Геохимия городских ландшафтов

20. Геохимическая классификация химических элементов

Классификация в любой науке обобщает и отражает современные взгляды и свидетельствует о развитии данного научного направления. Цель классификации объектов – суммирование знаний на определенном этапе развития науки, выявление взаимосвязей между объектами, отражение эволюции и на основе этого объединение изучаемых объектов по определенным критериям в таксоны.

В основе любой геохимической классификации элементов лежит Периодическая система Д. И. Менделеева. Положение элемента в таблице указывает на его геохимические свойства, т. е. способность мигрировать, рассеиваться или концентрироваться в определенных усло­виях ландшафта.

В настоящее время в геохимии известны классификации элементов В. М. Гольдшмидта, А. Е. Ферсмана, В. И. Вернадского, А. Н. Заварицкого, а в геохимии ландшафта – А. И. Перельмана, Е. В. Склярова и др. Классификации А. Е. Ферсмана и А. Н. Заварицкого основаны на поведении элементов в гипогенных условиях (магматических, метаморфических); В. М. Гольдшмидта и В. И. Вер­надского отражают поведение элементов в гипо- и гипергенных условиях [39].

По А. Н. Заварицкому [40], в Периодической системе выделено 10 блоков, в которые входят близкие в геохимическом отношении химические элементы: благородные газы; горных пород (Na, Mg, Si, Al, Ca, Li, Be, Rb, Sr, Cs, Ba); магматических эманаций (B, F, Cl, S, P, O, C, N); группы железа (Fe, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni); редкие (Nb, Ta, Sc, Y, Mo, Hf, W); радиоактивные; металлических руд (Cu, Zn, Sn, Hg, Ag, Au, Ga, Cd, In, Pb); металлоидные и металлогенные (As, Sb, Bi, Te, Se); группы платины; тяжелые галоиды (Br, J).

По способности создавать определенные химические соединения в природе и концентрироваться в среде В. М. Гольдшмидт [7] разделил элементы на пять групп: литофилы (оксифилы), халькофилы, сидерофилы, атмофилы, биофилы. Литофилы образуют кислородные соединения, их ионы имеют 8-электронную оболочку. К ним относятся (Si, Fe, Ti, Cl, Br, В, Al, Ca, Mg и др.) всего 54 элемента. Для халькофилов характерно взаи­модействие с серой и ее аналогами – селеном, теллуром. Внешняя оболочка катионов имеет 18-электронную конфигурацию (Сu, Zn, Pb, Cd, Fe, Co и др.). Природные соединения образуют сульфиды. Сидерофилы (Ni, Mo, Ni, Со, Os, Pd, Ir, Pt, Au Та и др.) в расплавах соединяются с железом. Они представлены атомами, которые образуют переходные ионы с внешней оболочкой 9–17-электронной конфигурации. Атмофилы характерны для атмосферы, их атомы имеют электронную конфигурацию инертных газов (2- и 8-электронную). Биофилы (С, Н, О, N, Р, S, Cl, Na, Ca, Mg, Fe и др.) концентрируются в живых организмах с образованием различных соединений. Однако в классификации В. М. Гольдшмидта некоторые элементы сочетают в себе свойства сидерофилов и халькофилов (Со), халькофилов и литофилов (Fe).

В основу геохимической классификации В. И. Вернадский [27] положил историю поведения химического эле­мента в земной коре. В соответствии с этим все элемен­ты разделены им на шесть групп: 1) благородные газы Не, Ne, Ar, Кг, Хе; 2) благородные металлы Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt; 3) циклические элементы Н, Be, В, С, N, О, F, Na, Mg и др. (всего 44); 4) рассеянные Li, Sc, Ga, Br, Rb, Y, In, I, Cs; 5) сильно радиоактивные Ро, Nt, Ra, Ac, Th, Pa, U; 6) редкие земли La, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu.

Классификация химических элементов, составленная А. И. Перельманом [41], соответствует их поведению в усло­виях зоны гипергенеза. В основу классификации поло­жены интенсивность, контрастность, виды миграции эле­ментов в различных геохимических обстановках, а так­же их свойства и кларки. Химические элементы разделе­ны на две основные группы по форме миграции: воздушные и водные. Из активных воздушных мигрантов в основном состоят живое вещество, природные воды. Поведение активных воздушных мигрантов определяется в значительной степени о рН и Eh природных вод. Пассивные воздушные мигранты не играют существенной роли в ландшафте, они не образуют химических соединений. Водные мигранты делятся на анионогенные и катионогенные, поведение которых в ландшафте определяются свойствами самих элементов и геохимическими условиями среды (Eh и pH). Каждая выделенная группа представляет собой парагенную ассоциацию элементов, осаждающихся на геохимических барьерах. В пределах групп химические элементы расположены по убыванию кларка. При сходных химических свойствах чем выше кларк, тем больше геохимическая роль элемента. Для групп химических элементов приведены коэффициенты водной миграции. Наиболее активно мигрируют хлор и бром, сера. На порядок ниже миграция у Ca, Na, Mg, Sr, Ra, F, B. Коэффициент водной миграции меньше единицы характерен у остальных химических элементов. Самые низкие коэффициенты водной миграции 0,1–0,01 у химических элементов Al, Ti, Cr, Ce, Nd, Y, La, Ga, Th, Sc, Sm, Gd, Dy, Tb, Fr, Tm, Ho, Eu, Lu Yb, In, Bi, Zn, Nb, Ta, W, Hf, Te. Практически не мигрируютэлементы группы платины и золота. Особенности миграции отражены в приведенной ниже схеме.

ВОЗДУШНЫЕ МИГРАНТЫ
Активные (образуют химические соединения): O, H, C, N, I	Пассивные (не образуют химических соединений): Ar, He, Ne, Kr, Rn
ВОДНЫЕ МИГРАНТЫ
Катионогенные	Анионогенные
1. Очень подвижные (Kx = n (10 – 100)):
нет	с постоянной валентностью: Cl, Br
нет	с переменной валентностью: S
2. Подвижные с постоянной валентностью (Kx = n (1 – 10)):
Ca, Na, Mg, Sr, Ra	F, B
3. Слабоподвижные с постоянной валентностью (Kx = n (0,1 – 1)):
K, Ba, Rb, Li, Be, Cs	Si, P
с переменной валентностью:
Tl	Ge, Sn, Sb, As
4. Подвижные и слабоподвижные в окислительной и восстановительной глеевой обстановках (Kx = n (0,1 – 1)) и инертные в восстановительной сероводородной обстановке (Kx < 0, n); осаждаются на сероводородном барьере:
Хорошо мигрируют в кислых водах окислительной и восстановительной глеевой обстановках и осаждаются на щелочном барьере: Zn, Cu, Ni, Pb, Cd	нет
Мигрируют в кислых и щелочных водах окислительной обстановки: Hg, Ag	нет
5. Подвижные и слабоподвижные в окислительной обстановке (Kx = n 0,1 – 1) и инертные в восстановительной (глеевой и сероводородной) обстановке; осаждаются на сероводородном и глеевых барьерах:
нет	V, Mo, Se, U, Re
6. Подвижные и слабоподвижные в восстановительной глеевой обстановке (Kx = (0,n – n)) и инертные в окислительной и восстановительной сероводородной среде. Осаждаются на кислородных и сероводородных барьерах:
Fe, Mn, Co	нет
7. Малоподвижные в большинстве обстановок (Kx = n (0,1 – 0,01) и менее); слабая миграция с органическими комплексами:
Частично мигрируют в сильнокислой среде: Al, Ti, Cr, Ce, Nd, Y, La, Ga, Th, Sc, Sm, Gd, Dy, Tb, Fr, Tm, Ho, Eu, Lu Yb, In, Bi	Частично мигрируют в щелочной среде: Zn, Nb, Ta, W, Hf, Te
8. Не мигрируют или почти не образуют химических соединений; характерно самородное состояние:
Os, Pd, Ru, Pt, Au, Rh, Ir

Примечание: выделены элементы, для которых характерна биогенная аккумуляция.

Химические элементы с близкими ионными радиусами и зарядами, как правило, одинаково ведут себя при воздействии геохимических процессов. Для практических целей Е. В. Скляров и др. [8] выделили четыре группы элементов:

1. Главные элементы – Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P; летучие компоненты – H₂O, CO₂, H₂S, SO₂.

2. Радиогенные изотопы – K-Ar, Ar-Ar, Rb-Sr, Sm-Nd, U-Pb-Th.

3. Стабильные основные изотопы – H, O, C, S – индикаторы процессов;

4. Элементы- примеси (содержание меньше 0,1%):

– крупноионные литофилы, наиболее подвижные в геологических системах (Cs, Rb, K, Ba, Sr);

– транзитные, слабо подвижные элементы (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn);

– благородные металлы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au, Cu, Ni);

– высокозарядные и наименее подвижные элементы (Sc, Y, Th, U, Pb, Zr, Hf, Nb, Ta, редкоземельные элементы); редкоземельные элементы наиболее стабильны с четными номерами, их кларк более высокий. Они делятся на три группы: легкие (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu), промежуточные (Gd, Tb, Dy, Ho), тяжелые (Er, Tm, Yb, Lu).