Химический состав земной коры как фактор биосферы

Химический состав земной коры как фактор биосферы

Введение

Три наружные оболочки Земли, различающиеся фазовым состоянием, – твердая земная кора, жидкая гидросфера и газовая атмосфера – тесно  связаны между собой, а вещество каждой из них проникает в пределы  других. Подземные воды пронизывают  верхнюю часть земной коры, значительный объем газов находится не в  атмосфере, а растворен в гидросфере и заполняет пустоты в почве  и горных породах. В свою очередь, вода и мелкие твердые минеральные  частицы насыщают нижние слои атмосферы.

Наружные оболочки связаны  не только пространственно, но и генетически. Происхождение оболочек, формирование их состава и его дальнейшая эволюция взаимосвязаны. В настоящее время эта связь в значительной мере обусловлена тем, что наружная часть планеты охвачена геохимической деятельностью живого вещества.

Массы оболочек сильно различаются. Масса земной коры оценивается в 28,46Ч1018 т, Мирового океана – 1,47Ч1018 т, атмосферы  – 0,005Ч1018 т. Следовательно, в земной коре находится основной резерв химических элементов, которые вовлекаются  в миграционные процессы под воздействием живого вещества. Концентрации и распределение  химических элементов в земной коре оказывают сильное влияние на состав живых организмов суши и всего  живого вещества Земли.

Рассматривая проблему состава  живого вещества, В.И. Вернадский отмечал: «…химический состав организмов теснейшим образом связан с химическим составом земной коры; организмы приноравливаются к нему».

1. Относительное  содержание химических элементов  в земной коре

Химики и петрографы начиная со второй половины XIX в. изучали химический состав горных пород методами весового и объемного химического анализа. Суммируя результаты многочисленных анализов горных пород, Ф. Кларк показал, что в земной коре преобладают восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, калий и натрий. Этот основной вывод неоднократно подтвержден результатами последующих исследований. Методами химического анализа, которыми пользовались в XIX в., определение низких концентраций элементов было невозможно. Требовались принципиально иные подходы.

Мощный импульс изучению химических элементов с очень  низкой концентрацией в веществе земной коры дало применение более  чувствительного метода – спектроскопического  анализа. Новые факты позволили  В.И. Вернадскому сформулировать принцип «всюдности» всех химических элементов. В докладе на XII съезде российских естествоиспытателей и врачей в декабре 1909 г. он заявил: «В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы… В песчинке или в капле, как в микрокосмосе, отражается общий состав космоса».

Идея «всюдности» химических элементов долгое время вызывала настороженность даже со стороны крупных ученых. Это было связано с тем, что элементы, содержащиеся в количестве ниже уровня чувствительности метода, при анализе не обнаруживались. Создавалась иллюзия их полного отсутствия, что отразилось на терминологии. В геохимии возникли термины редкие элементы (die seltene Elementen – нем.; rare elements – англ.), частота (die Haufigkeit – нем.) обнаружения. В действительности имеет место не реальная редкость или малая частота встречаемости элемента при анализах, а его низкая концентрация в изучаемых пробах, которая не может быть определена недостаточно чувствительными методами анализа.

Низкая чувствительность метода часто не позволяла определять количество элемента, а лишь констатировать присутствие его «следов». С тех  пор в геохимической литературе широко используется термин? применявшийся  В.М. Гольдшмидтом и его коллегами в 1930-х гг.: элементы-следы (die Spurelemente – нем.; trace elements – англ.; des elements traces – фр.).

В итоге усилий ученых разных стран в 20-х гг. XX в. сложилось общее представление о составе земной коры. Средние значения относительного содержания химических элементов в земной коре и других глобальных и космических системах известный геохимик А.Е. Ферсман предложил называть кларками в честь ученого, который наметил путь к количественной оценке распространения химических элементов.

Кларк – весьма важная величина в геохимии. Анализ значений кларков позволяет понять многие закономерности распределения химических элементов на Земле, в Солнечной системе и доступной нашим наблюдениям части Вселенной. Кларки химических элементов земной коры различаются более чем на десять математических порядков. Столь существенное количественное различие должно отразиться на качественно неодинаковой роли двух групп элементов в земной коре. Наиболее ярко это проявляется в том, что элементы первой группы, содержащиеся в относительно большом количестве, образуют самостоятельные химические соединения, а элементы второй группы с малыми кларками преимущественно распылены, рассеяны среди химических соединений других элементов. Элементы первой группы называют главными, элементы второй – рассеянными. Их синонимами в английском языке являются minor elements, rare elements, наиболее употребляемый синоним trace elements. Условной границей между группами главных и рассеянных элементов в земной коре может служить величина 0,1%, хотя кларки большей части рассеянных элементов значительно меньше и измеряются тысячными и меньшими долями процента. Понятие о состоянии рассеяния химических элементов, так же как и о их «всюдности», было введено в науку В.И. Вернадским.

Полный химический состав верхнего, так называемого гранитного, слоя континентального блока земной коры приведен в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Кларки химических элементов гранитного слоя коры континентов

2. Формы нахождения  химических элементов в земной  коре

Для образования любого химического  соединения требуется концентрация исходных компонентов не меньше минимальной, ниже которой реакция невозможна. Поэтому в земной коре преобладают  химические соединения главных элементов  с высокими кларками. Несмотря на то, что общее количество природных химических соединений – минералов – составляет 2-3 тыс. видов, число минералов, образующих распространенные горные породы, невелико. Более 80% массы земной коры представлено силикатами алюминия, железа, кальция, магния, калия и натрия; около 12% составляет оксид кремния. Все эти минералы имеют кристаллическое строение, которое и определяет общие особенности кристаллохимии земной коры.

В.М. Гольдшмидт показал, что силикатный состав и кристаллическое строение земной коры весьма важны для распределения не главных, рассеянных элементов. Согласно концепции Гольдшмидта в кристаллохимических структурах ионы ведут себя как жесткие сферы (твердые шары). Поэтому радиус каждого иона рассматривается как постоянная величина.

Главная особенность ионов  в кристаллохимических структурах заключается в том, что радиусы  отрицательно заряженных ионов (анионов) значительно больше радиусов положительно заряженных ионов (катионов). Представим анионы в виде крупных шаров, а  катионы – в виде мелких. Тогда  моделью кристаллического вещества с ионным типом связи будет  пространство, заполненное плотно прилегающими большими шарами – анионами, между  которыми должны размещаться мелкие шарики – катионы. Согласно представлениям Гольдшмидта этот каркас играет роль своеобразного геохимического фильтра, способствующего дифференциации химических элементов по величине их ионов. В конкретную кристаллохимическую структуру могут войти не любые элементы, обладающие необходимой валентностью, а лишь те, ионы которых имеют соответствующий размер радиусов.

Образование распространенных минералов сопровождается своего рода сортировкой рассеянных элементов. Для пояснения этого процесса обратимся к распространенному  минералу – полевому шпату. Его кристаллохимическая  структура образована группировками, состоящими из трех катионов кремния  и одного алюминия, каждый из которых  связан с четырьмя анионами кислорода. Группировка в целом представляет собой комплексный анион, где  восемь ионов кислорода, три кремния  и один алюминия. Это создает один отрицательный заряд, который уравновешивается одновалентным катионом калия. В  итоге существует трехкамерная структура, состав которой отвечает формуле K[AlSi3O8].

Величина радиуса иона калия составляет 0,133 нм. Его место в структуре может занять только катион с близкой величиной радиуса. Таковым является двухвалентный катион бария, радиус которого равен 0,134 нм. Барий менее распространен, чем калий. Обычно он присутствует в виде незначительной примеси в полевых шпатах. Только в особых случаях создается его значительная концентрация и образуется редкий минерал цельзиан (бариевый полевой шпат).

Аналогичным образом в  распространенных минералах и горных породах избирательно задерживаются  химические элементы, концентрация которых  не так велика для образования  самостоятельных минералов. Взаимное замещение ионов в кристаллической  структуре благодаря близости их радиусов называется изоморфизмом. Это  явление было обнаружено еще в начале XIX в., но его значение для глобальной дифференциации рассеянных химических элементов установлено только спустя столетие.

В результате изоморфизма  рассеянные элементы закономерно концентрируются  в определенных минералах. Полевые  шпаты служат носителями бария, стронция, свинца; оливины – никеля и кобальта; цирконы – гафния и т.д. Такие  элементы, как рубидий, рений, гафний, не образуют самостоятельных соединений в литосфере и полностью рассеяны в кристаллохимических структурах минералов-хозяев.

Изоморфные замещения  – не единственная форма нахождения рассеянных элементов. Феномен рассеяния  в земной коре проявляется в разных формах на разном уровне дисперсности.

Наиболее грубодисперсной  формой рассеяния являются хорошо окристаллизованные, очень мелкие (обычно менее 0,01 – 0,02 мм в поперечнике) акцессорные минералы. Они образуют механические включения в породообразующих минералах (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Включение акцессорных апатита (1) и циркона (2) в зерне полевого шпата. Прозрачный шлиф, увеличение 160ґ

Содержание акцессориев весьма незначительное, но концентрация рассеянных элементов в них настолько высокая, что эти элементы образуют самостоятельные соединения. В кристаллических породах в качестве акцессориев присутствуют циркон Zr[SiO4], рутил, реже анатаз и брукит, имеющие однотипный состав ТiO2, апатит Са5[РО4]3F, магнетит Fe2+Fe23+O4, ильменит FeTiO3, монацит СеРО4, ксенотим YPO4, касситерит SnO2, хромит ЕеСг2О4 и другие сорных апатита (7) и минералы группы шпинели, минералы группы колумбита (Fe, Mg) (Nb, Та)2О6 и др. Содержание акцессориев в некоторых породообразующих минералах, особенно в слюдах, довольно заметно.

В некоторых минералах, преимущественно  среди сульфидов и им подобных соединений, широко распространены так  называемые структуры распада твердого раствора – мелкие выделения минерала-примеси  в веществе минерала-хозяина. Их примером могут служить «эмульсионная  вкрапленность» халькопирита CuFeS2 и  станина Cu2FeSnS4 в сфалерите ZnS, тонкие пластинчатые выделения ильменита FeTiO3 в магнетите Fe2+Fe23+O4, мелкие выделения минералов серебра в галените PbS. В результате в сульфиде свинца присутствует ощутимая примесь серебра, в сульфиде меди – примесь олова, в магнетите – примесь титана.

Применение поляризационного микроскопа и прозрачных шлифов позволило  обнаружить в минералах не только твердые включения, но и микро-пустоты, заполненные остатками растворов, из которых осуществлялась кристаллизация (рис. 1.2).