1.2 Распространённость химических элементов в оболочках Земли

Земля имеет массу 6·10²¹ т и состоит из 88 различных химических элементов. Несмотря на все изменения, наблюдаемые в самых разных масштабах времени и пространства, Земля в целом остается удивительно постоянной. В последние годы стало особенно ясно, что крупные составные части земного шара, такие, как ядро, мантия, кора, океаны, атмосфера и биосфера могут рассматриваться как сложная, взаимодействующая система. В ней циклично происходит передача вещества от одного резервуара к другому (Сивер, 1983). Об их объёмах можно получить представление из табл. 1, а о химическом составе можно судить по данным, приведенным в табл. 2.

Горные породы выветриваются с образованием осадка. При погружении на глубину породы испытывают метаморфизм и/или плавление. Позже они деформируются и перемещаются в горных цепях вверх, чтобы снова подвергнуться выветриванию и совершить новый цикл.

Таблица 1

Относительные размеры резервуаров Земли (Андруз и др., 1999)

Мантия	4·1021 т
Ядро	1,9·1021 т
Кора	24·1018 т
Гидросфера	2,4·1018 т
Атмосфера	5·1015 т

Таблица 2

10 Самых распространённых химических элементов (% по массе)

Вселенная	Земля	Земная кора	Океан	Атмосфера	Биосфера
H – 77	Fe – 35	O – 46,6	O – 85,8	N – 75,5	O – 53
He – 21	O – 29	Si – 29,5	H – 11	O – 23,2	C – 39
O – 0,8	Si – 14	Al – 8,2	Cl – 1,94	Ar – 1,3	H – 6,6
C – 0,3	Mg – 14	Fe – 5,0	Na – 1,05	C – 9,3·10-3	N – 0,5
Ne – 0,2	S – 2,9	Ca – 3,6	Mg – 0,13	Ne–1,3·10-3	Ca – 0,4
Fe – 0,1	Ni – 2,4	Na – 2,8	S – 0,09	Kr–0,45·10-3	K – 0,2
Si – 0,07	Ca – 2,1	K – 2,6	Ca – 0,041	He–72·10-6	Si – 0,1
N – 0,06	Al – 1,8	Mg – 2,1	K – 0,039	Xe–40· 10-6	P – 0,1
Mg – 0,06	Na – 0,3	Ti – 0,57	Br – 0,007	H – 23·10-6	Mg – 0,1
S – 0,04	P – 0,2	H – 0,22	C – 0,003	S – 70·10-9	S – 0,07

Рис.1. Геологический цикл

В центре Земли находится металлическое ядро, состоящее из железа и никеля; ядро окружено мантией плотных горных пород, богатых магнием и железом.

Ядро и мантия вместе составляют более 99,6 % общей массы Земли (Скиннер, 1989). Земля резко разделяется на две части – богатую железом (ядро) и силикатную (мантия и кора). Температура ядра оценивается в 4-5 тыс. °С, давление – на этих глубинах 1,5-3,5 млн. атм. Ядро Земли состоит из сплавов железа, находящихся в твёрдом состоянии в центральной и в жидком состоянии в остальной части ядра. Турбулентные течения жидкости и генерируют магнитное поле Земли (Джинлоз, 1983).

Огромная силикатная оболочка разогревается за счёт распада радиоактивных изотопов. Подвод тепла возбуждает мощные конвективные течения в верхних слоях оболочки, сложенных пластичными породами.

Крупномасштабные движения в мантии принимают вид течений плотного, твёрдого и пластичного вещества. Кора (и океаническая, и континентальная) лежит на плитах толщиной примерно 100 км. Новые плиты образуются в зонах срединно-океанических хребтов и охлаждаются по мере их движения в направлении от хребтов к океаническим желобам. В океанических желобах плиты погружаются и тонут в мантии. По мере погружения плотной плиты холодное вещество увлекается вниз, образуя нисходящую ветвь конвективной ячейки. Естественно, должны существовать и горизонтальные возвратные течения, переносящие вещество из областей океанических желобов к срединно-океаническим хребтам, и восходящие движения разогретого вещества, которые компенсируют нисходящие движения в области океанических желобов. В конвективных ячейках холодные опускающиеся участки жидкости отделены друг от друга расстоянием, примерно равным удвоенной глубине конвектирующего слоя. Считается, что глубина конвектирующего слоя Земли составляет примерно 700 км (Мак-Кензи, 1983).

Земная кора.

а) Изучение скоростей распространения сейсмических волн позво­лило построить «сейсмическую модель Земли», выделить земную кору, мантию и ядро. Мантия и земное ядро недоступны для непосредствен­ных исследований, и представления об их геохимии основаны на кос­венных, главным образом геофизических данных. Большинство построе­ний в этой области носит характер гипотез, хотя исходные геофизи­ческие данные бесспорны. Так, установлено, что средняя плотность Земли составляет 5,52 г/см³, а пород земной коры – 2,8 г/см³. Отсюда следует вывод о высокой плотности земных глубин. Это может быть связано как с изменением состава (например, с увеличением количества тяжёлых металлов Fe, Ni), так и с фазовыми превраще­ниями лёгких минералов. О возможности второго пути свидетельству­ет открытие тяжёлых полиморфных разновидностей SiO₂ – стишовита с плотностью 4,35 и коэсита – 2,93 (у кварца – 2,65).

б) Границу Мохо (Мохоровичича) считают нижней границей земной коры. Наибольшую мощность она имеет под горными хребтами (до 75 км), наименьшую – на дне океанов (5 – 15 км).

В земной коре скорость распространения сейсмических волн не­одинакова. На континентах была выделена «граница Конрада» (К), от­деляющая верхний – «гранитный» слой коры от нижнего «базальтового». В океанах гранитный слой отсутствует.

Земная кора составляет 0,375% земной массы. Она построена в основном из минералов, образующих горные породы. Химические элементы распределены в земной коре неравномерно, иногда скапливаясь в рудные месторождения. Земная кора с верхней частью мантии называется литосферой, лежащей на астеносфере.

Океаническая кора состоит из минералов, богатых кальцием, магнием, железом, алюминием и кремнием, составляющих базальты. Океаническая кора в среднем имеет толщину около 6 км (от 5 до 8 км) и она на порядок моложе континентальной. Кора этого типа создаётся и вновь уничтожается на пути от срединно-океанических хребтов к зонам субдукции, где она погружается обратно в мантию. Срединно-океанический хребет представляет собой границу между двумя жёсткими плитами. В том месте, где проходит хребет, плиты медленно раздвигаются, и поступает нижележащая порода.

Таким путём на гребнях срединно-океанических хребтов (общая протяженность 59000 км) ежегодно образуется несколько квадратных километров новой океанической коры. Гребень хребта лежит на глубине в среднем 2,5 км, а по обе стороны от него дно океана погружается на глубину 5-6 км (Франшто, 1983).

Континентальная кора составляет более половины массы коры в целом или 0,29% массы всей Земли. Мощность континентальной коры находится в интервале от 10 до 70 км. Она содержит меньше железа, кальция и магния, нежели океаническая кора, но сравнительно больше кремния, алюминия, натрия и калия, т. е. более лёгких элементов. Континенты плавают в астеносфере. Континентальная кора покрывает около 45% поверхности Земли. В гидросфере больше воды, чем могут вместить углубления, образованные плотной океанической корой, поэтому края континентов погружены в воду (континентальный шельф и континентальный склон). Континентальная кора древнее океанической (возраст самой древней океанической коры не превышает 200 млн. лет). Она подвержена постоянным тектоническим движениям, эрозии, вулканизму, осадконакоплению (Берчфил, 1983), проходя собственный цикл развития, сопровождающийся её разрушением и новым созиданием. Ежегодно около 10¹⁰ т твёрдого и растворённого вещества, образовавшегося при эрозии земной поверхности, удаляется реками, ветром и ледниками.

Выделяют два основных типа пород: изверженные или вулканические горные породы, образованные магмой, формирующейся в глубоких частях земной коры или в верхней мантии; осадочные горные породы, образующиеся при уплотнении материала, получающегося при эрозии континентальных пород и отлагающегося в депрессиях на континентах или на шельфе. Со временем слои этих отложений погружаются на всё большую глубину, подвергаясь действию высоких давлений и температур. Образуются метаморфические горные породы. Расплавляясь, они формируют магму вновь. Можно делить породы на недеформированные (осадочные и вулканические) и деформированные (осадочные, магматические, метаморфические). Основная масса континентальной коры сложена именно породами второй группы.

Количественную распространённость химических элементов в зем­ной коре впервые установил Ф.У. Кларк. В земную кору он вклю­чил также гидросферу и атмосферу. Однако масса гидросферы состав­ляет лишь несколько процентов, а атмосферы – сотые доли процента от массы твёрдой земной коры, поэтому числа Кларка в основном от­ражают состав последней. Сводка учёного 1889 г. содержала сведе­ния о распространённости 10 элементов, а 1924 г. – 50 элементов.

Отдавая должное Кларку, свыше 40 лет посвятившему этим исс­ледованиям, А.Е. Ферсман в 1923 г. предложил термином «кларк» обозначать среднее содержание химического элемента в земной коре, какой-либо её части, Земле в целом, в планетах и других космичес­ких объектах. Со дня опубликования первой таблицы Кларка прошло более 100 лет и общая картина распространённости элементов выявилась достаточно отчётливо. Подтвердилось гениальное положение Вернад­ского о рассеянном состоянии химических элементов. Для I, Hf, Sc, Rb, In, Cs, Ra и некоторых других редких элементов оно являет­ся основным, т. к. они не образуют или почти не образуют собствен­ных минералов; для большинства элементов – преобладающим, и только для O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K и Mg главной формой нахожде­ния являются собственные минералы. Итак, все элементы есть везде, речь может идти только о недостаточной чувствительности анализа, не позволяющего определить содержание того или иного элемента в изучаемой системе. Это положение о всеобщем рассеянии химических элементов Н.И. Сафронов предложил называть законом Кларка – Вер­надского.

в) Гидросфера, атмосфера, биосфера.

Гидросфера (водная оболочка) составляет 0,025% (0,25·10^–3) массы Земли. Объём гидросферы 1375·10⁶ км³. Океаны покрывают 70,8% земной поверхности и имеют среднюю глубину 3,96 км. В каждом кубическом километре морской воды растворено 36 миллионов тонн твёрдых веществ. Средний химический состав растворённых в морской воде веществ: Cl – 55,07%, Na – 30,62%, Mg – 3,68%, S – 2,73%, Ca – 1,18%, K – 1,10%, Br – 0,19%, C – 0,08%, Sr – 0,02%, B – 0,01%. Подавляющая часть воды на Земле сосредоточена в Мировом Океане.

Атмосфера (воздушная оболочка) составляет 0,0001% массы Земли, сильно перемешана, состоит из азота, кислорода и аргона на 99,9%.

Уровни содержания кислорода в атмосфере, рассмотренные выше, могут использоваться как границы этапов развития биосферы Земли. С этой точки зрения биосфера прошла три этапа: восстановительный, завершившийся появлением фотосинтеза и переходом ко второму, слабоокислительному этапу. Третий этап – окислительной фотоавтотрофной биосферы.

Биосфера (живая оболочка) составляет 3·10^–9 массы Земли. Ключевые этапы эволюции биосферы: 600 млн. лет назад жизнь овладела мелководьями и относительно быстро после этого вышла на сушу. Царство млекопитающих и покрытосеменных растений наступило 60 млн. лет назад, т.е., биосфера приобрела облик близкий современному. 6 млн. лет назад возникла группа приматов, являющихся прямыми и непосредственными предками современного человека, – гоминиды. 600 тыс. лет тому назад появился человек разумный, примерно 60 тыс. лет назад овладевший огнём и, таким образом, резко выделившийся из природы. Возникновение современной цивилизации можно отнести к периоду примерно 6 тыс. лет тому назад, а зарождение современного способа производства и начало Нового времени – 6 веков тому назад. Глобальных масштабов антропогенное воздействие на окружающую среду достигло, пожалуй, к середине ХХ века.

Необходимо помнить, что биосфера «теснейшим образом связана со строением земной коры, входит в её механизм и в этом механизме исполняет величайшей важности функции, без которых он не мог бы существовать» (Вернадский, 2004).

На протяжении всей истории биосферы её самыми влиятельными с точки зрения планетарных процессов составляющими были зелёные растения и микроорганизмы. Взаимодействие биосферы, гидросферы и атмосферы друг с другом и с наружными слоями земной коры не только всеобъемлюще, но и постоянно: это круговороты, состоящие из круговоротов, которые, в свою очередь, складываются из круговоротов. Треть от всего числа химических элементов участвует в биологических круговоротах. Благодаря биологическим процессам в земной коре образовались массивные скопления кремния, железа, марганца, серы и углерода (Клауд, 1983). «Все минералы верхних частей земной коры – свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси железа и алюминия (бурые железняки) и многие сотни других – непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни» (Вернадский, 2004). Кислород атмосферы – продукт фотосинтеза зелёных растений.

Количественные показатели биосферы в сопоставлении с другими оболочками Земли приведены в табл. 3. Несмотря на ничтожную, по сравнению с другими геосферами массу, биосфера – наиболее могущественная по своей трансформирующей силе оболочка Земли. Как писал В.И. Вернадский: «С исчезновением жизни на земной поверхности шли бы лишь медленные, от нас скрытые изменения, связанные с земной тектоникой. … Исчезли бы главные деятели процессов выветривания. … Неизбежно установилось бы химическое равновесие, химическое спокойствие, которое временами и местами нарушалось бы привносом веществ из земных глубин» (2004).

О структуре биосферы, её химическом составе и функциональных характеристиках можно судить по материалам таблиц 4, 5яы.

Необходимо постоянно иметь в виду, что главными «действующими лицами» в функционировании биосферы являются не сразу бросающиеся в глаза яркие и часто экзотические представители многоклеточных животных и даже не деревья, образующие обширные леса, а микроскопические одноклеточные организмы, в первую очередь – прокариоты. Академик Г.А. Заварзин (2001; 2003) вообще считает, что биосфера всегда состояла, главным образом, из бактерий, тогда как остальные организмы – не более чем добавление к бактериям. Как известно, бактериальные сообщества, в отличие от сообществ эукариотов, могут обеспечивать работу автономных, т. е., замкнутых полностью по всем элементам биогеохимических циклов.

Биомасса микроорганизмов океана составляет около трети всей биомассы биоты планеты, биомасса бактерий суши сравнима с биомассой растений. Таким образом, биомасса прокариот – от половины до 90% всего живого вещества биосферы.

Таблица 3

Сравнение биосферы с другими геосферами Земли (Акимова, Хаскин, 2000)

Геосферы	Масса, Тт	Разнообразие состава	Время оборота состава, лет
Литосфера	2,5·106	1,85	5·107
Гидросфера	1,4·106	0,12	2·104
Атмосфера	5,2·103	0,38	3·104
Биота биосферы	2,1	4,50	10

Таблица 4

Биомасса растений и животных биосферы (Акимова, Хаскин, 2000)

Экосистемы	Биомасса (сухого вещества) Гт	%
Континенты
Растения	2 125	99,53
Животные	3	0,14
Океан
Растения	3	0,14
Животные	4	0,19
Всего	2 135	100,00

Таблица 5

Средний химический состав живого вещества (Акимова, Хаскин, 2000)

Компоненты	%
Вода	63,80
Сухое вещество	36,20
Минеральные вещества	1,20
Органические вещества	35,00
Углерод	16,47
Водород	2,06
Кислород	16,10
Азот	0,30

г) Кларки земной коры.

А.П. Виноградов, предположив, что земная кора на 2/3 состоит из кислых пород и на 1/3 – из основных, вычислил её средний состав.

А.А. Беус установил кларки, исходя из соотношения мощностей гранит­ного и базальтового слоёв 1:2.

Представления о составе базальтового слоя весьма гипотетичны. По А.А. Беусу, его средний состав (%) близок к диоритам:

O – 46,0 Mg – 3,0 K – 1,4

Si – 26,1 Mn – 0,1 Ti – 0,7

Al – 8,1 Ca – 5,1 H – 0,1

Fe – 6,7 Na – 2,4 P – 0,1

прочие – 0,2

___________________________

сумма – 100,0

Эти данные свидетельствуют, что почти половина земной коры состо­ит из одного элемента – кислорода. Таким образом, земная кора – это «кислородная сфера», кислородное вещество. На втором месте стоит кремний (кларк – 29,5), на третьем – алюминий (8,05). В сум­ме они составляют 84,55%. Если к этому числу добавить Fe (4,65), Ca (2,96), Na (2,50), K (2,50), Mg (1,87), Ti (0,45), то полу­чим 99,48%, т.е. практически почти вся земная кора. Остальные 80 элементов занимают менее 1%. Кларки большинства элементов не превышают 0,01-0,0001%. Такие элементы называются редкими. Ес­ли они обладают слабой способностью к концентрации, то именуются редкими рассеянными (Br, In, Ra, I, Hf, Re, Sc и др.). Например, у U и Br кларки почти одинаковы (2,5∙10^-4 и 2,1∙10^-4%), но U просто редкий элемент, т.к. известны его месторождения, а Br – редкий рассеянный, т.к. он почти не концентрируется в зем­ной коре и известен лишь один собственный минерал этого элемента.

В геохимии употребляется термин «микроэлементы» – это элемен­ты, содержащиеся в данной системе в малых количествах (порядка 0,01% и менее). Так, Al – микроэлемент в организмах и макроэле­мент в силикатных породах.

Итак, содержание элементов в земной коре колеблется в милли­арды миллиардов раз (n∙10 – n∙10^-16), причём представления, по­черпнутые из повседневного опыта, не всегда совпадают с данными геохимии. Например, Zn и Сu широко распространены в быту и техни­ке, а Zr и Ti для нас «редкие элементы». Вместе с тем Zr в зем­ной коре почти в 4 раза больше, чем Cu, а Ti – даже в 95 раз. «Редкость» Zr и Ti объясняется трудностью извлечения их из руд, которая была преодолена только в середине XX в., когда эти метал­лы стали широко использоваться в промышленности.

В чём же причина столь неравномерного распределения элемен­тов в земной коре? Ответ на этот вопрос связан с особенностями строения атомов элементов. Так, щелочные металлы Li, Na, K, Rb, Cs, Fr в химическом отношении близки друг другу – у них один валентный электрон, но кларки их резко различны: Na и K много (2,50), Rb – мало (1,5∙10^-2), Li – ещё меньше (3,2∙10^-3), Cs – очень редок (3,7∙10^-4), а Fr – получен искусственно.

Резко различны кларки у F, Cl, Br, I. У Si (29,5) и Ge (1,4∙10^-4), у Ba (6,5∙10^-2) и Ra (2∙10^-10). С другой сторо­ны, различные в химическом отношении элементы имеют близкие клар­ки: Mn (0,1) и P(0,093), Rb (1,5∙10^-2) и Cl (1,7∙10^-2).

А.Е. Ферсман построил график зависимости атомных кларков для чётных и нечётных (по порядковому номеру) элементов периоди­ческой системы (Рис. 2.).

С усложнением строения атомного ядра, утяжелением его, кларки уменьшаются. Кривые оказались не монотонными, а ломаными. Ферсман прочертил гипотетическую среднюю линию, которая плавно понижалась по мере возрастания порядкового номера. Элементы, расположенные выше линии, – образующие пики, учёный назвал избыточными (O, Si, Fe и др.), а расположенные ниже – дефицитными (инертные газы и др.). Следовательно, в земной коре преобладают лёгкие атомы, занимаю­щие начальные клетки периодической системы, ядра которых содержат небольшое число протонов и нейтронов. Действительно, после Fe (№26) нет ни одного распространённого элемента.

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80

Рис. 2. Логарифмы атомных кларков элементов (по А.Е. Ферсману).

Другая особенность распространённости элементов установлена в 1914 г. итальянцем Г. Оддо и более детально в 1915-1928 г. аме­риканцем В. Гаркинсом. Они выявили, что в земной коре преоблада­ют элементы с чётными порядковыми номерами и атомными массами. Среди соседних элементов у чётных кларки почти всегда выше, чем у нечётных. Для первых по распространённости 9 элементов массовые кларки чётных составляют в сумме 86,43%, кларки нечётных – 13,03%. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4. Это O, Mg, Si, Ca и т.д. Среди атомов одного и того же элемента преобладают изотопы с массовыми числами, кратными 4, например у O и S:

¹⁶O - 99,76 ³²S - 95,01

¹⁷O - 0,04 ³³S - 0,75

¹⁸O - 0,20 ³⁴S - 4,22

³⁶S - 0,02

По Ферсману ядра типа 4q (q – целое число) слагают 86,3% земной коры. Менее распространены ядра типа 4q+3 (12,7%) и совсем мало ядер 4q+1 и 4q+2 (1%). Отмечено также, что сре­ди чётных элементов, начиная с He, наибольшими кларками облада­ет каждый шестой: O (№8), Si (№14), Ca (№20), Fe (№26).

Для нечётных существует аналогичное правило (начиная c Н); N (№7), Al (№13), К (№19), Mn (№ 25). Итак, в земной коре преобладают ядра с небольшим и чётным числом протонов и нейтро­нов.

г). Геохимическая классификация элементов В.И. Вернадского. Родственные по периодической системе элементы ведут себя в зем­ной коре далеко неодинаково. Так, Na и K, Fe и Ni, Сl и I, Cr и Mo – аналоги в химии, но в земной коре мигрируют по-разному. Это связано со свойствами элементов, которые с общехимических позиций второстепенны. В.И. Вернадский создал особую геохимичес­кую классификацию, в которой учтены самые важные моменты истории элементов в земной коре. Главное значение учёный придавал радио­активности, обратимости или необратимости миграции, способности элементов давать минералы, состоящие из нескольких разнородных атомов. Вернадский выделил 6 групп элементов. Наиболее крупная из них – «циклические элементы», участвующие в сложных круговоро­тах. По массе они преобладают в земной коре, из них в основном состоят горные породы, вода, организмы. Эта классификация допол­нена ещё двумя группами элементов: элементами, по-видимому, вымер­шими в земной коре, но известными в космосе, – Tc, Am, Cm, Bk и Cf, и элементами, неизвестными в природе, но полученными искусственно, – Pm, Es, Md, No, Ku и др.

Таблица 6. Геохимические группы элементов по В.И. Вернадскому (1934 г.)

№ п/п	Группа	Состав группы	Число эле-ментов	Процент от общего числа элементов (92)	Абсолютная масса элементов в земной коре, т	Процент от общей массы земной коры
1	Благо-родные газы	Гелий, неон, аргон, криптон, ксенон	5	5,4	1014	5∙10-4
2	Благо-родные металлы	Рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина, золото	7	7,61	1012	5∙10-6
3	Цикли-ческие элементы	Водород, бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор, натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций, титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, германий, мышьяк, селен, стронций, цирконий, молибден, серебро, кадмий, олово, сурьма, железо, барий, гафний, вольфрам, рений, ртуть, таллий, рубидий, висмут	44	47,82	2∙1019	99,8
4	Рас-сеянные элементы	Литий, скандий, галлий, бром, рубидий, иод, ниобий, индий, иттрий, индий, цезий, тантал	11	11,95	1016	5∙10-2
5	Сильно радио-активные элементы	Полоний, радон, радий, астат, франций, протактиний, уран	7	7,61	1015	5∙10-3
6	Редко-земель-ные элементы	Лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций	15	16,30	1016	5∙10-2

Мантия и ядро Земли.

а) Верхняя мантия.

В середине XX в. английские геофизики Г. Джеффрис и К. Буллен по сейсмическим данным разделили мантию на верхнюю (до 400 км), переходную зону (400 – 1000 км) и нижнюю (1000 – 2900 км). Верх­няя мантия неоднородна по элементарному и изотопному составу. Изучение изотопного состава глубинных газов позволило установить «гелиевое», «аргоновое», «неоновое», «ксеноновое» дыхание Земли. Для глубинных газов характерны CO, H₂, CH₄ – показатели резко­ восстановительной среды. Состав верхней мантии ряд авторов счита­ет аналогичным хондритам (состоят из стекла). Составу верхней мантии отвечает смесь трёх частей ультраосновных пород и одной щелочного базальта.

б) Переходная зона, нижняя мантия и земное ядро.

Переходная зона и нижняя мантия, вероятно, также имеют силикат­ный состав. Их большую плотность объясняют образованием более плотной модификации минералов – стишовита, шпинели, периклаза и др. По элементарному составу нижняя мантия сильно отличается от земной коры, хотя в ней всё ещё преобладает O. Второе место при­надлежит Fe и лишь третье – Si. Высоки кларки Mg, Ni, S, сравнительно малы – Ca и Al.

По сейсмическим данным большая часть земного ядра жидкая (внешнее ядро) и только на глубинах более 5100 км расположено твёрдое внутреннее ядро с плотностью около 12-13 г/см³. В ос­нове гипотезы о железо-никелевом ядре Земли лежит предположение о близости состава ядра к составу железных метеоритов, содержа­щих в среднем 80,78% Fe, 8,59% Ni и 0,63% Co.

По гипотезе А.Ф. Капустинского, в земном ядре вследствие ог­ромного давления нарушается электронная структура атомов, исчеза­ет их химическая индивидуальность и все элементы приобретают оди­наковые металлизованные свойства (вещество состоит из ядер ато­мов, находящихся в общей для всех ядер электронной плазме). Это определяет однообразие земного ядра, отсутствие различий между химическими элементами (зона «нулевого химизма»).

в) Геохимическая классификация элементов В.М. Гольдшмидта. Этот учёный сравнил дифференциацию элементов в расплавленной пла­нете с выплавкой металла из руд, когда на дно металлургической печи опускается тяжёлый металл с плотностью 7, а на поверхность всплывает лёгкий силикатный шлак (аналог земной коры). Между ни­ми располагается слой «штейна» – сульфида железа с примесью сульфидов других металлов (аналог мантии). Распределение элементов на оболочках, по Гольдшмидту, зависело от их атомных объёмов. Эле­менты, занимающие минимумы по кривой атомных объёмов, дают спла­вы с Fe, в ходе дифференциации они образовали земное ядро (сидерофильные элементы). Элементы, занимающие максимумы на кривой, обладают большим сродством к кислороду. При дифференциации они образовали земную кору и верхнюю мантию (литофильные элементы). Элементы с высоким сродством к S, Se, Fe (халъкофильные) за­нимают восходящие части кривой; они сосредоточены в нижней мантии; образуют сульфидно-оксидную оболочку. Инертные газы относятся к атмофильной группе. Данная классификация широко применяется в геохимии.