Глава 1

ЗЕМНАЯ КОРА И ОСОБЕННОСТИ ЕЕ СОСТАВА

Строение земного шара. Главным объектом геологических, в том чис ле и минералогических исследований является земная кора, под которой подразумевается самая верхняя оболочка земного шара, доступная непо средственному наблюдению.

Наши фактические знания о строении и химическом составе земной коры основываются почти исключительно на наблюдениях над самыми поверхностными частями нашей планеты.

Горообразующие процессы, совершавшиеся в различные геологиче ские эпохи и приводившие к образованию высоких горных хребтов, под няли из глубины самые различные породы, не образующиеся вблизи по верхности Земли. Наиболее глубинные по происхождению горные породы из доступных прямому изучению — мантийные ксенолиты, об наруживаемые в трубках взрыва, — являются объектом пристального внимания исследователей. Их изучение дает возможность, как показы вают геологические наблюдения и подсчеты, получить более или менее реальное представление о составе и строении земного шара только до глубины 100–150 км (радиус же его превышает 6300 км).

О строении и составе глубоких недр земного шара можно судить лишь на основании косвенных данных. Как показывает сопоставление плотно стей всего земного шара (5,527) и земной коры (2,7–2,8), внутренние ча сти нашей планеты должны обладать значительно большей плотностью, чем поверхностные. Различные данные (геофизические наблюдения, дан ные сравнения Земли с другими космическими телами, состав метеори тов и пр.) дают основания предполагать, что это обстоятельство обуслов лено не только увеличением с глубиной давления, но и изменением состава внутренних частей нашей планеты.

Согласно современным моделям, построенным на основании геофи зических данных, в строении Земли выделяется несколько концентри ческих оболочек (геосфер, рис. 3), различающихся по физическим свой ствам и составу (табл. 1).

Состав земной коры. Впервые состав твердой части земной коры

ввесовых процентах подсчитал американский исследователь Ф. Кларк

в1889 г. Большая работа по уточнению полученных цифр была проделана В. И. Вернадским, А. Е. Ферсманом, И. и В. Ноддаками, Г. Гевеши, В. М. Гольдшмидтом и А. П. Виноградовым. Последний подсчитал средний

менты в таблице располагаются преимущественно в верхней ее части, т. е. относятся к числу элементов с малыми порядковыми номерами.

Наиболее распространенными элементами являются: О, Si, Al, Fe, Ca, Na, К, Mg, Ti, H и С. На долю всех остальных элементов, встречающихся

Таблица 2

Периодическая система элементов Д. И. Менделеева

* В таблице приведены не все элементы из группы редких земель, а также благород ные газы, количественные определения которых ненадежны. Данные для первых вось ми элементов, а также для серы исправлены согласно последним указаниям А. П. Ви ноградова.

Sn, Сr, W, Nb, Та, Th, U) преимущественно распространена в виде кисло родных соединений, но зато многие другие элементы (Fe, Ni, Co, Zn, Cu, Pb, Hg, Mo, Bi, As, Sb, Ag и др.) встречаются главным образом в виде скоп лений сернистых, мышьяковистых и сурьмянистых соединений. Железо совмещает в себе свойства сидерофильных, литофильных и халькофиль ных элементов, обладая заметным сродством как к кислороду, так и к сере.

На диаграмме (рис. 4) по оси абсцисс расположены порядковые номе ра химических элементов, а по оси ординат — логарифмы их атомных кларков. Можно видеть, что с увеличением порядкового номера кривые кларков как четных, так и нечетных элементов в общем обнаруживают тенденцию к понижению. Это означает, что для большинства химических элементов имеет место обратно пропорциональная зависимость их сред него содержания в земной коре от порядкового номера, хотя встречаются и исключения (например, для Li, Be, В и др.).

Если сравнить распространенность химических элементов в земной коре в атомных кларках с числами минералов, в которые они входят, то, как ука зал П. П. Пилипенко, между ними, за небольшим исключением, устанавли вается некоторая прямая (симбатная) зависимость. Это имеет место преиму щественно для элементов, обладающих малыми атомными весами1.

Рис. 4. Распространенность элементов в верхней части литосферы. На диаграмме даны логарифмы атомных кларков (H) как функция порядкового номера (Z), причем кисло род принят за единицу

1 В число минералов не включены лишь разновидности, в которые данный элемент входит в виде изоморфной примеси.

Некоторые из легких элементов играют особую роль в минералах, являясь типичными анионами или анионообразователями. Среди та ких элементов прежде всего можно отметить кислород, а также водо род (как компонент гидроксильного иона), серу, углерод и некоторые другие. Так как подавляющее большинство минералов является поляр ными соединениями, в составе каждого из них должны присутствовать элементы, играющие роль катионов и анионов. Типичных анионов и анионообразователей среди элементов Периодической системы гораз до меньше, чем катионообразующих элементов, поскольку металлы составляют около 3/4 всех элементов. По этой причине каждый из не многих элементов анионообразователей будет представлен в относи тельно большем числе минералов по сравнению с элементами, атомы которых играют роль катионов. Этим объясняется столь значительное количество минералов — кислородных соединений, а также водосодер жащих минералов и сульфидов. Для большинства распространенных элементов металлов (главным образом легких и средних атомных ве сов) число минеральных видов проявляет устойчивую пропорциональ ность их атомным кларкам.

Для многих тяжелых металлов подобная зависимость не устанавлива ется. Так, теллур, атомный кларк которого в земной коре примерно в 40 раз меньше, чем кларк селена, в природных условиях образует около 150 са мостоятельных минералов, в то время как для селена их известно всего около 100, и то главным образом в ассоциации с серой. Для цинка с атом ным кларком в 17 раз большим по сравнению с кларком свинца мы имеем около 250 минералов, тогда как для свинца — около 450, и т. д.

Указанные различия, несомненно, вызываются химическими свой ствами самих элементов, обусловленными строением их ионов и опреде ляемыми положением этих элементов в Периодической системе Менде

леева. Для элементов с одинаковыми свойствами, аналогичными строением и размерами ионов, но с различными концентрациями в данном растворе или расплаве естественно ожидать, что при кристаллизации элементы с мень шей концентрацией будут входить в кристаллические структуры, образуе мые господствующими элементами, как бы растворяясь в них. Если же данный элемент в окружающей среде не находит аналогичных себе по размерам и строению ионов других элементов, то в каком бы количестве он ни присутствовал в растворе при кристаллизации, он должен образо вать самостоятельное соединение. Весьма показательно, что двухвалент ный марганец в главной своей массе входит в состав минералов в виде изоморфной примеси к двухвалентным железу и кальцию, но зато четы рехвалентный марганец всегда образует явно индивидуализированные соединения. Этим же объясняется то, что такие элементы, как рубидий, скандий, гафний, индий, рений и др., обладающие низкими атомными кларками, в природе образуют лишь несколько самостоятельных мине ралов, преимущественно же находятся в рассеянном состоянии, присут ствуя в виде изоморфной примеси к другим элементам. В значительной мере это относится и к таким более распространенным элементам, как селен, ванадий, цезий, кадмий и др. Наоборот, элементы с очень низкими атомными кларками — теллур, золото, группа платиновых металлов, вис мут и др. — сравнительно часто устанавливаются в виде самостоятель ных минералов.