Химический состав земной коры

Химический  состав земной коры

Земная кора в химическом отношении из всех внутренних геосфер Земли изучена наиболее детально. Но и в ее пределах достоверные  данные о химическом составе горных пород получены только для самой  верхней, доступной для наблюдений части материков, то есть до глубины 10-15 км.

Первые сведения о химическом составе земной коры принадлежат американскому ученому  Ф. Кларку, который, основываясь на результатах 6000 химических анализов различных горных пород, в 1889 году высчитал и опубликовал средние содержания 50 основных химических элементов земной коры. Позднее эти результаты уточнялись многими учеными, в частности, В.И. Вернадским, А.П. Виноградовым, Г.В. Войткевичем, О.Б. Роновым, Р. Тейлером и другими, которые не только существенно дополнили знания о химическом составе земной коры, но и по предложению А.Е. Ферсмана ввели понятие кларков.

Кларк - это среднее  содержание химического элемента в  земной коре. Различают массовые (весовые), атомные и объемные кларки. Массовые кларки - это средние массовые содержания элементов, выраженные в процентах или граммах на тонну. Атомные кларки отражают процентное количество числа атомов, а объемные показывают, какой объем породы в процентах занимает данный элемент.

Наиболее распространенными  химическими элементами в земной коре, кларки которых превышают единицу или близки к ней, являются кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, магний, калий и водород. Они составляют более 98% земной коры, при этом около 80% приходится на долю кислорода, кремния и алюминия (табл. 3.1).

Указанные выше элементы (кроме водорода), а также  углерод, фосфор, хлор и фтор являются главными составляющими горных пород, в связи с чем их называют породообразующими, или петрогенными. Элементы, характеризующиеся  незначительными кларками, образуют группу редких или рассеянных элементов. Кроме этого выделяют еще металлогенные элементы, составляющие, главным образом, руды металлических полезных ископаемых. К ним относятся медь, свинец, цинк, молибден, ртуть и другие. Однако, существуют также элементы, которые в природе играют двойную роль: с одной стороны они могут выступать как петрогенные, и входят в основной состав горных пород, а с другой - образуют типичные соединения металлов как рудогенные. Примером их могут служить железо, марганец, алюминий и другие.

Таблица 3.1 - Средний  химический состав земной коры (химические элементы, %)

Неравномерность распространения химических элементов  в земной коре является одной из особенностей ее химизма. Это также  нашло отражение в периодической  системе Д.И. Менделеева. Так, кларки первых 30 элементов системы (от водорода до цинка), в основном, составляют целые и десятые доли процентов, кларки же других элементов лишь в единичных случаях достигают тысячных долей процента.

Нагляднее характер распространения химических элементов в земной коре выражается полулогарифмической кривой А.Е. Ферсмана (рис. 3.1), где на оси абсцисс показаны порядковые номера элементов периодической системы, а на оси ординат - логарифмы кларков. Как видно из диаграммы, значение кларков большинства элементов занимают положение вблизи трендовой линии. Эти элементы относятся к элементам с нормальной распространенностью. Выше средней кривой находятся избыточные элементы, к которым относятся практически все петрогенные, а ниже этой кривой расположены элементы, которые получили название дефицитных. Это благородные газы, бериллий, гелий, селен, платиноиды, литий и другие.

Рисунок 3.1 - Логарифмы кларков химических элементов земной коры (по А.Е. Ферсману)

Абсолютное большинство  химических элементов представляют собой группу атомов с различным  массовым числом, но с одинаковым зарядом, то есть - это ассоциации изотопов. В  земной коре существует более 360 изотопов. Отдельные химические элементы состоят из нескольких изотопов. Например, олово имеет десять изотопов, ксенон - девять, кадмий и теллур по восемь. Такие элементы называются сложными. Существуют также и простые химические элементы, не имеющие изотопов. К ним относятся железо, натрий, фосфор, ванадий, марганец, золото и другие, всего 22. Изотопный состав сложных химических элементов зависит от их происхождения. Так, свинец, в состав которого входят четыре изотопа (Pb²⁰⁴, Pb²⁰⁶, Pb²⁰⁷, Pb²⁰⁸), может быть урановым, как продукт распада урана с изотопом Pb²⁰⁶, или ториевым с изотопом Pb²⁰⁴ (продукт распада тория).

Ошибочным было бы считать, что именно элементы с  высокими кларками образуют месторождения  полезных ископаемых. В данном случае основная роль принадлежит не кларковым содержаниям, а 
свойствам того или иного элемента образовывать значительные концентрации. Например, такие металлы как галлий, цезий, бериллий с высокими кларками не образуют самостоятельных месторождений, и наоборот более редкие элементы, такие как висмут, ртуть, золото, серебро, могут образовывать промышленные концентрации. Это объясняется тем, что кларковое содержание химических элементов зависит от строения атомного ядра, а свойство элементов образовывать промышленные концентрации - от химических свойств атомов и устойчивости связей внешних электронов. Т.е. в способности атомов отдавать или присоединять электроны и, таким образом, образовывать соединения. Одной из форм существования таких соединений химических элементов являются минералы, как следующий уровень организации земного вещества.