8) Распространенность химических элементов в земной коре

Среднее содержание химических элементов в земной коре выражается числами, которые называются кларками. Чаще эти числа содержания элементов даются в весовых процентах, иногда в частях на миллион (ppm) или, что то же самое, в граммах на тонну (г/т); последний способ выражения содержания более удобен для более редких элементов. Кроме кларков элементов земной коры, понятие «кларки элементов» применяется для литосферы и гидросферы, а также для выражения содержания элементов в осадочных породах. Однако неправомерным является выражение «кларки элементов» для обозначения содержания элементов в какой-нибудь определенной породе, на определенной территории и т.д. В этом случае следует говорить о средней распространенности элемента.

Первый и приблизительный подсчет содержания (распространенности) десяти главнейших элементов в земной коре дан еще в 1889 году Ф.У. Кларком, а для содержания большинства элементов в 1898 году И. Фогтом. В дальнейшем, уточнения и дополнения распространенности (среднего содержания) элементов делались в 1925-1930 гг. В.И. Вернадским, в 1923-1932 гг. – А.Е. Ферсманом, в 1931-1937 гг. – В.М. Гольдшмидтом, а впоследствии – и другими учеными.

Рассмотрение таблицы кларков позволяет сделать следующие выводы.

1. Содержание химических элементов в земной коре очень неодинаково. Так, кислород ⁸O в 1,5·1015 раз более распространен, чем полоний ⁸⁴Po. Относительное содержание больше у более легких элементов с малыми порядковыми номерами; с увеличением порядкового номера распространенность убывает.

2. Содержание элементов с четными номерами составляет 86%, а с нечетными – 14% массы земной коры.

3. Кажущаяся «частота» или «редкость» элементов не соответствует их действительным содержаниям. Так, свинец 82Pb принято считать распространенным металлом, так как он давно вошел в технику и быт; на самом же деле содержание этого элемента в земной коре в 6-10 раз меньше, чем, например, у ванадия 23V, который обычно считают редким металлом.

Таблица распространенности химических элементов в земной коре

Кислород 49,5

Кремний 25,3

Алюминий 7,5

Железо 5,08

Кальций 3,39

Натрий 2,63

Калий 2,4

Магний 1,93

Водород 0,97

Титан 0,62

Углерод 0,1

Марганец 0,09

Фосфор 0,08

Фтор 0,065

Сера 0,05

Барий 0,05

Хлор 0,045

Стронций 0,04

Рубидий 0,031

Цирконий 0,02

Хром 0,02

Ванадий 0,015

Азот 0,01

Медь 0,01

Никель 0,008

Цинк 0,005

Олово 0,004

Кобальт 0,003

Свинец 0,0016

Мышьяк 0,0005

Бор 0,0003

Уран 0,0003

Бром 0,00016

Йод 0,00003

Серебро 0,00001

Ртуть 0,000007

Золото 0,0000005

Платина 0,0000005

Радий 0,0000000001

9) Общие сведения о минералах и процессах их образования.

Минералы — это природные химические соединения или вещества, которые образуются в земной коре или на ее поверхности и обладающие определенными физико-химическими свойствами. В этом отличие минералов от искусственных продуктов, получаемых в лабораториях, на фабриках и заводах.

В природе найдено и изучено более 3 тыс. минералов. В настоящее время ежегодно открывается около 30 их видов, из них только несколько десятков широко распространены, остальные — редки.

По физическому состоянию различают минералы твердые (кварц, полевой шпат, слюда), жидкие (вода, нефть, ртуть само­родная) и газообразные (водород, кислород, углекислый газ, сероводород и др.). Некоторые минералы в зависимости от условий могут быть как в жидком, так и в твердом состоянии (например, вода).

По внутреннему строению минералы делятся на кристаллические (кухонная соль) и аморфные (опал). В минералах с кристаллическим строением элементарные частицы (атомы, молекулы) расположены в определенном направлении и на определенном расстоянии между собой, образуя кристаллическую решетку. В аморфном веществе указанные частицы расположены хаотически.

От внутреннего строения минерала (кристаллического или аморфного) зависят его основные физические свойства (твердость, спайность, кристаллографическая внешняя форма и др.).

В зависимости от происхождения различают минералы первичные и вторичные.

К первичным относятся минералы, образовавшиеся впервые в земной коре или на ее поверхности в процессе кристаллизации магмы. К первичным наиболее распространенным минералам относятся кварц, полевой шпат, слюда, из которых состоят гра­нит или сера в кратерах вулканов.

Вторичные минералы образовались при обычных условиях из продуктов разрушения первичных минералов вследствие выветривания, при осаждении и кристаллизации солей из водных растворов или в результате жизнедеятельности живых организмов. Это — кухонная соль, гипс, сильвин, бурый железняк и другие.

Процессов, в результате которых образуются минералы, в при­роде наблюдается много. Различают следующие процессы: магматические, гипергенные, или климатические, и метаморфические.

Основным процессом является магматический. Он связан с охлаждением, дифференциацией и кристаллизацией расплавлен­ной магмы при различных давлении и температуре. Магма состо­ит преимущественно из таких химических компонентов: Si0₂, А120з, FeO, CaO, MgO, К2О, содержит она и другие химические соединения, но в меньшем количестве.

Минералы при этом образуются преимущественно при темпе­ратуре 1000—1500°С и давлении в несколько тысяч атмосфер. Из минералов магматического происхождения образуются все первичные кристаллические породы. Минералы, происхождение которых связано с магмой и внутренним теплом Земли, называют первичными. К ним относятся полевые шпаты — ортоклаз, альбит, анортит, из ортосиликатов — оливин и другие.

Минералы образуются также из газов (газовая фаза магмы). Наиболее распространены из них пегматиты, или жильные мине­ралы, ортоклаз с кварцем, микроклин, апатит, мусковит, биотит и многие другие. Такие минералы называются пнеуматогенными.

Из горячей жидкости магмы (жидкая фаза) образуются гидротермальные минералы — пирит, золото, серебро и много других.

Гипергенные процессы происходят на поверхности Земли при обычных условиях под влиянием воды, температуры и других факторов. В результате этого растворяются и перемещаются разные химические соединения, появляются новые (вторичные) ми­нералы, например сильвин, кварц, кальцит, бурый железняк и каолинит. Минералы гипергенного цикла образуются при давлении до 1 атм и температуре ниже 100°С. Качественный состав этих минералов на поверхности Земли в определенной мере зависит от географи­ческих широт. Следует отметить, что преобразование одного и того же минерала при разных условиях может проходить неодинаково. Например, гидрослюды образуются не только из слюд, но и искусственным путем.

Основным материалом для образования минералов гипергенного происхождения являются выветрившиеся первичные породы или те, которые уже прошли процесс преобразования. В этом процессе принимают участие также живые организмы. Минералы гипергенного цикла, образующиеся при действии внешних процес­сов, входят в состав осадочных и почвообразующих пород.

Экзогенные процессы минералообразования происходят как на поверхности Земли, так и в коре выветривания. Для образования минералов экзогенного происхождения важное значение имеют процессы физического, химического и биологического выветривания.

При метаморфическом процессе минералы образуются на больших глубинах от поверхности Земли при изменении физико-химических условий (температура, давление, концентрация химически активных компонентов). В этих условиях происходит преобразование ранее образованных многих первичных и вторичных минералов. Среди них наиболее распространенными являются гематит, графит, кварц, роговая обманка, тальк и многие другие.