ m«i tr−êng.



128

Ch−¬ng VI:

Sinh quyÓn

6.1. Kh¸i qu¸t chung vÒ sinh quyÓn:

6.1.1. §Þnh nghÜa

Sinh quyÓn lμ phÇn vá ngoμi tr¸i ®Êt trong ®ã cã sù sèng bao gåm toμn bé thuû quyÒn, tÇng ®èi l−u, vμ phÇn trªn cña th¹ch quyÓn. Theo çc kÕt qu¶ tÝnh to¸n, sinh khèi trªn tr¸i ®Êt trung b×nh vμo kho¶ng 3,6kg/m2.

Theo thèng kª tæng sinh khèi trªn tr¸i ®Êt kho¶ng chõng 75 tû tÊn. Trong ®ã sinh khèi cña loμi ng−êi kho¶ng chõng 250 triÖu tÊn (0,33%), Gia sóc kho¶ng chõng 700 triÖu tÊn (1%), Ngò cèc kho¶ng chõng 2000 triÖu tÊn (2,7%), cßn l¹i lμ çc loμi c©y vμ rong t¶o...

6.1.2. Ranh giíi cña sinh quyÓn

Sinh vËt ®ßi hái ®iÒu kiÖn sèng nhÊt ®Þnh nh− nhiÖt ®é, ®é Èm, muèi. Cho ®Õn nay ng−êi ta x¸c ®Þnh ®−îc nhiÖt ®é thÊp nhÊt mμ vi sinh vËt biÓn sèng ®−îc lμ - 7.5 0C vμ nhiÖt ®é cao nhÊt lμ + 850C. §iÒu nμy chøng tá r»ng, ranh giíi d−íi lμ ®¸y ®¹i d−¬ng, ë lôc ®Þa, ranh giíi d−íi ë ®é s©u 3-4 km. Ranh giíi trªn kh«ng v−ît qu¸ 50 km.

H×nh 6.1. M« h×nh hãa sinh quyÓn



129

6.1.3. Sù ph©n bè cña sinh vËt

Tæng khèi l−îng cña sinh vËt vμo kho¶ng 2.4.1012 tÊn, khèi l−îng nμy tËp trung ®a sè ë vi sinh vËt vμ phï du.

KÝch th−íc cña sinh vËt rÊt kh¸c nhau (kÓ c¶ thùc vËt vμ ®éng vËt), tõ kÝch th−íc cña vi khuÈn ®o b»ng micromet ®Õn çc sinh vËt khæng lå nh− rong biÓn dμi 300m hoÆc nh÷ng c©y cao 150m råi c¶ voi dμi 35m. Ng−êi ta dùa vμo ph−¬ng thøc hÊp thô vËt chÊt, quan hÖ m«i tr−êng, chia ra çc lo¹i:

a- Sinh vËt: S¶n xuÊt, ®ai bé phËn lμ c©y xanh. Lo¹i sinh vËt nμy chuyÓn ho¸ quang n¨ng thμnh ho¸ n¨ng. N¨ng l−îng nμy ®−îc tËp trung trong c¶ chÊt h÷u c¬ (gluxit, protit, lipit) tæng hîp tõ çc chÊt kho¸ng cã trong m«i tr−êng v« sinh chung quanh.

b- Sinh vËt tiªu thô: Lo¹i nμy ®−îc chia lμm ba nhãm

Nhãm 1: Gåm çc sinh vËt tiªu thô trùc tiÕp çc sinh vËt s¶n xuÊt. Nhãm nμy ®a sè lμ çc ®éng vËt ¨n cá, ¨n c¬ thÓ sinh vËt s¶n xuÊt.

Nhãm 2: (sinh vËt tiªu thô bËc hai): ¨n çc sinh vËt tiªu thô bËc mét. Chóng t«i gåm çc ®éng vËt ¨n thÞt, ¨n çc ®éng vËt ¨n ¨n cá.

Nhãm 3: (Sinh vËt tiªu thô bËc ba): ¨n çc sinh vËt tiªu thô bËc hai. §ã lμ çc ®éng vËt ¨n thÞt, ¨n çc ®éng vËt ¨n thÞt kh¸c.

c- Çc sinh vËt: ph©n huû çc chÊt h÷u c¬ hoÆc çc sinh vËt ho¹i sinh, ¨n çc x¸c chÕt hay ph©n vμ huû chóng. Nhãm nμy chñ yÕu lμ çc sinh vËt ho¹i sinh, bao gåm tÊt c¶ çc loμi vi khuÈn vμ nÊm.

Ng−êi ta thÊy r»ng sinh vËt chñ yÕu tËp trung ë phÇn ranh giíi cña çc quyÓn kh¸c nhau. Theo quan ®iÓm ®Þa ho¸ häc th× sinh quyÓn ®ãng vai trß quan träng c©n b»ng ho¸ ®éng häc, ®Æc biÖt ®èi víi ç nguyªn tè lithofil. C, O, N, H, S, P.

Nghiªn cøu sù ph©n bè cña sinh vËt theo thêi gian ng−êi ta thÊy r»ng: Sinh vËt xuÊt hiÖn tõ tr−íc Cambri - 3.6 tØ n¨m (dùa vμo dÊu vÕt cña t¶o dÓ l¹i trong çc ®¸ tiÒn Cambri). Nh−ng chØ Cambri trë l¹i ®©y, cïng víi sù tiÕn ho¸ cña tr¸i ®Êt, sinh vËt ph¸t triÓn nh− vò b·o.

6.2. Thμnh phÇn ho¸ häc cña sinh quyÓn:

6.2.1 CÊu t¹o sinh vËt: KÕt qu¶ ph©n tÝch çc sinh vËt ®· chØ ra r»ng ®a sè çc sinh vËt cã thμnh phÇn nguyªn tè chñ yÕu lμ C, O, H, N hay nãi çch kh¸c: Sinh vËt nãi chung, bÊt kÓ loμi, gièng vμ ®iÒu kiÖn tån t¹i nh− thÕ nμo ®Òu ®−îc cÊu t¹o chñ yÕu tõ çc hîp chÊt h÷u c¬ víi thμnh phÇn çc nguyªn tè: C, O, H, N. Çc hîp chÊt h÷u c¬ ®ã lμ: ®−êng, axit bÐo – CnH2n + 1- COOH, Anbumin NH2 - CH2 - C - O/OH, çc axit nucleion (AND, ARN).

6.2.2. Thμnh phÇn nguyªn tè:



130

Theo Vinogradop, sinh vËt lμ hîp chÊt cña oxy giμu çcbon. Oxy cã hμm l−îng lín nhÊt sau ®ã ®Õn cacbon, hy®ro (b¶ng 6.1)

B¶ng 6.1: Thμnh phÇn ho¸ häc trung b×nh trong sinh vËt

Nguyªn tè

% Nguyªn tè

% Nguyªn tè

% Nguyªn tè

%

O 70.0 Na 2.10-2 F 5.10-4 As 3.10-15

C 18.0 CL 2.10-2 Zn 5.10-4 Co 2.10-5

H 10.5 Fe 1..10-2 Rb 5.10-4 Li 1.10-5

Ca 0.5 Al 5.10-3 Cu 2.10-4 Mo 1.10-5

K 0.3 Ba 3.10-3 V n.10-4 Y 1.10-5

N 0.3 Sr 2.10-3 Cr n.10-4 Cs 1.10-5

Si 0.2 Mn 1.10-3 Rr 1.10-4 Se 1.10-5

Mg 4.10-2 B 1.10-3 Ge 1.5.10-4 U 1.10-6

P 7.10-2 Tr n.10-3 Ni 5.10-5 Hg n.10-7

S 5.10-2 Ti 8.10-4 Pb 5.10-5 Ra n.10-12

Hμm l−îng çc nguyªn tè trong sinh quyÓn ®−îc chia ra lμm ba nhãm sau: vÜ nguyªn tè (nguyªn tè cã khèi l−îng lín), vi nguyªn tè (nguyªn tè cã khèi l−îng nhá) vμ siªu vi nguyªn tè (nguyªn tè cã khèi l−îng cùc nhá) (b¶ng 6.2):

B¶ng 6.2: Ph©n nhãm hμm l−îng çc nguyªn tè trong sinh quyÓn

Nhãm nguyªn tè Thang hμm l−îng Nguyªn tè

VÜ nguyªn tè

n.101

1.10-1

10-1 - 1

10-2 - 10-1

O,C

H

Ca, K,N,Si

Mg,P,S,Fe,Na,Cl

Vi nguyªn tè

10-3 - 10-2

10-4 -10-3

10-5 -10-4

Al,Cr,Mn,Cu

I,As,Bo,F,Pb,Ti,Va,Ci,Tr

Ag,U,Ba,Th,Co

Siªu vi nguyªn tè

10-6 - 10-5

10-7 -10-6

10-12 -10-7

Au,Rb

Se,U,Hg

Rn.Ra

Trong sinh vËt cßn cã mét lo¹t çc nguyªn tè cã hmμ l−îng kh«ng cè ®Þnh l¾m, co thÓ trong mét lo¹t ç thÓ sinh vËt chóng cã mÆt víi khèi l−îng ®¸ng kÓ nhung l¹i hÇu nh− kh«ng cã mÆt trong çc lo¹t ca sthÓ sinh vËt kh¸c.



131

Nh×n vμo b¶ng hμm Râ rμng çc nguyªn tè litofil chiÕm chñ yÕu trong sinh vËt, chóng cã vai trß cÊu thμnh nªn sinh vËt vμ quyÕt ®Þnh tr¹ng th¸i sinh lý cña sinh vËt. Mét sè çc nguyªn tè kh¸c cã hμm l−îng nhá h¬n nh÷ng còng ®ãng vai trß quan träng ®èi víi sinh vËt nh−: coban (Co) - t¹o nªn çc hång cÇu, silic (Si) - nguyªn tè chñ yÕu t¹o nªn khung x−¬ng.

Thμnh phÇn hãa häc vμ hμm l−îng giíi h¹n cña çc tæ phÇn trong c¬ thÓ con ng−êi ®−îc giíi thiÖu ë b¶ng 6.3 vμ 6.4.

B¶ng 6.3: Çc nguyªn tè chÝnh trong vá tr¸i ®Êt vμ trong c¬ thÓ con ng−êi

TT Nguyªn tè HL trong vá Tr¸i ®Êt (%) HL trong c¬ thÓ con ng−êi (5)

1 O 46,6 65,4

2 Si 27,7 60.10-6

3 Fe 5,0 260.10-6

4 Ca 3,6 1,4

5 Na 2,8 0,14

6 K 2,6 0,34

7 Mg 2,1 0,5

B¶ng 6. 4: BËc hμm l−îng cña mét sè nguyªn tè trong c¬ thÓ con ng−êi

TT Ph©n lo¹i Hμm l−îng Çc nguyªn tè

1 Nguyªn tè chÝnh

3-65% C (18), H (10), N (3), O (65)

2 Nguyªn tè phô 0,1-1% Ca (1,4), Cl (0,14), K (0.43), Mg (0,5), Na (0,14), P, S (0,26)

3 Nguyªn tè vÕt <100mg/kg (<10-4)

As (0,26), Br (2,9), Co (0,021), Cr (0,094), Cu (1,0), F (37), Fe (60), I (0,019), Li (0,009), Mn (0,17), Mo (0,08), Ni (0,14), Se (0,11), Si (260), Sn (0,24), V (0,11) W (0,008), Zn (33)



132

B¶ng 6.5: Giíi h¹n hμm l−îng cña çc nguyªn tè vÕt trong c¬ thÓ con ng−êi.

B¶ng 6.6: Çc bÖnh do thiÕu hôt hμm l−îng hoÆc do tÝnh ®éc cña mét sè nguyªn

tè vÕt trong c¬ thÓ con ng−êi.

TT Nguyªn tè BÖnh do thiÕu hôt BÖnh do thiÕu hôt

1 Cr Rèi lo¹n trong trao ®æi chÊt glucoza

Lμm háng thËn (Nephritis)

2 Co BÖnh thiÕu m¸u (Anemia) , bÖnh “gan tr¾ng)

Trôy tim

3 Cu BÖnh thiÕu m¸u, chËm lín, gi¶m tñy x−¬ng

BÖnh nhiÔm ®éc ®ång ®Æc h÷u

4 Fe ThiÕu m¸u BÖnh hång cÇu

5 Mg Co th¾t, X−¬ng yÕu

6 Se Ho¹i tö gan Lo¹n d−ìng çc c¬ b¾p, bÖnh lo¹n nhÞp tim

7 Zn Cßi x−¬ng, c¬ quan sinh dôc chËm ph¸t triÓn

BÖnh “ sèt kim lo¹i”???

8 As SÇn da, ung th− da

F BÖnh vÒ r¨ng BÖnh vÒ x−¬ng vμ r¨ng

I BÖnh b−íu cæ



133

6.3. Quang hîp vμ tiÒm n¨ng ®Þa ho¸:

6.3.1. Quang Hîp:

Lμ qu¸ tr×nh biÕn n¨ng l−îng mÆt trêi thμnh ho¸ n¨ng.

CO2 + H2O mÆt trêin¨ng l−îng VËt chÊt h÷u c¬

Qu¸ tr×nh quang hîp cña c©y xanh ®−îc thùc hiÖn nhê chÊt diÖp lôc.

CO2 + H2O (H - C - H) + H2O + O2

Nh×n chung qu¸ tr×nh quang hîp cña c©y xanh lμ phøc t¹p. Nghiªn cøu thμnh phÇn ®ång vÞ cña oxy t¹o thμnh do quang hîp cho thÊy r»ng oxy ®−îc t¹o thμnh do ph©n huû H2O chø kh«ng ph¶i tõ Cacbonic cßn oxy cña CO2 th× t¹o nªn çc hîp chÊt h÷u c¬. Qu¸ tr×nh quang hîp c©y xanh tÝch luü n¨ng l−îng mÆt trêi trong s¶n phÈm.

VÝ dô qu¸ tr×nh quang hîp ®¬n gi¶n nhÊt lμ t¹o ®−êng Glucoza.

6 CO2 + 6 H2O + 2 F 22KJ C6 H12O6 + 6O2

H×nh 6.2: M« h×nh hãa çc qu¸ tr×nh quang hîp cña thùc vËt



134

6.2.2. TiÒm n¨ng ®Þa ho¸ cña qu¸ tr×nh quang hîp:

Quang hîp x¶y ra trªn toμn bé tr¸i ®Êt vμ t¹o ra mét sè hiÖu qu¶ rÊt lín vÒ mÆt ®Þa ho¸, hiÖu qu¶ nμy chÝnh lμ tæng l−îng cacbon hμng n¨m ®i vμo sinh vËt. L−îng cacbon nμy ch−a ®−îc x¸c ®Þnh chÝnh x¸c. Th−êng mçi hecta c©y xanh hμng n¨m tiÕp nhËn 1.2 tÊn cacbon. Cßn thùc vËt d−íi biÓn hÊp thô 70.109 tÊn cacbon/n¨m. Râ rμng cacbon ®i vμo çc chu t×nh sinh häc ë biÓn lμ chñ yÕu, m«t phÇn nhá ë lôc ®Þa. Tõ ®ã cã thÓ kÕt luËn lμ ®¹i d−¬ng chÝnh lμ nguån s¶n sinh chñ yÔu cña oxy trong khÝ quyÓn. §ång thêi còng thÊy mét khèi l−îng lín CO2 dïng trong qu¸ tr×nh quang hîp ®Ó t¹o ra hîp chÊt h÷u c¬ vμ oxy tù do.

Trong qu¸ tr×nh quang hîp cßn cã sù tham gia hoÆc trùc tiÕp hoÆc gi¸n tiÕp cña çc nguyªn tè sinh quyÓn: N,P,S vμ çc kim lo¹i: K,Si,Ca,Mg,Na. Theo tÝnh to¸n th× hμng n¨m qu¸ tr×nh quang hîp ®· hÊp thô 1.14.109 tÊn nit¬ vμ 2.6.109 tÊn photpho. TÊt c¶ çc ®iÒu nμy cho ta thÊy tiÒm n¨ng ®Þa ho¸ cña qu¸ tr×nh quang hîp lμ rÊt lín.

H×nh 6.3: Chu tr×nh Calvin h×nh thμnh ®−êng glucoza tronghùc vËt

6.4. Sù ph©n huû çc hîp chÊt h÷u c¬:

Sù ph©n huû çc hîp chÊt h÷u c¬ x¶y ra do t¸c dông cña oxy tù do lªn çc hîp chÊt h÷u c¬ vμ t¹o ra çc s¶n phÈm ph©n huû. Qu¸ tr×nh ph©n huû ng−îc l¹i víi qu¸ tr×nh quang hîp vμ ®−îc biÓu diÔn nh− sau:

n CH2O + n O2 n CO2 + n H2O



135

Çc qu¸ tr×nh ph©n huû vËt chÊt h÷u c¬ x¶y ra khi çc sinh vËt bÞ chÕt. Qu¸ tr×nh ph©n huû cã thÓ x¶y ra ë trªn mÆt ®Êt, gi¶i phãng ra cacbonic ®Ó cung cÊp cho qu¸ tr×nh quang hîp, hoÆc ë d−ãi ®Êt: vËt chÊt h÷u c¬ bÞ ch«n vïi sau ®ã bÞ ph©n huû. Qu¸ tr×nh ph©n huû vËt chÊt h÷u c¬ bÞ ch«n vïi t¹o ®iÒu kiÖn thμnh t¹o ®¸ cacbonat hoÆc than tuú tõng tr−êng hîp tæ phÇn h÷u c¬ chiÕm nhiÒu hay Ýt trong çc trÇm tÝch bÞ ch«n vïi.

PhÇn ®äc thªm



136

Documents

Baigiangdiahoa Chuong 5-6 Khi Quyen-Sinhquyen 8-2009