Тема 1. Распространение химических элементов

ГЕОХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

 

ПРАКТИКУМ

 

 

ГЕОХИМИЯ ЛИТОСФЕРЫ

 

Тема 1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

 

Одной из фундаментальных концепций геохимии является анализ рас-пространенности химических элементов в различных сферах и оболочках Земли и их компонентах. Этой проблемой занимались практически все круп-ные геохимики. Особенно большой вклад в изучение среднего химического состава геосфер Земли внесли Ф.У.Кларк, И.Фохт, В.И.Вернадский, А.Е.Ферсман, В.М.Гольдшмидт, А.П.Виноградов, А.А.Беус, А.Б.Ронов, К.Турекьян, К.Ведеполь, С.Тейлор и др.

 

В честь Ф.У.Кларка, посвятившего всю свою жизнь исследованию соста-ва земной коры, А.Е.Ферсман в 1923 г. предложил среднее содержание хими-ческого элемента в земной коре или какой-либо ее части называть термином кларк.

 

Для понимания закономерностей распространенности химических эле-ментов в изучаемых системах важное значение имеют основные геохимиче-ские законы.

 

Закон Гольдшмидта -абсолютное количество элементов,т.е.кларки,за-висят главным образом от строения атомного ядра; распространение элемен-тов, связанное с их миграцией, определяется строением наружных электрон-ных оболочек и в меньшей степени ядерными свойствами.

 

Закон Вернадского —указывает на всеобщность рассеяния химическихэлементов в природе. Его важным следствием является обнаружение любого из всех известных в природе химических элементов практически во всех сис-темах Земли, т.е. наличие или отсутствие элемента в изучаемом объекте или системе зависит не от их собственных свойств, а от чувствительности исполь-зуемых аналитических методов.

 

Различают глобальные, региональные и локальные (местные) кларки элементов.

 

В настоящее время установлен ряд глобальных кларков литосферы и ос-новных типов горных пород (табл. 1,2), которые можно использовать в даль-нейших расчетах.

 

5

			Таблица 1
Среднее содержание элементов в литосфере в целом
	и в осадочных породах, %
	Литосфера		Осадочные породы
			(глины)
	по		по К.К.Турекьяну
Элементы	А.П.Виноградову[5]	по А.А.Беусу [2]	К.Х.Ведеполю [19]
Si	29.5	26.7	27,3
Al	8.0	8.1	8.0
Fe	4.6	6.0	4.7
Ca	2.9	5.0	2.2
Na	2.5	2.3	1.0
K	2.5	1.6	2.7
Mg	1.87	3.0	1.5
Ni	0.45	0.6	0.46
P	0.09	0/08	0.07
S	0.05	-	0.24

 

Таблица 2

 

Кларки микроэлементов и литосфере и осадочных породах, n·10^-3%

 

Элементы	Литосфера [5]	Осадочные породы
		глины [19]	карбонатные [2]
Mn	100.0	85.0
Ba	65.0	58.0	40.0
Sr	34.0	30.0	1.0
V	9.0	13.0	61.0
Zn	8.3	9.5	2.0
Cr	8.3	9.0	2.0
Ni	5.8	6.8	1.1
Cu	4.7	4.5	0.2
Co	1.8	1.9	0.4
Pb	1.6	2.0	0.01
B	1.2	1.0	0.9
U	0.25	0.37	2.0
As	0.17	0.13	0.22
Mo	0.11	0.26	0.1
Hg	0.08	0.04	0.0040.04
Sb	0.05	0.14	0.02
Cd	0.013	0.03	0.004
Ag	0.006	0.007	-
Au	0.0004	-	-

 

 

6

Кларки литосферы

 

 

Для литосферы в отечественной литературе применяются в основном кларки А. П. Виноградова [5], А. А. Беуса [2], А. Б. Ронова и А. А. Ярошев-ского [28].

 

Содержание химических элементов в различных типах горных пород, как правило, отличается от кларка литосферы. Количественно это отличие В.М.Вернадский предложил выражать кларком концентрации КК, представ-ляющим собой отношение весового содержания данного элемента в природ-ном объекте Ci к кларку литосферы К:

 

КК = Ci / К >1.

 

Эта величина всегда больше 0. Если КК=1, то содержание элемента в объекте равно его содержанию в литосфере. В том случае, когда Ci значитель-но меньше К, для получения целых чисел и большей контрастности показате-ля целесообразно рассчитывать обратные величины - кларки рассеяния КР, показывающие во сколько раз кларк больше содержания элемента в данном объекте:

 

KP=K / Ci>1.

 

Таким образом, кларки концентрации и кларки рассеяния - показатели, характеризующие относительную распространенность химических элементов в природе.

 

Среднее содержание химических элементов в главнейших типах горных пород иногда именуют кларками этих пород. Одни типы пород близки по хи-мическому составу к литосфере, другие могут очень сильно отличаться от нее

 

и между собой. Графически элементные химические составы пород и других систем можно сопоставить путем построения геохимических спектров эле-ментов, представляющих собой в данном случае ряды кларков концентрации

 

и кларков рассеяния в разных объектах. Один из спектров обычно ранжирует-ся по значениям КК и КР, а другие представляют собой ломанные линии. Та-ким способом можно на одном рисунке одновременно сравнивать до 4-5 объ-ектов по большому числу химических элементов.

 

На рис. 1 приведены геохимические спектры трех типов горных пород, отражающие их отличия от среднего состава литосферы. Глобальные пород-ные кларки наиболее распространенных силикатных горных пород слабо от-личаются от состава литосферы. Так, гранитная и базальтовая оболочка Земли обогащены или обеднены отдельными элементами по сравнению с литосфе-рой в целом не более чем в 1,6 -7 -1,7 раза. В гранитной оболочке преобладают

 

7

кремний и алюминий, но меньше магния, титана, марганца, железа, кальция.

 

В базальтовой, наоборот, больше кальция, железа, титана и меньше калия.

 

Некоторые экзотические типы горных пород, например, ультра-основные, могут сильно отличаться по своему макроэлементному составу от литосферы. Так, в перидотитах высока концентрация магния (КК =10), железа (КК=2) и в то же время они обеднены элементами, свойственными кислым магмам, - кремнием, калием, натрием, алюминием (см. рис.1).

 

 

Рис. 1. Геохимические спектры пород:

 

1 - кислые; 2 - основные; 3 - ультраосновные

 

 

Наиболее контрастно распределение в природных объектах микроэле-ментов. Сравнение средних содержаний микроэлементов в различных горных породах [19] указывает на их сильную литогеохимическую дифференциацию. Особенно большие различия характерны для редких и рассеянных элементов

 

(торий, кобальт, никель, хром, ниобий, лантан и др.), а также некоторых эле-ментов - биофилов (углерода, азота), содержание которых в породах различа-ется в десятки и даже сотни раз.

 

Среди осадочных пород резко преобладают глины и сланцы (около 80% общей массы), их кларки дают представление о составе осадочной оболочки Земли, который по своему химизму ближе всего к составу гранитного слоя. Карбонатные породы, как правило, обеднены большинством химических эле-ментов, за исключением кальция, магния, углерода, стронция. В органогенных породах (углях, глинистых сланцах) концентрация некоторых элементов - бо-ра, германия, молибдена, напротив, составляет десятки, и даже сотни кларков концентраций.