7 Средние кларки химических элементов земли

Кларки химических элементов, числа, выражающие среднее содержание элементов в литосфере, земном ядре, Земле в целом, атмосфере, гидросфере. живых организмах, породах Луны, атмосфере Солнца, звезд и т.д. Различают кларки химических элементов массовые (в %, г/т и др.) и атомные (в % от числа атомов). Для литосферы и океана кларки химических элементов установлены на основе вычисления среднего из анализов мн. тысяч образцов горных пород и вод. По А. А. Беусу (1981), 12 главных кларков (в % по массе) в литосфере (без осадочной оболочки): О 46,1, Si 26,7, Аl 8,1, Fe 6,0, Mg 3,0, Mn 0,09, Ca 5,0, Na 2,3, К 1,6, Ti 0,6, P 0,09, H 0,11, прочие 0,3. В земном ядре преобладают Fe (ок. 80%) и Ni (ок. 8%); в Земле в целом (на основе разл. допущений) - Fe (35%), О (30%), Si (15%), Mg (13%); в космосе - Н и Не. Элементы с кларками менее 0,01-0,001% наз. редкими, если при этом они обладают слабой способностью к концентрации - редкими рассеянными, например кларки U и Вr в литосфере соотв. равны 2,5^.10^-4 и 2,1^.10^-4%, но U - редкий элемент (известно 104 минерала. содержащих U), а Вr - редкий рассеянный (известен лишь один его собственный минерал). При анализе величин атомных кларков химических элементов выявляется еще большее преобладание кислорода и др. легких элементов. По закону Кларка-Вернадского (о всеобщем рассеянии хим. элементов), в любом объекте прир. системы находятся все известные на Земле элементы. В литосфере и Земле в целом преобладают легкие атомы (включая Fe), в земной коре - элементы с четными порядковыми номерами и четными атомными массами. особенно с массами, кратными 4 (в них преобладают изотопы с массой, кратной 4). наиб. высокие кларки у элементов, атомные ядра которых содержат четное число протонов и нейтронов. Согласно основному геохим. закону (В. Гольдшмидт), кларки химических элементов зависят от строения атомного ядра, а распределение элементов, связанное с их миграцией, - от строения электронных оболочек, определяющих хим. свойства атомов. Однако это верно только для космоса в целом. Миграция элементов также зависит от кларков, которые во многом определяют содержание элементов в растворах, расплавах, их способность к минералообразованию, осаждению. Термин "кларк" предложен А. Е. Ферсманом в 1923, назван в честь амер. геохимика Ф.У. Кларка. В США и др. западных странах используют термин "распространенность хим. элементов". Лит..Краткий справочник по геохимия, 2 изд., М., 1977; Перельман А. И., Геохимия, М.. 1979; Беус А. А., Геохимия литосферы, 2 изд., М., 1981 ©А И Перельман.

9 Принципы кристаллохимии. Эмпирические правила ферсмана

условно все минералы можно разделить на кристаллические и аморфные. Условность объясняется отсутствием резкого

различия между твердыми кристаллическими и аморфными минералами. Кристаллические представляют собой однородные, анизотропные,

«бесконечные постройки», в которых структурные единицы, занимая строго определенные, геометрически закономерные места в пространстве,

создают в совокупности кристаллическую структуру. Однако и в минералах, относящихся к аморфным, расположение структурных единиц не

является хаотичным. В них также существует определенная упорядоченность в расположении атомов, ионов или групп, но только

близлежащих, а периодичность повторения закономерно расположенных групп структурных единиц на больших расстояниях является

нарушенной.

Важнейшие свойства минералов как веществ с закономерно расположенными структурными единицами определяются двумя

основными кристаллохимическими принципами.

Структура кристаллической решетки определяется числом ее структурных единиц, их размерами и поляризационными свойствами.

Уточнение данного принципа дается в следующих правилах:

- кристаллическая решетка минералов, при прочих равных условиях, стремится к максимуму симметрии и наиболее плотной упаковке

слагающих ее единиц (атомов, ионов и групп). Этим правилом объясняется как бы только геометрическая стабильность решетки.

- упорядоченная структура стремится к минимуму потенциальной энергии вследствие тенденции слагающих ее единиц нейтрализовать свой

заряд за счет непосредственных соседей. Число же соседей с противоположным зарядом (координационное число) определяется в основном их

относительными размерами. Здесь уместно отметить, что: 9 1 , 77% объема земной коры приходится на долю кислорода и только 8,23% на

электростатические поля атомов и ионов всех других элементов;

- подавляющее большинство ионов этих элементов имеет меньший радиус, чем ион кислорода О2-. Следовательно, всю земную кору можно

рассматривать как своеобразную кислородную упаковку. При этом вариации плотности определяются химическими элементами,

преобладающими в сочетании с кислородом. Учитывая также, что 20,9% объема атмосферы состоит из свободного кислорода, а в каждом литре

вод морей и океанов его содержится 3 см. куб., можно более полно представить громаднейшую роль этого элемента в биосфере, его прямое и

косвенное влияние на живые организмы.

Второй принцип кристаллохимии. Энергия кристаллической решетки и зависящие от нее свойства кристаллических веществ

определяются количеством различных структурных единиц, составляющих решетку, их валентностями и часто – поляризационными

свойствами

Энергия кристаллических решеток Ферсман установил следующие правила:

1. В диссоциированных расплавах, растворах и флюидах последовательность кристаллизации минералов следует за понижением энергии их

кристаллических решеток.Это положение позволяет сделать следующий вывод: элементы с небольшими величинами ЭК в результате

геохимической эволюции постепенно становятся все более определяющими в низкотемпературных геохимических процессах, протекающих в

биосфере.

2. В группах минералов имеющих одинаковое кристаллическое строение и сходную формулу, с возрастанием энергии решетки (и,

следовательно, с увеличением значений ЭК и ВЭК составляющий ее ионов) увеличивается твердость этих минералов. Следовательно, при

прочих равных условиях соединения с большей энергией кристаллической решеток позже могут быть разрушены механическим путем, а

составляющие их элементы оказывать наибольшее влияние на жизнедеятельность организмов.

3. Растворимость соединений в целом согласуется с уменьшением энергии их кристаллических решеток. Таким образом, в биосфере,

характеризующейся обилием воды, наблюдается тенденция к относительному накоплению в растворенном состоянии (наиболее доступном для

организмов) химических элементов с небольшими значениями ЭК.

4. По мере перехода от высокотемпературных процессов к наиболее распространенным в биосфере экзогенным (т.е. по мере увеличения роли

ионов с небольшими величинами ЭК) происходит закономерная эволюция окраски образующихся минералов от черных и темно-зеленых к

белым и бесцветным. Это положение играет роль в экологии, ибо окраска окружающей среды относится к внешним факторам, оказывающим

как прямое в л и я н и е на живые организмы, так и влияние через различную скорость солнечного нагрева темно- и светлоокрашенных

минералов.__