1.3. Формы нахождения химических элементов в биосфере

Все многообразие форм и видов существования химических элементов в биосфере можно охарактеризовать с двух позиций [ 3 ]:

• качественной - минеральная или безминеральная форма;

• количественной - концентрированное или рассеянное состояние.

В земной коре установлено к настоящему времени около 4000 видов минеральных форм, что значительно меньше, чем количество теоретически возможных.

Между числом собственных минеральных форм (N) и кларком (Ск) химического элемента в литосфере существует корреляционная зависимость 3:

Элементы, образующие большее количество минеральных форм, чем следует по этой формуле называются минералофильными, меньше – минералофобными. Главная причина - низкие кларки многих элементов в литосфере.

Как было отмечено А.И. Перельманом [4] отличие в распространенности химических элементов в земной коре определяет различия их поведения в природе и лаборатории.

К примеру, входящие в VI группу периодической системы элементы сера S и селен Se химически близки по свойствам. Оба элемен­та поливалентны (S^2-, S⁰, S⁴⁺, S⁶⁺, Se^2-, Sе⁰, Sе⁴⁺, Sе⁶⁺), образуют соединения-аналоги — сероводород Н₂S и селеноводород Н₂Sе, сульфиды и селениды, сульфаты (соли Н₂SO4) и селенаты (соли Н₂SеO4). Вместе с тем в земной био­сфере роль обоих элементов резко различна, что объясняется срав­нительно высоким кларком S (4,7·10^-2%) и очень низким Sе (5·10^-6%). Сера S является ведущим элементом многих геохимических процессов, а селен Se - нет. Сероводород Н₂S играет огромную роль в земной коре, обуславливая накопление пирита FeS₂ в осадках, фор­мирование месторождений Рb, Zn, Сu, Сd и других металлов в виде соответствующих сульфидов. Селеноводород не имеет в геохимических процессах существенного значения. Для S характерна минеральная форма нахождения, для Sе - безминеральная и т.д. Иначе говоря, геохимия S и Sе имеет меньше общих черт, чем их химия.

Различие в поведении химических элементов в образовании минеральных форм объясняется тем, что с уменьшением кларков сни­жается активная концентрация элементов необходимая для образования химических соединений.

К примеру, в группе щелочноземельных металлов (Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) рас­творимость сульфатов уменьшается с ростом порядкового номера - наименее рас­творим сульфат радия RaSO₄. Вместе с тем в биосфере известны минералы, представляющие собой сульфаты щелочноземельных металлов:

MgSO4

CaSO4

SrSO4

BaSO4

Но сульфат радия в виде минерала неизвестен. Причиной этого является чрезвычайно малый кларк Rа (около 2,10^-10%), определяющий его низкое содержание в водах (п 10^-11 г/л), исключающее достижение произведения растворимости для RaSO₄ и образование самостоятельного минерала.

Таким образом, способность к минералообразованию (количество самостоятельных минеральных видов), с одной стороны, зависит от химических свойств элемента, а с другой - от его кларка.

При образовании минералов катионы, содержащие элементы с низкими кларками, обычно связываются с анионами, содержащими распространенные химические элементы. И наоборот, анионы, содержащие элементы с низкими кларками, связываются с катионами распространенных химических элементов.

Отсутствие минеральных форм для химических элементов с низкими кларками также связано с явлением изоморфизма, когда элементы с низкими кларками "захватываются" кристаллическими решетками минералов элементов с более высокими кларками.

К примеру, в кристаллическую решетку минералов, содержащих калий, "встраиваются " атомы рубидия, атомы галлия - в кристаллическую решетку минералов алюминия, атомы хрома в кристаллическую решетку минералов железа или магния и т.д.

Для безминеральной формы элементов характерны следующие виды нахождения ее в биосфере:

• природные истинные и коллоидные растворы;

• газовые смеси;

• изоморфные примеси в минералах;

• сорбированное состояние в минеральном поглощающем комплексе;

• металлоорганические (хелатные ) соединения.

Обширные эмпирические данные показывают, что при массовом опробовании геохимическое поле литосферы характеризуется преобладанием относительно низких и сравнительно постоянных содержаний химических элементов, определяемых их кларками, и только в редких случаях существенно превышает этом уровень. У многих важных для развития человеческой цивилизации элементов эти фоновые содержания составляют только 0,0001 – 0,000001 % , что делает их извлечение при таком содержании экономически нецелесообразным. Это в равной мере относится к любым видам минерального сырья, для добычи которых современная промышленность преимущественно ориентируется на их природные скопления - месторождения полезных ископаемых. В месторождениях содержание ценных компонентов многократно превышает средний (кларковый) для них уровень. Соответственно в практических целях принято различать рассеянное и концентрированное состояние элементов в биосфере.

Рассеянное состояние характеризуется повсеместным содержанием химических элементов, близким к их кларкам для соответствующих объектов биосферы, и в настоящее время признается недостаточным для промышленного извлечения элементов.

Концентрированное состояние отвечает повышенному содержанию элементов в объектах биосферы, близкому к требованиям промышленности для соответствующих полезных ископаемых.

Концентрированное и рассеянное состояния элементов связаны непрерывными переходами и объективных границ между ними не существует.

Для количественной характеристики этих состояний служит кларк концентраций - отношение содержания элемента в конкретном объекте (С_х) к его кларку (С_к) для этого объекта биосферы:

Содержание элементов (С_х) в объектах биосферы (литосфера, гидросфера, атмосфера, живые организмы) определяется по данным химических анализов, величины кларков элементов (С_к) - по литературным и справочным данным для изучаемых объектов биосферы.

Величина Кк может быть больше или меньше 1, указывая в последнем случае на деконцентрирование (вынос ) элемента.

B настоящее время считается экономически целесообразным вести разработку месторождений элементов при следующих кларках концентраций (для разведанных месторождений) [ 3 ] (таблица 1.9).

Таблица 1.9. Кларки концентраций химических элементов в месторождениях

Элемент	Кларк концентраций (Кк)
Si,Al,Sc,K,Ti,Fe,Ca	n1
Zr,Mg,Na,Hf,Tl,P,Y,Rb,Li,Br	n10
Nb,C,Co,Ba,La,V,Se,Ta,Th,Sr, Mn,Ni,U,Cu,F,S,Zn	n100
In,B,Sn,Cr,Au,Cs,Cl,Mo,Pb, Pt,Ge,Be,W,Te	n1000
Ag,Cd,As,Sb,Hg,Bi	n1000

На основе многочисленных эмпирических данных и расчетов многих исследователей, установлено, что преобладающим для всех химических элементов в биосфере Земли является рассеянное состояние.

К примеру, доля запасов важнейших для человеческой цивилизации металлов в разведанных месторождениях составляет крайне малую величину - 0.053 % от их геохимических запасов в земной коре ( до глубины в 1 км) (таблица 1.10) [ 5 ].

Таблица 1.10. Геохимические запасы важнейших металлов в земной коре до глубины 1 км

Металл	Общее количество, т	В месторождениях, т	Доля запасов в месторождених,%
Fe	2.11016	4.31012	0.021
Cu	4.21013	1.821010	0.043
Zn	2.11013	1.161010	0.055
Ni	3.31013	6108	0.0018
Co	1.21013	5.25107	0.00044
Sn	1.71013	5.8108	0.003
W	4.21011	1.0108	0.024
Mo	1.21012	1.0108	0.008
Hg	2.91010	3.7107	0.13
Au	2.1109	3.15106	0.15

В целом для биосферы характерна следующая закономерность: переход химических элементов в концентрированное состояние требует затрат энергии и сочетания благоприятных для этого геологических и геохимических условий, а переход элементов из концентрированного состояния в рассеянное протекает непрерывно и самопроизвольно.