предыдущая главасодержаниеследующая глава

Глава I. Земная кора и особенности ее состава

Строение земного шара. Главным объектом геологических, в том числе и минералогических, исследований является земная кора*, под которой подразумевается самая верхняя оболочка земного шара, доступная непосредственному наблюдению. Сюда относятся: нижняя часть атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы, т. е. твердой части Земли.

*(Название "земная кора" дано совершенно условно-оно никакого отношения не имеет к первичной коре остывания земного шара)

Наши фактические знания о строении и химическом составе земной коры основываются почти исключительно на наблюдениях над самыми поверхностными частями нашей планеты. Местами, благодаря шахтным разработкам месторождений полезных ископаемых, известны и более глубокие части земной коры. В золоторудном месторождении Витватерсранд (Южная Африка) наибольшая глубина шахт составляет 2330 м. Самые глубокие нефтяные скважины достигают глубины 4-5 км.

Горообразующие процессы, совершавшиеся в различные геологические эпохи и приводившие к образованию высоких горных хребтов, подняли из глубины самые различные породы, не образующиеся вблизи поверхности Земли. Однако это дает возможность, как показывают геологические наблюдения и подсчеты, получить более или менее реальное представление о составе и строении земного шара только до глубины 16 - 20 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 плотностей всего земного шара (5,527) и земной коры (2,7-2,8), внутренние части нашей планеты должны обладать значительно большей плотностью, чем поверхностные. Как предполагают на основании различных данных (геофизические наблюдения, данные сравнения Земли с другими космическими телами, состав метеоритов и пр.), это обстоятельство обусловлено не только увеличением с глубиной давления, но и изменением состава внутренних частей нашей планеты.

Наибольшим признанием в настоящее время пользуется гипотеза В. М. Гольдшмидта о строении земного шара. Последний, по его представлениям, состоит из трех главных концентрически расположенных зон (геосфер):

  1. наружной - литосферы;
  2. промежуточной - халькосферы, богатой окислами и сернистыми соединениями металлов, преимущественно железа,
  3. центральной - сидеросферы, представленной железо-никелевым ядром.

Литосфера в свою очередь подразделяется на две части:

  • верхнюю оболочку - до глубины 120 км,сложенную в основном обычными силикатовыми породами,
  • нижнюю - эклогитовую оболочку (120-1200 км), представленную силикатовыми породами, обогащенными магнием.

По В. М. Гольдшмидту, отдельные геосферы характеризуются следующими данными:

  Мощность км Плотность состав
Атмосфера несколько сот 0-0,0015 N2, O2, H2O, CO2, благородные газы
Биосфера 0-11 Около 1 Органические вещества и минералы скелетов
Гидросфера 0-11 1 H2O и др. (океаны, отчасти внутренние
воды, снег и лед)
Верхняя силикатовая
оболочка
50-120 2,73 Литофильные* элементы:
О, Si,*Al, Ca, Mg, Na,
К, Li, Rb, Ba и др.
Эклогитовая оболочка 1100 3,6-4 Силикаты, главным
образом Mg и Fe
Сульфидно-окисная
оболочка
1700 5-6 Халькофильные** элементы:
S, Se, Те, Fe, Cu, Zn, Pb,
Cd, Hg, Sb, Bi, As,
Au, Ag и др.
Железо-никелевое ядро 3500 8-10 Сидерофильные*** элементы:
Fe, Ni, Со, группа платины;
Mo, Р, С и др.

*( От греческого слова "литос" - камень; для большинства литофильных элементов характерно сродство к кислороду)

**( От древнегреческого слова "халькос" - медь; для большинства халькофильных элементов характерно сродство с серой)

***(От древнегреческого слова "сидерос" - железо ("метеорит"))

Состав земной коры. Средний химический состав доступной наблюдению земной коры условной мощностью в 16 км, включая сюда гидросферу, биосферу и прилегающую часть атмосферы, подсчитывался многими учеными. Впервые состав твердой части земной коры в весовых процентах подсчитал американский исследователь Ф. Кларк в 1889 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 др.

По предложению акад. Ферсмана средние цифры содержаний отдельных элементов в земной коре стали называть "числами Кларка", или просто "кларками". Он же предложил выражать эти величины не только в весовых процентах, но и в атомных.

Из девяноста семи химических элементов, приведенных в периодической таблице элементов Менделеева (табл. 1), лишь немногие пользуются широким распространением в земной коре. Такие элементы в таблице располагаются в верхней ее части, т. е. относятся к числу элементов с малыми порядковыми номерами.

Таблица 1. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
Периоды Группы
0 I II III IV V VI VII VIII
I   1.H
Водород
1,0080
             
II 2.He
Гелий
4,003
3.Li
Литий
6,940
4.Be
Бериллий
9,013
5.B
Бор
10,82
6.C
Углерод
12,010
7.N
Азот
14,008
8.O
Кислород
16,0000
9.F
Фтор
19,00
 
III 10.Ne
Неон
20,183
11.Na
Натрий
22,997
12.Mg
Магний
24,32
13.Al
Аллюминий
26,97
14.Si
Кремний
28,06
15.P
Фтор
30,98
16.S
Сера
32,066
17.Cl
Хлор
35,457
 
IV 18.Ar
Аргон
39,944
19.K
Калий
39,096
20.Ca
Кальций
40,08
21.Sc
Скандий
45,10
22.Ti
Титан
47,90
23.V
Ванадий
50,95
24.Cr
Хром
52,01
25.Mn
Марганец
54,93
26.Fe
Железо
55,85
27.Co
Кобальт
58,94
28.Ni
Никель
58,69
  29.Cu
Медь
63,57
30.Zn
Цинк
65,38
31.Ga
Галлий
69,72
32.Ge
Германий
72,60
33.As
Мышьяк
74,91
34.Se
Селен
78,96
35.Br
Бром
79,916
 
V 36.Kr
Криптон
83,7
37.Rb
Рубидий
85,48
38.Sr
Стронций
87,63
39.Y
Иттрий
88,92
40.Zr
Цирконий
91,22
41.Nb
Ниобий
92,91
42.Mo
Молибден
95,95
43.Tc
Технеций
99
44.Ru
Рунетий
101,1
45.Rh
Родий
102,91
46.Pd
Палладий
106,7
  47.Ag
Серебро
48.Cd
Кадмий
49.In
Индий
50.Sn
Олово
51.Sb
сурьмяа
52.Te
Теллур
53.J
Иод
 
VI 54.Xe
Ксенон
131,3
55.Cs
Цезий
132,91
56.Ba
Барий
137,36
57.La*
Лантан
138,92
72.Hf
Гафний
178,6
73.Ta
Тантал
180,88
74.W
Вольфрам
183,92
75.Re
Рений
186,31
76.Os
Осмий
190,2
77.Ir
Иридий
193,2
78.Pt
Платина
195,23
  79.Au
Золото
197,2
80.Hg
Ртуть
200,61
81.Tl
Таллий
204,39
82.Pb
Свинец
207,21
83.Bi
Вислут
209,00
84.Po
Полоний
210
85.At
Астатий
211
 
VII 86.Rn
Радон
222
87.Fr
Франций
223
88.Ra
Радий
226,05
89.Ac
Актиний
227
90.Th
Торий
232,12
91.Pa
Протактиний
231
92.U**
Уран
238,07
   
*58-71. TR-редкие земли (лантаноиды): **Ураноиды (актиноиды):
58.Ce
Церий
140,13
59.Pr
Празеодимий
140,92
60.Nd
Неомидий
144,27
61.Pm
Прометий
147,0
62.Sm
Самарий
150,1
63.Eu
Европий
152,0
64.Gd
Гадолиний
156,9
92.U
Уран
238,07
93.Np
Нептуний
237
94.Pu
Плутоний
 
95.Am
Америций
 
96.Cm
Кюрий
 
97.Bk
Беркелий
 
98.Cf
Калифорний
 
65.Tb
Тербий
158,9
66.Dy
Диспрозий
162,46
67.Ho
Гольмий
164,94
68.Er
Эрбий
167,2
69.Tu
Тулий
168,9
70.Yb
Иттербий
173,04
71.Lu
Лютеций
174,99
             

Как видно из диаграммы (рис. 3), наиболее распространенными элементами являются: О, Si, Al, Fe, Ca, Na, К, Mg, Н, Ti, С и Cl. На долю остальных 80 элементов приходится всего лишь 0,71% (по весу).

Рис. 3. Диаграмма распространения главнейших элементов в земной коре (литосфера+ гидросфера+часть атмосферы) в весовых процентах В боковых колонках черными столбиками показаны важнейшие металлы
Рис. 3. Диаграмма распространения главнейших элементов в земной коре (литосфера+ гидросфера+часть атмосферы) в весовых процентах В боковых колонках черными столбиками показаны важнейшие металлы

Подавляющее большинство этих элементов в земной коре присутствует почти исключительно в виде химических соединений. К числу элементов, встречающихся в самородном виде, относятся очень немногие. Те и другие возникают в результате химических реакций, которые протекают в земной коре при различных геологических процессах, приводящих к образованию самых разнообразных по составу массивов горных пород и месторождений полезных ископаемых.

Если главнейшие элементы расположить в порядке их процентного (весового) содержания в земной коре на группы по декадам*, то получится такая картина (табл. 2).

*(От греческого слова "дека"-десять)

Таблица 2. Весовые кларки главнейших химических элементов, в процентах (1932 г)
I O-49,13
Si-26,00
IV F-0,08
Ra-0,05
N-0,04
Sr-0,035
Cr-0,03
Zr-0,025
V-0,02
Ni-0,02
Zn-0,02
B-0,01
Cu-0,01
VII Se-8.10-5
Sb-5.10-5
Nb-3,2.10-5
Ta-2,4.10-5
Pt-2.10-5
Bi-1.10-5
Ag-1.10-5
In-1.10-5
XII Ra-1.10-10
II Al-7,45
Fe-4,20
Ca-3,25
Na-2,40
K-2,35
Mg-2,35
H-1,00
V Sn-0,008
W-0,007
Li-0,005
Be-0,003
Co-0,002
Pb-0,0016
Mo-0,001
Cs-0,001
Br-0,001
Th-0,001
VIII He-1.10-6
Te-1.10-6
   
III Ti-0,61
C-0,35
Cl-0,20
P-0,12
S-0,10
Mn-0,10
VI Cd-5.10-4
As-5.10-4
U-4.10-4
Ar-4.10-4
Hg-1.10-4
J-1.10-4
Ga-1.10-4
IX Au-1.10-7
Re-1.10-7
   

Из табл. 2 видно, что подавляющая масса минералов земной коры должна представлять соединения элементов первых двух декад, на долю которых в весовом выражении приходится 98,13%. В самом деле, в земной коре чрезвычайно широко распространены кислородные соединения кремния, алюминия, железа, а также щелочноземельных и щелочных металлов - кальция, магния, натрия и калия. К их числу относятся главным образом окислы и кислородные соли (силикаты, алюмосиликаты и др.), входящие в состав различных горных пород, слагающих земную кору.

Кларки металлов, играющих большую роль в промышленности, в подавляющем большинстве выражаются ничтожными величинами и попадают в последние столбцы элементов, разбитых на декады по степени распространения (табл. 3).

Таблица 3. Распространенность главных металлов в земной коре
Декады II III IV V VI VII VIII IX-XII
Металлы Al,Fe,
Mg
Mn Cr,V,
Ni,Zn,
Cu
Sn,W,
Be,Co,
Pb,Mo
Cd,As,
U,Hg,
Ga
Sb,Nb,
Ta,Pt,
Bi,Ag,
Ti,In
Os,Ru,
Rh,Pd,
Ir
Au,Re,
Ra

Некоторые особенности распределения тяжелых металлов в земной коре. Многие из указанных редких в земной коре элементов под влиянием совершающихся в природе геохимических п ссов нередко образуют исключительно богатые скопленирального вещества, носящие названия рудных месторождений. Если бы не существовало процессов, приводящих к образованию таких месторождений, которые имело бы смысл разрабатывать с целью извлечения ценных для промышленности металлов, то можно с уверенностью сказать, что не было бы и столь мощного развития техники и культуры, какое наблюдается в настоящее время. Тогда бы многие металлы, извлеченные из пород в лабораторных условиях, относились к исключительно дорогим металлам. Весьма характерно, что кларки таких металлов, как ванадий, цезий, галлий и др., во много раз выше кларков ртути, висмута, серебра, золота и др. Но, несмотря на их весьма ценные свойства, они в человеческом быту не распространены, так как их месторождения с промышленными концентрациями в природе крайне редки.

Природные соединения тяжелых металлов представляют собой в основном сравнительно простые соединения. Часть этих элементов (Fe, Mn, Sn, Cr, W, Nb, Та, Th, U) преимущественно распространена в виде кислородных соединений, но зато многие другие элементы (Fe, Ni, Со, Zn, Cu, Pb. Hg, Mo, Bi, As, Sb, Ag и др.) встречаются главным образом в виде скоплений сернистых, мышьяковистых и сурьмянистых соединений.

В. М. Гольдшмидт указывает, что распространенность элементов в земной коре по мере увеличения их порядковых чисел уменьшается (рис. 4). Это происходит большей частью по правилу: распространенность обратно пропорциональна седьмой-восьмой степеням порядкового числа. Однако бросаются в глаза отклонения для трех элементов: лития, бериллия и бора (рис. 4), имеющих низкие порядковые числа - 3,4 и 5. Для некоторых элементов наблюдаются отклонения в сторону увеличения (железо с порядковым номером 26).

Рис. 4. Распространенность элементов в верхней части литосферы. На диаграмме даны логарифмы атомных концентраций (H) как функции порядкового номера (Z), причем кислород принят за единицу
Рис. 4. Распространенность элементов в верхней части литосферы. На диаграмме даны логарифмы атомных концентраций (H) как функции порядкового номера (Z), причем кислород принят за единицу

Если сравнить распространенность химических элементов в земной коре в атомных кларках с числами минералов, в которые они входят, то, как указал П. П. Пилипенко, между ними, за небольшим исключением, устанавливается некоторая прямая (симбатная) зависимость. Это имеет место преимущественно для элементов, обладающих малыми атомными весами:*

*(В число минералов не включены лишь разновидности, в которые данный элемент входит в виде изоморфной примеси)

Элемент Атомный кларк Число минералов
O 53,39 1221
H 17,25 798
Si 16,11 377
Al 4,80 268
Na 1,82 100
Mg 1,72 105
Ca 1,41 194
Fe 1,31 170
K 1,05 43
C 0,51 194
Ti 0,22 30
Cl 0,10 67
F 0,07 50

Для многих тяжелых металлов подобная зависимость не устанавливается. Так, теллур, атомный кларк которого в земной коре примерно в 100 раз меньше, чем кларк селена, в природных условиях образует около 40 самостоятельных минералов, в то время как для селена их известно всего 28, и то главным образом в ассоциации с серой. Для цинка, с атомным кларком, в 50 раз большим по сравнению с кларком свинца, мы имеем 26 минералов, тогда как для свинца - около 130, и т. д.

Указанные различия несомненно вызываются химическими свойствами самих элементов, обусловленными строением их ионов и определяемыми положением этих элементов в периодической системе Менделеева. 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 меньшей концентрацией будут входить в кристаллические решетки, образуемые 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 образовать самостоятельное соединение. Весьма показательно, что двухвалентный марганец в главной своей массе входит в состав минералов в виде изоморфной примеси к двухвалентным железу и кальцию, но зато четырехвалентный марганец всегда образует явно индивидуализированные соединения. Этим же объясняется, что такие элементы, как рубидий, скандий, галлий, гафний, индий, рений и др., обладающие низкими атомными кларками, в природе совершенно не образуют самостоятельных минералов, а находятся в рассеянном состоянии, присутствуя 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, висмут и др. - сравнительно часто устанавливаются в виде самостоятельных минералов.

Важно указать, что общее число природных химических соединений несравненно меньше, чем их можно получить искусственным путем. Число одних только неорганических соединений, получаемых в лабораторных условиях, выражается многими сотнями тысяч. В природе же известно всего лишь около 1700 минералов, включая и их разновидности. Это ни в коем случае нельзя объяснять слабой изученностью состава земной коры. За последние десятилетия число ежегодно открываемых новых минералов перестало превышать 10-20, несмотря на совершенствование методик и тщательность проводимых исследований. Возможности же синтеза искусственных соединений все более и более расширяются. Установлено, например, что элементы группы платины способны дать огромное количество самых разнообразных и сложных химических соединений, а в природных условиях известно буквально не больше трех десятков минералов, и то преимущественно в виде самородных металлов.

Таким образом, природная химия, или геохимия, особенно глубинных частей земной коры, по сравнению с лабораторной химией значительно проще по тем конечным продуктам, которые мы изучаем в виде минералов. Многие природные химические реакции протекают при высоких температурах и давлениях, нередко в твердых средах и в течение весьма длительного времени. Минералогия самой поверхностной части литосферы, особенно зоны выветривания, где господствуют низкие температуры и давления, гораздо сложнее. Но все же концентрации многих химических компонентов в поверхностных растворах столь низки, что общее количество образующихся здесь соединений значительно уступает тому, что может быть получено в лаборатории.

предыдущая главасодержаниеследующая глава
















Rambler s Top100 Рейтинг@Mail.ru
© IZNEDR.RU, 2008-2020
При использовании материалов сайта активная ссылка обязательна:
http://iznedr.ru/ 'Из недр Земли'
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной
1500+ квалифицированных специалистов готовы вам помочь