Распределение химических элементов в земной коре

Существует большое количество независимых причин, которые влияют на содержание химического элемента в разных пробах. Если распределение значений величины х определяется достаточно большим числом примерно равно действующих и взаимно независимых причин, то оно подчиняется нормальному закону распределения (закону Гаусса). Графическим выражением этого закона является колоколообразная кривая с симметричными ветвями по обе стороны максимальной ординаты. При нормальном распределении значений величины х наиболее вероятным ее значением является среднее арифметическое значение (), которое совпадает с модой – наиболее часто встречающимися значениями этой величины. Разброс значений в большую и меньшую стороны от моды, т.е. растянутость симметричной кривой по оси абсцисс, характеризуется средним квадратичным отклонением ().

Если нормальному закону распределения подчиняются не сами значения величины х, а их логарифмы, то говорят о логарифмически нормальном, или логнормальном, законе распределения. В этом случае мода совпадает со средним геометрическим значением величины х, а разброс значений характеризуется логарифмом .

Оказывается, распределения главных и рассеянных элементов различаются принципиально: распределение элементов с высокими кларками обычно подчиняется нормальному закону, а рассеянных – логнормальному.

Еще одно существенное различие между главными и рассеянными элементами состоит в том, что максимальная степень концентрации главных элементов по отношению к их кларку составляет 10–20 раз, а для рассеянных элементов – в сотни и тысячи раз больше. Способность рассеянных элементов образовывать очень высокие концентрации связана с многообразием форм их нахождения в земной коре.

Огромные массы тяжелых металлов, сосредоточенные в месторождениях руд, – это только незначительная часть общего количества металлов, рассеянных в земной коре. Например, общемировые запасы руд таких металлов, как цинк, медь, свинец, никель составляют лишь тысячные доли процента от масс этих металлов, рассеянных в верхнем километровом слое земной коры.

Ранее уже говорилось о том, что для рудных тел характерны ореолы рассеяния. Первичные, сингенетичные рудные ореолы возникают одновременно с рудными телами в результате одних и тех же процессов. Конфигурация их разнообразна и зависит от геологического строения и состава вмещающих пород, а также условий рудообразования. Вместе с одним или несколькими главными рудообразующими элементами в рудах присутствуют элементы-спутники, концентрация которых также повышена, но не так сильно, как главных. Сопутствующие элементы часто образуют изоморфные замещения главных. Например, в цинковых рудах постоянно содержится кадмий, а также (в меньшем количестве) индий, галлий, германий. Для медно-никелевых руд характерно присутствие значительной примеси кобальта и в меньшем количестве – примеси селена и теллура. Все сопутствующие элементы также рассеиваются вокруг рудных тел. Из-за неодинаковой геохимической подвижности элементы-спутники образуют переходные зоны разной протяженности, поэтому ореолы рассеяния имеют сложное строение и состав.

Среднее содержание химического элемента в определенном районе для данного типа пород представляет собой норму и называется геохимическим фоном. На геохимическом фоне можно выделить участки горных пород с повышенной концентрацией рассеянных элементов, называемые геохимическими аномалиями. Если геохимические аномалии обусловлены наличием залежей руд, то, очевидно, они представляют собой ореолы рассеяния. Если же концентрация металлов не достигает кондиции руды, то такие аномалии называют ложными.

С помощью статистической обработки массовых аналитических данных обнаруживаются закономерные изменения геохимического фона в пространстве и выявляются так называемые геохимические провинции. Геохимическая провинция характеризуется тем, что в ее пределах горные породы одного типа обладают выдержанными статистическими параметрами, прежде всего, значениями среднего содержания одного или нескольких элементов. В разных геохимических провинциях среднее содержание некоторых элементов в однотипных породах может различаться иногда в несколько раз, причем химический состав этих пород, который определяется содержанием главных элементов, практически одинаков или имеет лишь незначительные отличия. Например, граниты разных провинций могут иметь практически одинаковое количество алюминия, железа, калия, кремния, но различаться в 2–3 раза по содержанию молибдена, олова, свинца, урана.

Рассеянные элементы распределены в земной коре неравномерно, поэтому важно не только знать кларки для земной коры в целом, но также учитывать присущую элементам способность концентрироваться или рассеиваться в разнотипных породах или породах одного типа, находящихся в разных геохимических провинциях, рудах и др. Для количественной оценки неоднородности распределения химических элементов в земной коре, В.И. Вернадский предложил использовать специальный показатель – кларк концентрации К_к, числовое значение которого характеризует отклонение содержания элемента в данном объеме от кларка:

К_к = А/К,

где А – содержание химического элемента в конкретной горной породе, руде, минерале и др.; К – кларк этого элемента в земной коре.

Если кларк концентрации больше единицы, то это свидетельствует об обогащении элементом, если кларк концентрации меньше единицы, то имеет место пониженное содержание элемента по сравнению с кларком для земной коры в целом.

Изменчивость концентрации химических элементов в пространстве, отклонение от глобальной или местной геохимической нормы является характерной чертой геохимической структуры земной коры и имеет важное значение для состава живого вещества земной суши.