Геохимическая классификация элементов В.М.Гольдшмидта

В.М.Гольдшмидт сравнил дифференциацию элементов в расплавленной планете с выплавкой металла из руд, когда на дно металлургической печи опускается тяжелый металл, с плотностью около 7, а на поверхность всплывает легкий силикатный шлак (аналог земной коры). Между ними и располагается слой «штейна»- сульфида Fe с примесью сульфидов других металлов (аналог мантии). Распределение элементов по оболочкам, по Гольдшмидту, зависимо от их атомных объемов. Элементы, меньших атомных объемов, дают сплавы с Fe, в ходе дифференциации они образовали земное ядро (сидерофильные элементы). Элементы, больших атомных объемов, обладают большим сродством к кислороду. При дифференциации они образовали земную кору и верхнюю мантию (литофильные элементы). Элементы с высоким сродством к S, Se, Te (халькофильные) промышленные атомные объемы; они сосредоточены в нижней мантии, образуют сульфидно-оксидную оболочку. Инертные газы относятся к атмофильной группе.

Гипотеза Гольдшмидта о строении Земли представляет лишь исторический интерес, но вытекающая из нее классификация элементов (опубликована в 1924г.) сохранила свое значение. Классификация Гольдшмидта широко применяется в геохимии. Понятия «литофилы», «сидерофилы» и «халькофилы» используются в большинстве геохимических работ. Принципы этой классификации получили дальнейшее развитие в трудах А.А.Беуса и др. геохимиков.

18. Кларки земной коры.

Количественную распространенность химических элементов в земной коре впервые установил Ф. У. Кларк. В земную кору он включал также гидросферу и атмосферу. Поскольку масса гидросферы составляет лишь несколько процентов, а атмосферы — сотые доли процента от массы твердой земной коры, поэтому числа Кларка в основном отражают состав ЗК.

Отдавая должное Кларку, свыше 40 лет посвятившему этим исследованиям, А. Е. Ферсман в 1923 г. предложил термином «кларк» обозначать среднее содержание химического элемента в земной коре, какой-либо ее части, Земле в целом, в планетах и других космических объектах.

Современные методы анализа позволяют с большой точностью определять содержание химических элементов в горных породах и минералах. Представления о кларках некоторых элементов изменились очень сильно. Так, И. Фохт в 1898 г. считал кларк Ge крайне низким — п* 10^-10 %. В 1924 г. Кларк и Вашингтон все еще оценивали кларк Ge в п* 10^-9 % однако вскоре положение изменилось. Ge был обнаружен в углях, где его содержание составляло десятые доли %, были усовершенствованы методы анализа. В середине ХХ в. Ge приобрел огромное значение в радиотехнике и других отраслях. Встал вопрос о поисках германиевого сырья, началось детальное изучение геохимии Ge, анализировались самые различные горные породы и руды. Новый фактический материал показал, что Ge не так уж редок в земной коре. Его кларк в литосфере — 1,4*10^-4%, почти такой же, как у As, Sn.. Ge в земной коре много больше, чем Au, Ag, Pt. По сравнению с расчетами Фохта кларк Ge вырос в миллион раз.

Со дня опубликования первой таблицы Кларка прошло более 100 лет, проделана гигантская работа и общая картина распространенности элементов выявилась достаточно отчетливо. Подтвердилось гениальное положение Вернадского орассеянном состоянии химических элементов. Для I, Hf, Sc, Rb, In, Cs, Ra и некоторых других редких элементов оно является основным, так как они не образуют или почти не образуют собственных минералов; для большинства элементов — преобладающим, и только для О, Si, Al, Fe, Са, Na, К и Mg главной формой нахождения являются собственные минералы.

Итак все элементы есть везде, речь может идти только о недостаточной чувствительности анализа, не позволяющего определить содержание того или иного элемента в изучаемой системе. Это положение oвсеобщем рассеянии химических элементов Н. И. Сафронов предложил именовать законом Кларка — Вернадского.

Кларки земной коры. Кларки самых распространенных магматических, метаморфических и осадочных пород установлены достаточно точно.

Сложнее вопрос о среднем составе земной коры, так как неизвестно соотношение между различными группами горных пород, особенно под океанами. А. П. Виноградов, предположив, что земная кора на 2/3 состоит из кислых пород и на 1/3 — из основных, вычислил ее средний состав, А. А. Беус установил кларки, исходя из соотношения мощностей гранитного и базальтового слоев 1:2.

Данные Виноградова свидетельствуют, что почти половина твердой земной коры состоит из — О (кларк-47). На втором месте стоит Si (кларк 29,5), на третьем — Al (8,05). В сумме они составляют 84,55 %. Если к этому числу добавить Fe (4,65), Са (2,96), Na (2,50), К (2,50), Mg (1,87), Ti (0,45), то получим 99,48%, т. е. практически почти вся земная кора. Остальные 80 элементов занимают менее 1 %. Кларки большинства элементов не превышают 0,01— 0,0001 %. Такие элементы называются редкими. Если они обладают слабой способностью к концентрации, то именуются редкими рассея нными (Br, In, rа, I, Hf, Ке, Sc и др.). Например, у U и Br кларки почти одинаковы (2 5 10^-1 и 2,1 10^-1 %), но U просто редкий элемент, так как известны его месторождения, а Br — редкий рассеянный, так как он почти не концентрируется в земной коре и известен лишь один собственный минерал этого элемента. В геохимии употребляется также термин «микроэлементы», под которыми понимаются элементы, содержащиеся в данной системе в малых количествах (порядка 0,01 % и менее). Так, А1 — микроэлемент в организмах и макроэлемент в силикатных породах.