Тема 2. Распространенность химических элементов в оболочках Земли

Одна из основных теоретических проблем геохимии – распространенность химических элементов в системе (космическом объекте, Земле, ее сферах) или средний химический состав системы. Исследования среднего химического состава Земли проводились еще в 19 веке. Системно такие исследования стал проводить американский ученый Ф. Кларк. Проведя более 6000 исследований, в 1924 г. он опубликовал сводку, содержащую 50 элементов. В честь этого ученого было предложено термином «Кларк» обозначать среднее содержание химического элемента в земной коре, какой-либо ее части, Земле, планетах и других космических объектах. Кларки земной коры (по А.П.Виноградову(1962)) рассчитаны исходя из предположения, что земная кора на 2/3 состоит из кислых пород, на 1/3 – из основных. Кларки измеряются в %, весовых или объемных.

Таблица 1.

Особенности среднего химического состава некоторых оболочек Земли

Земная кора		Атмосфера		Гидросфера		Биосфера
элемент	Кларк	элемент	Кларк	элемент	Кларк	элемент	Кларк
О	47	N	75.31	O	85.77	O	70
Si	29,5	O	23.01	H	10.73	C	18
Al	8,05	Ar	1.28	Cl	1.93	H	10
Fe	4,65	CO2	0.04	Na	1.03	Ca	0.5
Сумма	89,2		99.64		99.46		98.5

Анализ особенностей среднего химического состава земной коры, атмосферы, гидросферы и биосферы (табл.1) показал, что химические элементы распределены в оболочках Земли крайне неравномерно.

Анализируя распространенность химических элементов в земной коре, можно сделать  следующие выводы.

1. Содержание химических элементов в земной коре очень неодинаково,  причем содержание кислорода в 1,5 × 10¹⁵ раз больше содержания полония   -  одного  из  наименее  распространенных  элементов (рис.2).

2. Наиболее  распространенными являются элементы с небольшими порядковыми номерами (и соответственно малыми атомными весами).  С увеличением порядкового номера распространенность убывает.  Первые 26 элементов составляют 99,74% всей земной коры.

3. Очень легкие элементы - литий, бериллий, бор и отчасти углерод обладают очень малой распространенностью (в %):  Li  0,0065; Be 0,00035;  B 0,0003; C 0,0320. Это объясняется тем, что перечисленные элементы в космическую стадию послужили ядерным горючим. Из тяжелых элементов (атомный вес ≥ 119)  повышенную распространенность имеют Ba, La, Ce, Nd, Gd, Pb.

4. Элементы  с четными порядковыми номерами более распространены (86%  по весу),  чем с нечетными (14%  по весу) (закон Оддо и Харкинса). Четные элементы обычно более распространены, чем их нечетные соседи. Это особенно хорошо проявлено в группе редкоземельных элементов. Однако на кривой кларков имеются исключения (порядковые номера в скобках):  As(33) более распространен, чем Ge(32) и Se(34), Br(35)  -  чем Se(34) и Kr(36) и Li(3) более распространен, чем Не(2) и Ве(4).

5. Некоторые аномально повышенные кларки элементов объясняются их предысторией.  Так например, относительно очень высокое содержание свинца объясняется тем, что он состоит не только из атомов "первозданного" свинца, но и из атомов свинца,  образовавшихся  в  результате  радиоактивного распада урана (свинец 206 и свинец 207) и тория (свинец 208).

Особенно ярким примером является германий.  Впервые в 1898 г. И.Г.Л.Фогт принял  его распространенность равной n × 10^-10 %,  в 1924 г. Кларк и Вашингтон оценивали ее в n × 10^-9 ,  а в  настоящее  время кларк германия,  принимается в 2 × 10^-4 %, т.е., грубо говоря, в миллион раз выше, чем в 1898 г.

Только 1  км³ горной породы,  весящий 3 млрд.т,  содержит 200 млн.т алюминия, 150 млн.т железа, 550 000 т ванадия, 11 000 т урана, 3700 т селена, 140 т золота.

Факторы миграции элементов делятся на внутренние и внешние. Внутренние факторы – это свойства химических элементов, определяемые строением атомов; их способность давать летучие или растворимые соединения, осаждаться из растворов и расплавов и т.д. К внешним факторам относятся параметры обстановки миграции: температура, давление, ЩКУ и ОВУ и др.

Формы нахождения химических элементов. Способность элементов к миграции во многом определяется формой его нахождения. В.И.Вернадский выделял в земной коре 4 основные формы:

1. горная порода и минералы (в т.ч. – природные воды и газы);

2. живое вещество;

3. магмы (силикатные расплавы);

4. рассеяние.

Пока элемент находится в кристаллической решетке, геохимик имеет дело с минералом как с целым и индивидуальные свойства элемента (внутренние факторы миграции) часто не проявляются. Так, K и Na образуют легкорастворимые соединения и легко подвижны в ландшафте. Но если K входит в состав ортоклаза, а Na – альбита – минералов, устойчивых к выветриванию в сухом климате, то интенсивность миграции K и Na будет определяться в этих условиях не растворимостью их простых солей, а скоростью разрушения кристаллической решетки полевых шпатов. В одной и той же системе, при одинаковых внешних факторах (t, P, pH и др.) интенсивность миграции Na, входящего в состав альбита (Na₂Al₂Si₆O₆), пирина (Na,Fe[Si₂O₆]), галита (NaCl) различна. Входя в состав минералов, элемент как бы теряет свои индивидуальные свойства. Поэтому низкая миграционная способность часто зависит не от химических свойств элемента, а от свойств минерала, например, от податливости кристаллической решетки к разрушению. Т.о., при изучении геохимии систем необходимо учитывать не только свойства элементов и параметры среды миграции, т.е. внешние и внутренние факторы миграции, но и формы нахождения элементов в системе.