Геохимия как наука

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

химический атом земной кора

Геохимия изучает формы распределения вещества на Земле. Но существует ряд других наук, которые также в той или иной мере касаются вопросов химии Земли (минералогия, петрография, почвоведение и пр.). Поэтому есть необходимость в точном определении геохимии. Определений геохимии как науки существует несколько.

Определение В.И. Вернадского - геохимия изучает химические элементы-атомы земной коры и, насколько возможно, всей планеты. Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве -- времени, их генетические соотношения. К этой формулировке довольно близко определение А.Е. Ферсмана: «Геохимия изучает историю химических элементов-атомов в земной коре и их поведение при различных термодинамических и физико-химических условиях природы».

Геохимия - наука, изучающая распространение атомов химических элементов в космосе и на Земле, историю их существования, происхождение, а также поведение в различных природных условиях.

Понять историю атомов в земной коре (и вообще на Земле и в космосе) можно, лишь изучив свойства этих атомов, так как различные природные процессы, связанные с распределением и миграцией химических элементов в пространстве и времени, являются функцией в первую очередь этих свойств. Современная геохимия учит, что распространенность элементов, т. е. относительные их количества на Земле и в космосе, определяется устойчивостью ядер их атомов, химические же свойства и перемещение атомов (миграция) находятся в тесной связи с характером внешних электронных орбит атомов.

Геохимия, наука сравнительно молодая, переживает в настоящее время стадию особенно интенсивного развития. Достаточно четко оформились следующие основные проблемы:

1. Выяснение закономерностей распределения отдельных химических элементов во вселенной, в различных оболочках Земли (геосферах), особенно в земной коре и биосфере, т. е. выяснение качественного и количественного состава геосфер и причин, определяющих различную распространенность элементов. Изучение в тесной связи с этим законов, управляющих распределением элементов в космосе вообще, т. е. в метеоритах, на Солнце, звездах и т. д.

2. Выяснение закономерностей миграции химических элементов в земной коре и причин неравномерного распределения их на различных участках земной коры (например, концентрация металлов в месторождениях и рассеяние в породах). Выяснение в связи с этим причин, определяющих совместное нахождение элементов и последовательность их выпадения в форме тех или иных минеральных комплексов, т. е. так называемый парагенезис элементов и минералов.

Вторая проблема сводится к изучению причин, которые управляют отдельными природными процессами: выпадением элементов из магматических расплавов (кристаллизация, пегматитовый процесс и др.), из гидротермальных растворов (рудные процессы), из холодных растворов (выпадение солей и др.), биогенезом, гипергенезом, техногенезом и т.д.

Первые две проблемы составляют содержание общей геохимии, на основе которой становится возможным разрешение следующих, более частных, конкретных проблем, касающихся окружающей среды:

3. Геохимия отдельных областей, т. е. выяснение закономерностей в распределении элементов между отдельными географическими системами, геологическими отложениями в связи с их возрастом, тектоникой, петрографическим составом и т. д.

4. Геохимия отдельных элементов, т. е. изучение поведения того или иного атома на Земле при различных термодинамических условиях и на различных стадиях ее космической и геологической истории.

5. Геохимия месторождений полезных ископаемых, и аномалий содержания хим. элементов в природе.

5. Эндемические особенности хим. элементов и болезни.

Говоря об окружающей среде, обычно имеют в виду атмосферный воздух, поверхностные и грунтовые воды, океан, почва, горные породы верхней части литосферы, что можно в целом назвать географической оболочкой.

Геохимия окружающей среды изучает распределение химических элементов верхней части литосферы. Ей приходится много заниматься минералами и горными породами, поскольку они предопределяют форму нахождения веществ и способы их движения в окружающей нас среде. Она должна ответить и на такие вопросы - как сформировался вещественный состав окружающей нас среды, и каковы прогнозы его изменения в будущем. Жизнедеятельность человека протекает на поверхности земной коры, поэтому её вещественный состав непосредственным образом сказывается на качестве его существования.

Большинство организмов, населяющих Землю и оказывающих значительное воздействия на состав атмосферного воздуха, литологии, океанических вод и вод суши, прошли длительный путь эволюции, длительность которой измеряется миллионами, десятками миллионов лет. Бактерии эволюционировали совместно с земной корой уже на протяжении миллиардов лет. Понятно, что в процессе эволюции определились формы жизни, которые воспроизводят условия существования биосферы на поверхности Земли. Поверхность Земли следует воспринимать как целостный организм, воспроизводящий окружающую среду необходимую для собственного существования.

До первой промышленной революции (начало XX века), когда биосферу еще можно было считать находящейся в равновесии, на долю всех позвоночных, включая человека, приходился лишь 1 % потребления органики, производимой всей биосферой. Сейчас лишь одно человечество использует более 7 % органики, производимой растениями и животными. Это сигнал о надвигающейся катастрофе. Другой сигнал связан с ростом концентрации углекислоты в атмосфере. Она и раньше не была постоянной, но биота откликалась на изменение концентрации увеличением или уменьшением прироста фитомассы. В ХХ веке, когда концентрация углекислоты возросла на 17 %, сколько-нибудь заметного увеличения фитомассы не последовало. Скорее, имеет место обратное явление - сокращение, вызванное снижением ассимиляционных свойств окружающей среды по антропогенным причинам. Деятельность промышленности и увеличение концентрации углекислоты в атмосфере вызывает потепление климата на Земле. В 2007 году впервые освободились ото льдов воды между Гренландией и Северной Америкой, что открывает проход судов в этой части океана. Расчеты показывают, что для возвращения биосферы в равновесие, при современных технологиях, а, следовательно, и уровне потребления (в том числе и энергии), население Земли не может составлять более 500 млн. человек.

Последние 150 лет население Земли росло и продолжает расти феноменальными темпами. С древнейших исторических эпох до начала прошлого века численность жителей Земли колебалась около нескольких сотен миллионов человек, то медленно возрастая, то снижаясь из-за эпидемий и волн голода. Только около 1830 г. она достигла численности 1 млрд. человек. Этому в немалой степени способствовало введение новых сельскохозяйственных культур, использование техники, повышавшей эффективность земледелия. Начала практиковаться крупномасштабная селекция домашних животных с высокой продуктивностью молока и мяса. Работы Луи Пастера, показавшие, что эпидемии вызываются микроорганизмами, привели к разработке эффективных мер профилактики и лечения заболеваний. Важнейшим результатом всего этого было резкое снижение младенческой и детской смертности, увеличение продолжительности жизни.

Европа и европейская часть России были покрыты дремучими лесами, ныне уничтоженными объединенными усилиями хлеборобов многих стран, задолго до смены феодального общества капиталистической системой. Таким образом, еще не так давно, всего несколько сот лет назад, биологическая компонента окружающей человека среды достаточно резко отличалась от того, что получило в наследство от своих предков современное поколение. Однако в доиндустриальный период развития и на ранней стадии промышленного периода человека, всецело занятого борьбой с непокорными силами природы, мало интересовали возможные последствия его деятельности, которая практически еще не нарушала сколько-нибудь серьезно установившееся равновесие во взаимодействии геосфер. Рост производительных сил кратно увеличил воздействие человека на природу за последние сто лет. Воздействие человека на окружающую среду многообразно и вызывает множественные изменения в геохимических циклах биосферы, так что итог этих изменений оказывается непредсказуем. Смысл заключается в том, что скорость изменений геохимических циклов Земли существенно меньше темпов роста потребностей человека и его воздействия на среду, которая его окружает. Люди стали заложниками собственного благополучия.

Технический прогресс земной цивилизации изменил это положение коренным образом. Начавшаяся после второй мировой войны научно-техническая революция сопровождалась резким скачком использования природных ресурсов и промышленного производства в глобальном масштабе. Продолжая расти экспоненциально в течение последних 25 лет, производство и потребление природного сырья достигло огромных объемов. С 1965 г. в мире ежегодно добывается и сжигается не менее 3 млрд. т каменного угля, извлекается из недр более 0,5 млрд. т железной руды, более 40 млн. т бокситов, более 5 млн. т меди и т. д. (Беус и др., 1976). По подсчетам Горного бюро США только промышленность Соединенных Штатов за тридцатилетие (с 1940 по 1970 г.) потребила больше минерального сырья, чем все человечество, начиная с античного периода и до второй мировой войны. Таким образом, хозяйственная деятельность человека превратилась в геологический фактор, определяющий развитие планеты.

Таким образом, у человечества три выхода:

влиться в существующие механизмы биосферы, стать одним из механизмов воспроизводства качественного состава окружающей среды, существенно сократив воздействия на неё;

создать свою искусственную замкнутую среду отдельную от природного окружения по типу космического корабля, что пока невозможно из-за недостаточности знаний о функционировании биосферы, естественных геохимических потоках вещества в окружающей среде и отсутствии соответствующих технологий;

уничтожить среду своего обитания и свой вид.

Если убрать третий выход, который можно назвать «выход в никуда», то остаются два. Второй весьма сомнителен в реализации, так как замкнутые производства отсутствуют на Земле и есть подозрения, что такие производства в принципе невозможны. Остается лишь один выход наиболее выгодный - первый, но он требует существенного увеличения расходов на воспроизводство качества окружающей среды и сокращения потребностей в природных ресурсах.

Геохимическая неоднородность земной коры является её особенностью и важнейшем ресурсом, который всегда будет эксплуатироваться человечеством, как источник сырья, так и склад отходов. Основное условие биоразнообразия живого на планете - это разнообразие не столько климатических условий, сколько её геохимической неоднородности.

Практическая значимость

В.И. Вернадский (2005) подчеркивал особую роль геохимии, которая необходима для химиков, геологов, биологов, географов, а её открытия касаются фундаментальных областей физики и подходят к освещению самых общих взглядов на устройство Вселенной. Практическое значение геохимии выражается уже в том, что аномальные содержание веществ в земной коре: очень низкое, или очень высокое может вызвать ряд заболеваний у человека, животных, растений с тяжелыми последствиями. А.А. Сауков (1975) указывал на пользу геохимии в поисках новых источников, видов сырья, что особенно касается рассеянных элементов. По его мнению, человечеству не грозит нехватка минерального сырья, так как в земной коре оно находится в бесконечно большом количестве (относительно потребностей человечества), но в рассеянном состоянии. Необходимы технологии, аналогичные тем, которыми пользуются бактерии, грибы, использующие энергию сол. света для извлечения из первичных минералов горных пород необходимых питательных веществ: фосфатов, солей калия, натрия, кальция, магния, железа и т.д.

Геохимия участвует в поиске месторождений полезных ископаемых, так как концентрация химических элементов, сконцентрированных в месторождении, постепенно снижается в пространстве при удалении от него.

Методы исследования геохимии

Для решения своих задач геохимия пользуется различными методами. Изучение качественного и количественного состава горных пород, минералов, вод, газа, живого вещества ведется аналитическими методами: химическим, микрохимическим, спектрально-оптическим квантометрическим, рентгенохимическим, полярографическим, радиохимическим, люминесцентным и др. Но геохимия предъявляет к этим методам особые, более повышенные требования, чем другие науки. Например, минералоги, петрографы и специалисты по рудным месторождениям интересуются в основном лишь элементами, находящимися в состоянии концентрации, и считают поэтому удовлетворительным анализ, проведенный с точностью до 0,01%. Геохимию в одинаковой мере интересуют и элементы в состоянии рассеяния, содержание которых составляет иногда лишь тысячные, во многих случаях миллионные, а иногда даже и миллиардные доли процента.

Иногда приходится комбинировать различные методы, чтобы еще более повысить чувствительность определений. Например, для определения ряда особо редких элементов в горных породах (рения, галлия и др.) берут очень большие навески (сотни и тысячи граммов), подвергают их химическому обогащению, посредством которого искомый элемент концентрируется в небольшой части вещества, где его потом и определяют количественно, применяя тот или иной чувствительный метод (спектральный, полярографический и др.).

Для решения других геохимических задач, связанных с выяснением миграции атомов, их естественных ассоциаций в земной коре, их относительным распространением в пространстве и т. д., геохимия пользуется рядом других методов.

Одним из наиболее важных методов исследований в геохимии окружающей среды - это сравнительно-географический. В течение ряда последних десятилетий большие успехи сделаны в разработке и применении на практике важного метода -- геохимического картирования, т. е. составления для определенного участка территории такой карты, которая давала бы представление о содержании тех или иных элементов в любой точке изучаемого участка. Таковы, например, купрометричеокие карты для медных месторождений, станнометрические карты -- для оловянных и т. п. На этих картах точки одинаковых содержаний данного элемента соединяются соответствующими кривыми. Такие карты помогают рационально направлять разведочные работы, а в ряде случаев и производить подсчеты запасов металла в данном месторождении.

Кроме подробных частных карт, можно составлять и общие карты, на которые особыми способами могут наноситься спектры химических элементов (соотношения). Попытки составления таких общих карт делались для массивов изверженных пород. Гораздо доступнее поэтому геохимические профили, показывающие изменение содержаний тех или иных элементов по линии разреза. Примерами могут служить литологические профили, если они достаточно охарактеризованы в химическом отношении, а также вертикальные и горизонтальные разрезы по месторождениям с указанием содержаний элементов.

Геохимические особенности той или иной территории, того или иного комплекса пород или месторождения хорошо характеризуются кларками концентрации, т. е. величинами, определяющими, согласно В.И. Вернадскому, содержания элементов для данного объекта по сравнению со средними содержаниями этих элементов, вычисленными для всей земной коры. Если кларк концентрации превышает единицу,-- имеем накопление данного элемента, если кларк концентрации меньше единицы,-- имеем обеднение данным элементом. Так, в месторождениях осадочных железных руд имеем высокие кларки концентрации для железа, мышьяка, марганца и других элементов, низкие кларки концентрации для натрия, калия, кремния и др.

В соответствии с величиной кларков концентрации можно выделить геохимические провинции, для которых характерно обогащение теми или другими элементами. Так, можно говорить об оловоносных, золотоносных, редкоземельных и других геохимических провинциях. Установление кларков концентрации является также одним из характерных методов геохимических исследований.

Важным моментом в геохимии ОС является выявление путей и способов миграции веществ. При выветривании на земной поверхности многих месторождений в результате миграции элементов образуются вокруг этих месторождений ореолы, отличающиеся повышенным содержанием характерных элементов месторождения. Эти ореолы могут быть представлены соответствующими рудными минералами (например, в случае россыпей), растворимыми соединениями (в водных растворах), сорбированными ионами (в рыхлых высокодисперсных продуктах выветривания и в почвах) и т. д.

Изучение этих ореолов также является одним из важных геохимических методов, который позволяет вести поиски соответствующих месторождений. Сюда относится и определение содержания различных элементов в растениях, произрастающих на почвах, которые образовались на тех или иных горных породах или месторождениях: повышенное содержание данного элемента в некоторых растениях указывает на избыток его в почвах, а следовательно, и в том первичном субстрате, из которого они образовались (в породах или месторождениях). Ореолы вокруг угольных и нефтяных месторождений обогащены углеводородами, вокруг урановых -- гелием и радоном. Изучение распределения этих газов в почвах и породах помогает поискам соответствующих месторождений.

При миграции элементов возникают на их пути различные геохимические барьеры, что приводит к концентрации веществ. Изучение таких барьеров также лежит в основе геохимических методов исследования.

Часто, в геохимических исследованиях приходится прибегать и к другим методам, в том числе к методам минералогии, петрографии и других геологических наук, поскольку изучаются в основном минералы, руды, горные породы, воды и газы, залегающие в тех или иных геологических условиях.

1. Краткая история развития геохимических идей

Слово «геохимия» впервые ввел в 1838 г. натуралист К.Ф. Шенбейн, который предсказал неизбежность появления науки, изучающей содержание различных химических элементов в разных типах горных пород и в земной коре в целом. Под этим названием стали понимать науку о закономерностях химического состава, происхождении и миграции масс различных химических элементов, слагающих земной шар. Однако как особая наука геохимия могла создаться только в конце XIX в., после того как Д.И. Менделеевым (1868) была открыта периодическая система химических элементов. На основе её утвердится атомистический взгляд на вещество вселенной.

Особенно большие успехи были сделаны в области изучения распространения химических элементов на Земле и в метеоритах благодаря работам, начатым в США Кларком, а у нас Вернадским много лет назад (первые таблицы Кларка были составлены в 1889 г.). Эти работы заинтересовали большой круг выдающихся ученых, особенно химиков и физиков, разрабатывавших точнейшие методы анализа (химический, спектральный, рентгенохимический, радиохимический, полярографический, люминесцентный и др.). Успехи химии, физики и других наук во второй половине XIX в. и в XX в. позволили теоретически разрешить многие проблемы, которые возникли при обобщении геохимических фактов в эмпирические закономерности.

Исторически первое направление связано с именами Кларка и его последователей (Ноддаки, Гевеши, Панет и др.). Главной задачей геохимии они считали изучение количественного химического состава нашей планеты, особенно земной коры и отдельных ее частей -- горных пород, минералов, гидросферы и атмосферы. Многие тысячи анализов, произведенных при этих исследованиях, позволили решить в первом приближении поставленную задачу в отношении большого числа химических элементов.

Второе направление в геохимии было создано В.М. Гольдшмидтом. Он работал, особенно в первое время, в различных областях геохимии, в том числе над проблемой физико-химического объяснения явлений контактового метаморфизма и над проблемой распространения химических элементов. Придавая исключительное значение размерам радиусов ионов и атомов, оно недостаточно учитывало другие факторы, которые также влияют на распределение химических элементов в различных природных объектах. Важнейшей задачей геохимии он считал при этом объяснение распределения отдельных химических элементов между различными минералами и горными породами, исходя, в первую очередь, из кристаллохимических особенностей решеток минералов, из явлений изоморфизма. Такой взгляд нашел яркое выражение в его известной геохимической классификации элементов, в которой выделяются: элементы первоначальной кристаллизации, изоморфные с Mg и Fe; элементы главной кристаллизации, изоморфные с Si, Al, Ca, К; элементы остаточной кристаллизации, не изоморфные с обычными компонентами горных пород. Кристаллохимическое направление Гольдшмидта оказалось достаточно плодотворным.

Третье направление в геохимии было создано выдающимися советскими учеными В.И. Вернадским и А.Е. Ферсманом. Они определяли задачи геохимии гораздо шире, чем делали это Кларк и Гольдшмидт. Основное внимание они обращали на вопросы миграции атомов, на их поведение в различных условиях земной коры, ставя конечной целью дать для каждого элемента картину его распространения и движения в пространстве и во времени.

В.И. Вернадский справедливо считается творцом новой отрасли знания -- биогеохимии, изучающей роль организмов в истории химических элементов. Он показал, что эта роль огромна и проявляется в разных формах. Организмы концентрируют (или создают условия для концентрации) многие химические элементы, особенно углерод, железо, кремний, фосфор и т. д., иногда в грандиозных масштабах; с другой стороны, они их рассеивают, поскольку микроорганизмы, состоящие из десятков химических элементов, рассеиваются, подобно газу, во всем объеме биосферы.

Большое внимание в течение длительного времени уделял В.И. Вернадский вопросам радиоактивности, интерес к которым у него проявился уже вскоре после самого открытия этого явления и не оставлял его в течение всей жизни. Он был одним из первых, кто разгадал и оценил огромное значение явлений радиоактивности для развития науки и будущих судеб человеческого общества.

В развитии мировой и отечественной геохимии одно из главных мест принадлежит Александру Евгеньевичу Ферсману. Широко известны многолетние работы А.Е. Ферсмана по пегматитам. Еще в самом начале своей научной деятельности он заинтересовался одним из сложных и интересных вопросов геологии - вопросом образования и развития пегматитов. В течение многих лет он собирал, сопоставлял и анализировал материалы по пегматитам. Он развивал и обосновывал идеи о так называемом остаточном расплаве. Его разработки опубликованы в большой монографии «Пегматиты».

Целый ряд его исследований посвящен проблеме кларков; самый термин «кларк» введен А.Е. Ферсманом. Он же предложил наряду с весовыми кларками вычислять атомные, что, как известно, дает более наглядное представление об относительных количествах атомов в геохимической системе. Введенные им логарифмические кривые кларков позволили дать теоретический анализ проблемы в целом и, в частности, объяснить как дефицитность, так и избыточность элементов. Он придавал проблеме кларков очень большое не только теоретическое, но и практическое значение.

А.Е. Ферсман привел к уровню новейших кристаллохимических достижений учение об изоморфизме, дав очень простые и ясные формулировки основных его положений. Он классифицировал многочисленные факты изоморфизма атомов и ионов на основе их положения в периодической системе элементов и ввел очень удобное понятие о звездах изоморфизма, т. е. наметил схемы, которые определяют степень изоморфной смесимости.

А.Е. Ферсман разработал и подробно изложил геоэнергетическую теорию, которая обобщает большой фактический материал, накопленный геохимией, минералогией, петрографией и учением о рудных месторождениях. Она объясняет последовательность кристаллизации минералов из расплавов и растворов, естественные ассоциации элементов и минералов, т. е. объясняет типы месторождений. В общем виде идеи о влиянии принципов термодинамики на ход естественных процессов высказывались неоднократно, однако никто из ученых до А.Е. Ферсмана не подвергал этот вопрос всестороннему и глубокому рассмотрению. В этом, бесспорно, его большая заслуга. Он предложил свой приближенный универсальный метод вычисления энергии кристаллической решетки, введя понятие паев энергии (эков), характеризующих каждый ион, и получая значение энергии кристаллической решетки любого соединения аддитивно из эков входящих в него ионов. Метод этот необычайно прост и достаточно точен для геохимических построений и выводов. Он ввел для каждого соединения особое понятие -- «параген», т. е. функцию, которая определяет место данного соединения в парагенетической последовательности. Геоэнергетическая теория с единой, новой точки зрения обобщает большой фактический материал, накопленный геохимией, минералогией, петрографией и учением о рудных месторождениях.

Глубокий анализ геохимии провели такие русские исследователи как В.Г. Хлопин (радиогеохимия); А.П. Виноградов (кларки элементов, биогеохимия); Д.И. Щербаков (региональная геохимия); К.А. Ненадкевич (геохимия отдельных элементов); Н. В. Белов (кристаллохимия) и др.

Можно отметить геохимические работы, проведенные в Институте общей и неорганической химии АН СССР, Н.С. Курнаковым и его учениками при изучении природных солевых равновесий и условий образования соляных отложений.

Работы в области геохимии отдельных процессов проводились обычно в тесном контакте со специалистами родственных областей знания: минералогами, геологами, химиками, почвоведами и др. Подобные же комплексные исследования проводились в региональном разрезе с целью выяснить геохимические особенности отдельных территорий (Средней Азии, Урала и др.).

В Почвенном институте им. В.В. Докучаева были выполнены обширные исследования процессов выветривания горных пород, химического состава почв и миграции элементов в поверхностной оболочке нашей планеты, а также были заложены основы геохимии ландшафтов (Б.Б. Полынов, Глазовская, Перельман и др.).

Значительны были успехи в области геохимии отдельных элементов, особенно углерода, кислорода, железа, редких элементов, благородных газов, платины, золота, ртути и др. В этой области советские ученые под углом зрения геохимии обобщили материалы, накопленные предыдущими исследователями, существенно дополнив их своими наблюдениями и новыми фактами.

Таким образом, геохимией за 200 лет её развития установлено:

распределение химических элементов и веществ в недрах и на земной поверхности на глобальном и региональном иерархических уровнях,

превращение веществ в результате ядерных реакций, изотопный состав,

их парагенетическая связь химических элементов и веществ,

миграция, геохимические барьеры,

роль биосферы в концентрации и рассеивании вещества,

техногенные превращения и потоки химических веществ в окружающей среде.

2. Кларки химических элементов земной коры

Среднее значение относительного содержания химического элемента в земной коре и в других глобальных и космических системах называется кларком. Название было предложено советским геохимиком А.Е. Ферсманом (1883-1945) в честь американского химика Ф.У. Кларка (1847-1931), внесшего большой вклад в фундамент геохимии. Значения кларков земной коры были установлены благодаря кропотливым исследованиям многих ученых из разных стран.

Кларки химических элементов земной коры различаются более чем на десять математических порядков. Такие количественные различия сказываются на качественной роли элементов в земной коре, и в результате элементы земной коры можно разбить на две группы, а именно: элементы первой группы, имеющие большие кларки, образуют самостоятельные химические соединения, а элементы второй группы (с малыми кларками) большей частью рассеяны среди химических соединений других элементов.

За условную границу между этими группами принимают среднее содержание химического элемента, равное 0,1 %. Таким образом, к первой группе следует отнести следующие десять элементов (их называют главными): O - 48,1 %, Si - 39,9 %, Al - 8,0 %, Fe - 3,6 %, K - 2,7 %, Ca - 2,5 %, Na - 2,2 %, Mg - 1,2 %, Ti - 0,33 %, Н - 0,1 %. Все остальные элементы в земной коре относят ко второй группе и называют их рассеяными.

В геохимии можно встретить такие термины, как «редкоземельные элементы», «элементы-следы», «частота встречаемости». Их происхождение связано с тем, что химический состав горных пород в XIX веке и начале XX изучался с помощью методов весового и объемного анализа. Чувствительность этих методов не позволяла определить низкие концентрации химических элементов, в результате складывалось мнение об отсутствии некоторых элементов в исследуемых образцах. Поэтому-то и возникли эти термины. Но когда в XX веке широко распространились более чувствительные методы - спектроскопический анализ, электронная микроскопия, электронное зондирование, то оказалось, что в действительности «редкие элементы» вовсе уж и не такие редкие, как считалось раньше.

3. Основные формы нахождения химических элементов в земной коре

Любое химическое соединение может образовываться при условии, если концентрация исходных компонентов не ниже необходимой минимальной, в противном случае реакция образования станет просто невозможной. Поэтому в земной коре преобладают химические соединения элементов первой группы, выделяющихся высокими значениями кларков. Примерно 80 % массы земной коры составляют силикаты Al, Fe, Ca, Mg, K и Na; около 12 % приходится на оксид кремния SiO₂. Все эти минералы имеют кристаллическое строение.

Силикатный состав и кристаллическое строение земной коры обусловливают распределение элементов второй группы - рассеянных элементов. Определяющей особенностью ионов в кристаллохимических структурах является та, что радиусы анионов (отрицательно заряженных ионов) много больше радиусов катионов (положительно заряженных ионов). Следуя представлениям В.М. Гольдшмидта (1888-1947), нужно считать ионы твердыми шарами (жесткими сферами), в этом случае анионы будут крупными шарами, а катионы - мелкими. Считая радиус каждого иона величиной постоянной, получим модель кристаллического вещества с ионным типом связи в виде пространства, заполненного крупными шарами - анионами, плотно прилегающими друг к другу, между которыми расположены мелкие шары - катионы. При этом обнаруживается удивительная картина: пересчет химического состава земной коры на атомные объемы показывает, что ионы кислорода занимают более 91 % объема, т.е. земная кора предстает в виде сплошного каркаса из анионов кислорода, а в пустотах этого каркаса располагаются мелкие катионы кремния и других элементов. В результате данный каркас выполняет функцию своеобразного геохимического фильтра, потому что в конкретную кристаллохимическую структуру могут войти только те элементы, которые имеют ионы с соответствующим размером радиуса, но не любой элемент, имеющий нужную валентность. Таким образом, образованию распространенных минералов сопутствует своего рода сортировка рассеянных элементов.

Например, у такого минерала как полевой шпат кристаллохимическая структура образована группировками, которые состоят из трех катионов кремния и одного катиона алюминия, при этом каждый катион связан с четырьмя анионами кислорода. Группировка в целом является комплексным анионом, у которого восемь ионов кислорода, три кремния и один алюминия. В результате осуществляется трехкамерная структура, химический состав которой удовлетворяет формуле K[AlSi₃O₈].

Радиус иона калия равен 0,133 нм, следовательно, место калия в кристаллохимической структуре может занять лишь катион с радиусом, близким к данной величине. Такой катион существует, им является двухвалентный катион бария с радиусом 0,134 нм. Распространенность бария намного меньше, чем калия - значение его кларка составляет 0,068 %. В полевых шпатах барий присутствует обычно в виде небольшой примеси. Однако в некоторых случаях возникает значительная концентрация бaрия и тогда образуется редкий минерал цельзиан (бариевый полевой шпат).

Подобным образом, селективно задерживаются в распространенных минералах, горных породах и другие химические элементы, которые не могут образовывать самостоятельные минералы из-за своей небольшой концентрации. Явление взаимного замещения ионов в кристаллохимической структуре вследствие близости их радиусов носит название изоморфизма. На основе изоморфизма рассеянные элементы закономерно концентрируются в определенных минералах. Полевые шпаты служат носителями бария, стронция, свинца, оливины - никеля и кобальта, цирконы - гафния и т.д. Некоторые элементы, такие как гафний, рений, рубидий совершенно не образуют самостоятельных соединений в литосфере и полностью рассеяны в кристаллохимических структурах минералов-хозяев.

Изоморфным замещением не исчерпываются формы нахождения рассеянных элементов в земной коре. На разных уровнях дисперсности вещества явление рассеяния проявляется в разных формах.

Наиболее грубодисперсная форма рассеяния представлена акцессорными минералами [акцессорный - добавочный, но существующий лишь в связи с другим, основным]. Акцессорные минералы представляют собой окристаллизованные мелкие (менее 0,01-0,02 мм в поперечнике) механические включения в породообразующих минералах. Концентрация рассеянных элементов в акцессориях настолько высока, что эти элементы образуют самостоятельные соединения. В кристаллических породах в качестве акцессориев присутствуют циркон Zr[SiO₄], апатит Ca₅[PO₄], магнетит Fe²⁺Fe³⁺₂O₄, хромит FeCrO₄ и другие минералы. В большинстве породообразующих минералов содержание акцессориев незначительно, однако некоторые породообразующие минералы, например, слюды, отличаются довольно заметным содержанием акцессориев.

Широко распространены так называемые структуры распада твердого раствора - мелкие выделения минерала-примеси в веществе минерала-хозяина. Например, тонкие пластинчатые выделения ильменита FeTiO₃ в магнетите, мелкие выделения минералов серебра в галените PbS. В результате в магнетите присутствует заметная примесь титана, в сульфиде свинца - примесь серебра.

Помимо мелких твердых включений имеются в минералах также микроскопические пустоты, которые заполнены остатками тех растворов, из которых некогда осуществлялась кристаллизация. Эти микрополости обычно содержат жидкую и газовую фазы, иногда к ним добавляются и мелкие кристаллы.

Как показало электронное зондирование, все без исключения породообразующие минералы содержат рассеянные элементы в настолько высокодисперсной форме, что их нельзя обнаружить не только с помощью оптической, но и электронной микроскопии. То есть имеет место рассеяние элементов на уровне ионов и молекул, причем формы такого рассеяния не ограничиваются только явлением изоморфизма, так как во многих случаях присутствие химических элементов в минералах никак не связано с изоморфизмом.

В результате исследования прочности закрепления рассеянных металлов в породообразующих минералах было обнаружено, что если тонко измельченную минеральную массу обрабатывать последовательными порциями слабых кислотно-щелочных растворителей, то значительная часть металлов легко извлекается при первой же экстракции, при этом кристаллохимическая структура минерала не нарушается. При дальнейшей обработке количество экстрагируемых металлов резко уменьшается, а то и вовсе извлечение их прекращается. Отсюда следует предположение, что часть рассеянных элементов не входит в собственно кристаллохимическую структуру, а приурочена к дефектам реальных кристаллов. Под дефектами в данном случае следует понимать разного рода трещины, причем настолько мелкие, что оптический микроскоп их не обнаруживает. Легкость извлечения рассеянных элементов объясняется тем, что они связаны с поверхностью минерала-носителя сорбционными силами.

Формы нахождения рассеянных элементов в кристаллическом веществе земной коры подразделяются на микроминералогические и неминералогические.

Микроминералогические формы:

1. Элементы, входящие в акцессорные минералы.

2. Элементы, содержащиеся в микроскопических выделениях в результате распада твердых растворов.

3. Элементы, находящиеся во включениях остаточных растворов.

Неминералогические формы:

4. Элементы, сорбированные поверхностью дефектов реальных кристаллов.

5. Элементы, входящие в структуру минерала-носителя по законам изоморфизма.

6. Элементы, находящиеся в структуре минерала-носителя в неупорядоченном состоянии.

4. 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.

Размещено на Allbest.ru