5.2 Геохимия элементов II группы

Ко второй группе относятся элементы, образующие простые ионы типа благородных газов. При изучении их геохимии особенно применимы понятия об ионных радиусах и другие характеристики ионов. Именно на изучении миграции и распределения элементов данной груп­пы в значительной степени сформировалась ионная концепция в гео­химии. Элементы второй группы во многом определяют щёлочно-кислотные свойства растворов и расплавов.

Типичные щелочные металлы – Na, K, Rb, Cs.

Это наиболее электроположительные элементы, характерные катионогены. Их атомы легко отдают единственный валентный электрон и превращаются в шаровые ионы типа благородных газов. Подобные осо­бенности определяют белый цвет солей, ионные связи в минералах и нахождение в водах преимущественно в виде простых катионов.

Натрий (Na). Хотя натрий – типичный щелочной металл, по ра­диусу иона (Na⁺ 0,092 нм) и другим физико-химическим и геохимическим параметрам он ближе к Ca, чем K. Радиус Na⁺ определяет его изоморфизм с Ca²⁺ гипогенных условиях, образование кальцие­во-натриевых плагиоклазов. Общее число минералов Na – 222, боль­шинство из них гипогенные.

Кларк Na в земной коре 2,5%, большая часть его атомов вхо­дит, в состав полевых шпатов, нефелина, амфиболов и других силика­тов. Na – типичный литофил, концентрируется в гранитном слое. В биосфере происходит резкая дифференциация Na: осадочные породы в целом им обеднены (в глинах и сланцах 0,66%), но в солоносных породах Na накапливается.

В биосфере по многим особенностям миграции Na напоминает Cl: он одновалентен, образует легкорастворимые соли, участвует в ат­мосферной миграции, накапливается в конечных водоёмах стока – Ми­ровом океане, бессточных озёрах, зоне замедленного водообмена ар­тезианских бассейнов. Поэтому во многих случаях можно говорить об истории NaCl. Однако значительно более высокий кларк (2,50) и катионная природа определяет и существенные отличия Na от Cl. Ос­новной источник подвижного Na в биосфере – выветривание извержен­ных пород, а не вулканизм, каку Cl. В отличие от Cl большая часть его на материках сосредоточена в горных породах.

В живом веществе в среднем 2∙10^-2% Na, т. е. меньше, чем Ca, K, Mg. Натрий выходит из биологического круговорота и в усло­виях влaжного климата уносится стоком за пределы ландшафта, кото­рый обедняется Na. Воды также бедны Na, и среди катионов он за­нимает третье место – после Ca и Мg. Растения также бедны Na од­нако дефицитность его не установлена. Животные нуждаются в повы­шенных количествах Na (доказана необходимость подкормки NaCl) натриевым обменом связаны заболевания сердечно-сосудистой системы, почек.

В сухом климате Na – характерный элемент испарительной концентрации. Он занимает первое место среди катионов грунтовых и озёр­ных вод и накапливается в солончаковых почвах и растениях, опреде­ляя многие геохимические особенности пустынь. Таким образом, для истории Na в ландшафтах характерна сравнительно слабая роль биологического круговорота и большое значение водной миграции. В этом отношении он также напоминает Cl. В целом Na теряется ланд­шафтами и концентрируется в морях и океанах, а частично и в бес­сточных областях суши. В океанической воде 1,035% Na.

В ноосфере история Na в общих чертах аналогична истории l. Основное значение имеет добыча NaCl, в меньшей степени – других солей, например, мирабилита, соды. Технофильность Na – 1,3∙10⁸ (того же порядка, что и у Ca). Ранее использовались только сое­динения Na, теперь в промышленности применяется металлический – вещество крайне активное. Человек в основном рассеивает Na, извлекая его из месторождений солей. Орошение пустынь и су­хих степей нередко приводит к нежелательному вторичному засолению – накоплению Na.

Калий (K). Его кларк такой же, как у Na – 2,50. В маг­матических процессах они аналоги: оба накапливаются в кислых по­родах, в которых K входит в полевые шпаты и слюды. Большие раз­меры Na⁺ oпределяют возможность его изоморфизма с Rb⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Pb²⁺, Tl⁺. Это характерная парагенная ассоциация в магмати­ческих минералах.

K – важный биоэлемент, его кларк в живом веществе 0,3%, в отдельных видах до 1-2% (напрмер, в гигантских морских водо­рослях макроцистис). Хотя почти все соли легкорастворимы, в биосфере K мигрирует слабо, чем резко отличается от Na. Но и в океане поглощается организмами и донными илами. В результа­те океанические воды содержат лишь 0,038% K – в 25 раз меньше, чем Na. В прошлые геологические эпохи, на поздних стадиях испа­рения морской воде в лагунах после осаждения Na происходило осаж­дение солей K вместе с солями Mg (карналлит – MgCl₂∙KCl∙6H₂O и др.). Хотя по химическим свойствам K – аналог Na, в биосфере по водной миграции он близок к Mg – оба входят в состав глинистых ми­нералов, накапливаются в конечных стадиях галогенеза. В ноосфере история K связана главным образом с сельским хозяйством (калий­ные удобрения), его технофильность 4∙10⁶ – меньше, чем у Na, Ba, Ca, F.

Рубидий (Rb). Это типичный рассеянный элемент с более щело­чными свойствами, чем K. Несмотря на сравнительно высокий кларк – 1,5∙10^-2 (больше, чем у Cu, Pb, Zn и многих других металлов), Rb образует собственных минералов, а на основе близости ион­ных радиусов входит в качестве изоморфной примеси в полевые пша­ты, слюды и другие минералы K. В магматических процессах, как и K, Rb накапливается в кислых изверженных породах и особенно в пегматитах, которые иногда содержат 1-3% Rb. В водах Rb мигри­рует аналогично K, но ещё легче сорбируется илами и глинами. В ноосфере Rb используется слабо, технофильность его низкая – 1∙10⁵.

Цезий (Cs). Это самый электроположительный элемент из из­вестных на Земле. Cs – типичный редкий и рассеянный элемент, гео­химический аналог Rb, в меньшей степени K и Ba. Кларк Cs 3,7∙10^-4%, он незначительно концентрируется в гранитоидах (5-10 %), более рассеян в основных породах (1∙10^-4%). Известно лишь два минерала Cs, оба крайне редкие. Большая часть крупных ионов Cs⁺ изоморфно замещает K⁺ и Rb⁺ в полевых шпатах и слюдах. Cs – слабый водный мигрант, не накапливается и живыми веществом (кларк – 6∙10^-5%). Технофильность Cs незначительна, в ноосфере используется его исклю­чительная электроположительность – способность к эмиссии электронов. При ядерных взрывах в окружающую среду попадает радиоактив­ный ¹³⁷Cs, опасный для здоровья.

Типичные щёлочноземельные металлы и литий – Ca, Mg, Ba, Sr, Li, Ra.

Как и типичные щелочные металлы, это характерные катионоген­ные элементы, которые, теряя валентные электроны, превращаются в ионы типа благородных газов. Для них также характерен белый цвет солей, ионные связи в минералах, нахождение в водах в виде простых катионов. Однако в отличие от типичных щелочных металлов они обра­зуют как легкорастворимые, так и труднорастворимые соли, что опре­деляет меньшую интенсивность водной миграции (14, с. 419 – 426).

Галогены – F, Cl, Br, I, At.

Галогены – наиболее типичные антибиогенные элементы. Присое­диняя электроны, они превращаются в крупные ионы типа благородных газов. Это определяет хорошую растворимость большинства солей и интенсивную водную миграцию. Все галогены кон­центрируются в гранитном, слое и биосфере, участвуют в испаритель­ной концентрации. Главным источником галогенов для биосферы в ис­тории Земли служил вулканизм [14, с. 426 – 431].