Еще в 50-ые годы до нашей эры Пифагор пришел к выводу о шарообразности Земли. В 17 веке Ньютон открыл «закон всемирного тяготения».
Следовательно стало очевидным, что планета, которая находится во вращении должна получить сжатие у полюсов и растяжение у экватора, то есть приобрести форму близкая к эллипсоиду.
Эллипсоид = сфероид= эллипсоид вращения = сфероид Красовского.
Геоид– тело ограниченное основной уровневой поверхностью.
Сфероид, ориентированный в теле геоида будет называться – референец эллипсоид (используется в геодезии).
В 1924 году были приняты постоянные величины Земли:
Радиус полярный – 6,356 км.
Радиус экваториальный – 3,378 км.
Радиус средний – 6,371 км.
Рельеф.
Под рельефом Земли понимают все неровности каменной оболочки. На картах рельеф изображается изогипсами. Отметки могут быть относительными и абсолютными. Абсолютная отметка отличается от нулевого уровня океана. Относительные отметки отсчитываются от любой другой горизонтальной поверхности плоскости по отношению к нулевой. Крупные выпуклости обычно располагаются по краям континента, а низкие расположены в центре.
Сила тяжести, обусловливающая вес тел, всегда направлена перпендикулярно к поверхности геоида. Над океанами сила тяжести всегда больше, чем над континентом. Над континентом, на фоне пологого убывания силы тяжести, присутствуют участки оптимального возрастания и убывания силы тяжести. Они называются положительными и отрицательными гравитационными аномалиями.
Положительная аномалия– свидетельствует о более плотных горных пародах, связанных с рудообразованием.
Отрицательная аномалия– свидетельствует о более легких пародах (часто указывает на нефть и газ).
У поверхности Земли температурный режим определяется двумя факторами: солнечным теплом и собственным теплом планеты.
Солнечные лучи проникают на глубину 8 – 30 метров. Ниже этой границы расположен пояс постоянной температуры.
Геотермическая ступень -количество метров, на которое нудно погрузится ниже пояса постоянной температуры, чтобы получить прирост в 1 градус. Среднее ее значение – 33 метра.
Геотермический градиент– это величина возрастания температуры при погружении в Землю на каждые 100 метров (измеряется в градусах).
Земля представляет собой магнит, полюса которого не совпадают с географическими полюсами. Северный магнитный полюс расположен на полуострове Беотия (Сев. Канада). Южный на меридиане Новой Зеландии у северо-восточной оконечности Земли Виктории. Линия, вдоль которой становится магнитная стрелка – магнитный меридиан.
Плотность Земли.
Очень просто определить плотность горных парод, которые находятся на поверхности Земли.
Нефть – 0,7 гр./см3
Торф – 1,5 гр./см3
Вода морская – 1,8 гр./см3
Антрацит – 1,4 гр./см3
Каменная соль – 2,3 гр./см3
Глина – 2,4 гр./см3
Пещаник – 2,6 гр./см3
Гранит – 2,6 гр./см3
Базальт – 2,9 гр./см3
Габбро - 3 гр./см3
Средняя плотность Земли 5,52 гр./см3.
Плотность ядра – 11 гр./см3.
Химический состав Земли.
Изучен до глубины 15 – 20 км. Впервые изучением химического состава Земли занялся Клерк Ферсман. Число Клерка показывает процентное распространение элементов в Земной коре.
Кислород – 50%
Кремний – 25%
Алюминий – 7%
Железо – 4%
Кальций – 2%
Натрий – 2%
Калий – 2%
Магний – 2,5%
Прочее – 2,76%
На первые восемь элементов приходится 97,24%.
С глубиной химический состав Земли меняется и возрастает роль тяжелых металлов (Fe,Mg,Ni,Hg).
Строение Земли.
Внутренние сферы Земли:
Ядро
Мантия
Земная кора.
Внешние сферы Земли:
гидросфера
биосфера
атмосфера
тропосфера
стратосфера
мезосфера
ионосфера
экзосфера
Внутренние сферы Земли
Земная кора.
Осадочный слойсложен из рыхлых горных парод с небольшой плотностью, мощность осадочного слоя – 10-15 километров.
Гранитный слойсложен магматическими и метаморфическими горными пародами. Богатые алюминием и кремнеземом, местами гранитный слой может отсутствовать (на дне Тихого океана его нет). Мощность – 40-60 км. Температура у нижней границы слоя 1000 С. Давление 10000 атмосфер. Сейсмические волны проходят через данный слой со скоростью 6 км/с.
Базальтовый слойприсутствует везде в основе Земной коры. Мощность 5-30 км. Вещество, слагающее данный слой менее богато кремнеземом, чем гранитный. Плотность 3,3 гр./см3. Скорость прохождения сейсмических волн 7 км/с.
Граница, отделяющая базальтовый слой от гранитного называется границей Мохоровича, граница Мохо, граница М.
Мантия.
Очень мощная геосфера, занимающая пространство от 8-80 км до 2900 км. По своему составу мантия неоднородна:
В(верхняя мантия) слагается в основном из магнезиальных силикатов (алев ин).
С(средняя мантия) в этом слое вещество находится в твердом состоянии, плотность 4,6 гр./см3. Давление 246000 атмосфер.
D(нижняя мантия) примерно однородна по составу (оксиды железа, магния, в меньшей степени алюминия и титана), граница между мантией и ядром отбивается довольно четко на глубине 2900 км.
Ядро.
Все сведенья о составе ядра основывается на предположениях. Ученые Молодецкий и Соверенский – советские географы, занимались изучением ядра.
studfiles.net
Южное окружное управление образования
ГОУ средняя общеобразовательная школа №858.
Ковалева Анастасия. 10 «А» класс
Москва.
Октябрь- март 2006- 2007 г.
Департамент образование города Москвы
Южное окружное управление образования
ГОУ средняя общеобразовательная школа №858.Проектная работа «Космическая химия»
Руководитель работы:^ Агибалова Галина Михайловна Учитель химии
Исполнитель проекта:
Ковалева Анастасия
Ученица 10 «А» класса
Москва.
Октябрь- март 2006- 2007 г.
Цель работы:
1.Исследовать химию планет, звезд, межзвездного пространства.
2.Узнать и рассказать о новых и интересных фактах, касающихся космической химии.
3. Познакомиться с наукой Космохимией
4. Воспользоваться новыми источниками для создания работы.
5. Использовать полученные знания в дальнейшем.
Космическая химия.
План:
Введение;
Химия Земли;
Химический состав метеоритов;
Химический состав звезд;
Химия межзвездного пространства;
Начало лунной химии;
Химический состав планет;
Список литературы.
Если ты любишь смотреть на звездное небо,
Если оно привлекает тебя своей гармонией
И поражает своей необъятностью-
Значит, у тебя в груди бьется живое сердце,
Значит оно сможет отзвучать на сокровенные,
слова о жизни космоса.
«Космические легенды Востока»
«Космическая химия глубокого космоса»- звучит забавно, однако химия имеет прямое отношение ко многим достижениям человека в освоении космоса.
Без усилий многочисленных ученых-химиков, технологов, инженеров-химиков не были бы созданы удивительные конструкционные материалы, которые позволяют космическим кораблям преодолеть земное притяжение, сверхмощное горючее, помогающее двигателям развить необходимую мощность, точнейшие приборы, инструменты и устройства, которые обеспечивают работу космических орбитальных станций.
К сожалению, человек научился использовать только те материалы, которые находятся на поверхности Земли, но земные ресурсы истощаемы. Оттуда вопрос: «Существуют ли в космосе какие- нибудь химические элементы, хотя бы немного похожие на земные и можно ли их использовать в своих целях?». Ученые уже ответили на этот вопрос. Да, оказывается, существуют и не только похожие, а даже точно такие же, как и во всем известной таблице Менделеева.
На сегодняшний день существует даже отдельная наука, космохимия. Космохимия- наука о химическом составе космических тел, законах распространённости и распределения химических элементов во Вселенной, процессах сочетания и миграции атомов при образовании космического вещества. Наиболее изученная часть Космохимии — геохимия. Космохимия исследует преимущественно «холодные» процессы на уровне атомно-молекулярных взаимодействий веществ, в то время как «горячими» ядерными процессами в космосе — плазменным состоянием вещества, нуклеогенезом (процессом образования химических элементов) внутри звёзд и др. — в основном занимается физика. Космохимия — новая область знания, получившая значительное развитие во 2-й половине 20 в. главным образом благодаря успехам космонавтики. Ранее исследования химических процессов в космическом пространстве и состава космических тел осуществлялись в основном путём спектрального анализа излучения Солнца, звёзд и, отчасти, внешних слоев атмосфер планет. Этот метод позволил открыть элемент гелий на Солнце ещё до того, как он был обнаружен на Земле.
Наши знания химического состава Вселенной получены в результате спектроскопических исследований излучений Солнца и звезд, анализа метеоритов и на основании того, что мы знаем о составе Земли и других планет. Спектроскопические наблюдения позволяют установить элементы, ответственные за излучения, а на основании тщательного анализа интенсивностей спектральных линий можно сделать грубые оценки относительных количеств различных элементов, присутствующих во внешних частях излучаемого тела. Полученные таким образом данные подтверждают предположение, что Вселенная состоит из одних и тех же элементов. И приведенные данные доказывают это.
^ 1. Химия Земли.
Для геологов, исследующих нашу планету, наиболее важно знать самые общие законы, определяющие поведение вещества на поверхности земной коры, в ее толще и в глубинах земного шара. Геолог не может искать вслепую. Он заранее должен знать, где он может найти железо, где – уран, где – фосфор, где – калий. Он должен знать, какие условия создают на Земле залежи углерода: где надо искать уголь, где – графит и где – алмазы. Геологу нужно знать, какие элементы сопутствуют друг другу в земной коре, он должен знать законы образования совместных месторождений различных элементов.
В сложных, грандиозных химических процессах, протекающих в земной коре и на ее поверхности сотни миллионов лет, продолжающихся и в наши дни, сходные своим положением в периодической системе элементы обладают сходной геохимической судьбой. Это позволяет геохимикам проследить их движение в земной коре и выяснить законы, распределяющие их на поверхности Земли.
В состав земной коры входят:
O – 46.6 %
Ca – 3.63 %
Al – 8.13 %
Na – 2.83 %
Si – 27.72 %
K – 2.59 %
Fe – 5.0 %
Mg – 2.0 %
Всего - 98,59%
Если сравнить имеющиеся на всей Земле количества железа, кобальта и никеля - элементов, стоящих рядом в восьмой группе периодической системы, то окажется, что земной шар состоит из железа (атомный номер 26) на 36,9%, кобальта (атомный номер 27) на 0,2%, никеля (атомный номер 28) на 2,9%.
Геохимическое поведение различных элементов определяется, прежде всего, строением внешних электронных оболочек в их атомах, размерами атомов и соответствующих ионов. Элементы с завершенными внешними электронными оболочками (благородные газы) существуют только в атмосфере; они не вступают в природных условиях в химические соединения. Даже гелий и радон, образующиеся при радиоактивном распаде, не захватываются полностью горными породами, а непрерывно поступают из них в атмосферу. Редкие земли, стоящие в одной клетке таблицы, встречаются в природе почти всегда вместе. В одних и тех же рудах всегда присутствуют совместно и цирконий и гафний.
Геологи хорошо знают, что осмий и иридий нужно искать там же, где и платину. В периодической таблице Менделеева они стоят вместе в восьмой группе, и так же неразлучны в природе. Месторождения никеля и кобальта сопутствуют железу, и в таблице они в одной группе и в одном периоде.
Основная толща земной коры состоит из немногих минералов; все это химические соединения элементов, расположенных главным образом в коротких периодах и в начале и в конце каждого из длинных периодов таблицы. Причем преобладают среди них легкие элементы с малыми порядковыми номерами. Эти элементы составляют основную массу силикатных горных пород.
Элементы, стоящие в периодической системе в середине длинных периодов, образуют рудные, чаще всего сульфидные, месторождения. Многие их этих элементов встречаются в самородном состоянии.
И распространенность, и геохимическое поведение элемента (его миграция в земной коре) определяются его положением в периодической системе. Распространенность зависит от строения атомного ядра, геохимическое поведение – от строения электронной оболочки.
Поэтому периодическая система элементов необходима геохимику. Без нее не могла бы возникнуть и развиваться геохимия. Эта наука устанавливает общие закономерности во взаимном сосуществовании химических элементов в горных породах и рудах. Она дает возможность геологу находить в земной коре месторождения полезных ископаемых.
^ Периодический закон Менделеева – надежный и испытанный компас геохимика и геолога.
В начале своей работы я сказала, что речь пойдет о химии космоса, но почему- то начала говорить о химическом составе Земли… Но, во-первых, Земля - тоже небесное тело, и, во-вторых, нужно знать химический состав Земли, чтобы сравнить его с составом метеоритов и других космических тел, прилетающих к нам на Землю из таинственных глубин космического пространства.
^ 2. Химический состав метеоритов.
Точнейшие химические анализы огромного числа метеоритов, упавших на нашу планету, дали замечательные результаты. Оказалось, что если подсчитать среднее содержание во всех метеоритах наиболее распространенных на Земле элементов: железа, кислорода, кремния, магния, алюминия, кальция,- то на их долю падает ровно 94%, т. е. их в составе метеоритов равно столько же, сколько в составе земного шара.
Кроме того, выяснилось, что в железных метеоритах
железа 91,0%,
кобальта 0,6%,
никеля 8,4%.
Если сравнить эти числа с относительным распространением этих элементов на земном шаре, приведенным выше, то получается совершенно поразительное совпадение: оказывается, что на Земле из этих трех элементов приходится на долю
железа 92%,
кобальта 0,5%,
никеля 7,5%,
т. е. и на Земле и в метеоритах эти элементы находятся приблизительно в одинаковых соотношениях. Эти и многие другие обнаруженные совпадения дали ученым основание сделать вывод: вещество на Земле и вещество в небесном пространстве одинаково. Оно состоит из одних и тех же элементов.
Каждый из элементов и на Земле и в метеоритах имеет почти одинаковый изотопный состав. Например, неоднократно проводившиеся анализы изотопного состава серы, добытой из пепла и лавы многочисленных вулканов, находящихся в различных частях земного шара, показали, что сера одинакова повсюду. Всюду отношение между количествами стабильных изотопов серы -32 и ссры-34 одно и то же. Оно равно 22,200. Изотопный состав серы из метеоритов - единственных представителей Космоса, доступных прямому изучению, совершенно такой же, как и на Земле.
Далее оказалось, что наиболее распространенные элементы одни и те же. Даже соотношение между ними и тут и там одно и то же. Чередование элементов с четными и нечетными порядковыми номерами в периодической таблице также соблюдается одинаково и тут и там. Можно было бы, конечно, привести еще очень много примеров, показывающих большое сходство в поведении химических элементов на Земле и в космическом пространстве, отметить еще очень много общих закономерностей.
^ Может ли это быть случайным? Конечно, нет.
Откуда бы ни прилетали к нам на Землю случайные гости из Вселенной - быть может, это части комет, принадлежавших солнечной системе; быть может, это обломки малых планет; быть может, это вестники из чужого звездного мира, - важно одно: по своему химическому составу, по соотношению между элементами, по тем химическим соединениям, которые найдены в метеоритах, они сообщают нам, что действие великого закона Менделеева не ограничивается пределами нашей планеты. Он является единым для всей Вселенной, где могут существовать атомы с их электронной оболочкой. Из этого вывод: «Материя всюду едина».
^ 3. Химический состав звезд.
Элемент
Количество (примерно)
Водород
8300
Гелий
1700
Углерод
1,5
Азот
0,9
Кислород
9,0
Фтор
0,028
Неон
3,4
Магний
0,49
Алюминий
0,05
Кремний
0,77
Фосфор
0,0028
Сера
0,25
Хлор
0,014
Аргон
0,07
В данной таблице приведены лишь примерные числа, но существуют звезды, имеющие повышенное содержание того или иного элемента. Так, известны звезды с по повышенным содержанием кремния (кремниевые звезды), звезды, в которых много железа (железные звезды), марганца (марганцевые), углерода (углеродные) и т. п. Звезды с аномальным составом элементов довольно разнообразны. В молодых звездах типа красных гигантов обнаружено повышенное содержание тяжелых элементов. В одной из них найдено повышенное содержание молибдена, в 26 раз превышающее его содержание в Солнце.
В недрах звезд, при немыслимых для Земли условиях, при температуре в сотни миллионов кельвинов и непостижимо огромных давлениях, протекает множество разнообразных ядерно-химических реакций.
В наши дни уже существует обширная область науки, увлекательная химия недоступного – ядерная астрохимия. Она выясняет важнейшие для всей науки вопросы: как образовались во Вселенной элементы, где и какие элементы возникают, какова их судьба в вечном развитии мироздания.
Методы этой науки необычны. Она пользуется и наблюдением – изучает с помощью спектроскопии состав звездных атмосфер, и экспериментом – исследует реакции быстрых частиц в земных ускорителях. Теоретические расчеты позволяют ученым заглянуть в недра звезд, где уже открыто немало интересного и кроется много загадочного.
Выяснено, например, что в центральных областях звезд, при сверхвысоких температурах и давлениях, где скорость «выгорания» водорода особенно велика, где количество его мало, а содержание гелия велико, возможны реакции между ядрами гелия. Там рождаются загадочные ядра бериллия – 8 (на Земле они совсем не могут существовать), там возникают и самые прочные ядра: углерод – 12, кислород – 16, неон – 20 и другие ядра «гелиевого» цикла.
Найдены в звездах и такие ядерно-химические реакции, при которых возникают нейтроны. А уж если есть нейтроны, то можно понять, каким путем появляются в звездах и почти все остальные элементы. Но очень много загадок стоит еще перед наукой на этом пути. Непостижимо огромно многообразие звезд во Вселенной.
Вероятно, во всех доступных нашему наблюдению звездах преобладает водород, но содержанием других элементов звезды очень сильно различаются: в некоторых звездах обнаружено такое высокое содержание отдельных элементов по сравнению с обычными звездами, что их даже так и принято называть в астрофизике: «магниевые», «кремниевые», «железные», «стронциевые», «углеродные» звезды. Недавно обнаружены даже «литиевые» и «фосфорные» звезды. Эти таинственные различия в составах звезд еще ждут объяснения.
Удалось проследить и удивительные механизмы образования новых ядер. Оказывается, что не только благодаря сверхвысоким температурам ядра обладают настолько высокой энергией, что способны преодолевать электростатическое отталкивание и реагировать между собой. Очень многие элементы таким путем вообще не могли бы образовываться.
Дейтерий, литий, бериллий, бор при высокой температуре, существующей внутри звезд, очень быстро реагируют с водородом и мгновенно разрушаются. Эти элементы в мироздании «варятся» в холодных «кухнях», возможно, на поверхности звезд в звездных атмосферах, где возникают мощные электрические и магнитные поля, ускоряющие частицы до сверхвысоких энергий.
Звездные «фабрики», где создаются элементы, ставят перед учеными странные загадки, связанные с таинственными частицами нейтрино. Ученые начинают подозревать, что роль этих неуловимых частичек-призраков далеко не так безразлична, как это казалось совсем недавно. Выяснилось, что возможны такие ядерно-химические процессы, при которых большая часть энергии, образующаяся в звезде, уносится не в виде излучения, а только с нейтрино.
Но для звезды это означает катастрофу. Звезда существует в состоянии равновесия благодаря давлению звездного газа и световому давлению, которые уравновешивают силы тяготения. Если же энергия начинает уноситься из внутренности звезды только с нейтрино, которые пронизывают толщи звездных тел без сопротивления, со скоростью света, то звезда мгновенно будет сжата силами гравитационного притяжения.
Быть может, так и образуются пока непостижимые звезды – белые карлики, плотность вещества в которых может достигать многих тысяч тонн на 1 см3. Быть может, такие процессы дают начало и тем гигантским катастрофам, при которых рождаются Сверхновые звезды.
Но нет сомнения, что и эта, одна из величайших тайн природы, будет разгадана. Мы узнаем и тайну запасов водорода в звездах и в мировом пространстве, будут найдены процессы, ведущие к его образованию и к образованию «молодых» водородных звезд.
Вопрос о появлении Сверхновых звезд в мироздании исключительно важен. Должна быть решена загадка, как рождается такое колоссальное количество энергии, которое способно разметать звезду и превратить ее в туманность. Именно это произошло, например, в 1054 г. В созвездии Тельца вспыхнула Сверхновая звезда и, затухая, превратилась в Крабовидную туманность.
В наше время эта туманность уже простирается на сотни биллионов (1012) километров. Самое интересное – то, что вспышка Сверхновой звезды, постепенно угасая, теряет свою яркость так, как если бы она состояла из изотопа калифорния – 254. Его период полураспада – 55 сут. – точно совпадает с периодом уменьшения яркости Сверхновых звезд.
Но, пожалуй, главная задача астрохимии – выяснить, как возникает во Вселенной водород. Ведь в бесчисленном множестве звездных миров происходит непрерывное уничтожение водорода, и его общие запасы во Вселенной должны убывать.
И многие ученые на Западе пришли к тяжелому и мрачному выводу о «водородной смерти» Вселенной. Они считают, что во Вселенной одна за другой гаснут звезды, исчерпавшие свои запасы водорода. И эти ранее ярко сиявшие светила одно за другим превращаются в холодные мертвые миры, которым суждено вечно носиться в космическом пространстве.
^ Мрачный вывод о «водородной смерти» Вселенной логически порочен и неверен. Он опровергается опытными фактами, достижениями науки наших дней – химии Вселенной.
Достижения науки, познакомившие нас с тайнами недоступных звезд, с их составом, природой, таинственными процессами, происходящими в их недрах, основаны на знаниях природы атома, его строения. Эти знания воплощены в периодическом законе Менделеева. Но не следует думать, что периодический закон навсегда останется застывшим и неизменным. Нет, он и сам развивается, включая в себя все большее и большее содержание, все глубже и точнее отражая истину законов природы.
Закон периодичности свойствен и строению атомных ядер. Это позволяет надеяться на окончательное решение об относительной устойчивости элементов в мире и о составе всех небесных тел.
^ 4. Химия межзвездного пространства.
Еще не так давно в науке допускалось, что межзвездное пространство представляет собой пустоту. Все вещество Вселенной сосредоточено в звездах, а между ними нет ничего. Лишь в пределах Солнечной системы, где-то по неведомым путям, блуждают метеориты и их загадочные собратья – кометы.
Удивительно сложны и неожиданны пути зарождения одной из наук будущего – химии космического пространства. В глухие и страшные годы фашистской оккупации в маленьком голландском городке Лейдене на тайном собрании подпольного научного кружка юный студент Ван де Холст сделал доклад. Исходя из теории строения атома (которая, как мы уже знаем, была развита наукой на основе периодического закона Менделеева), он рассчитал, какова должна быть самая длинная волна в спектре излучения водорода. Оказалось, что длина этой волны 21 см. Она относится к коротким радиоволнам. В отличие от хорошо изученного видимого спектра, излучаемого раскаленным водородом, его радиоизлучение может происходить и при низких температурах.
Ван де Холст рассчитал, что на Земле такое излучение в атоме водорода маловероятно. Нужно ждать много миллионов лет, пока в атоме водорода произойдет перемещение электронов, которое сопровождается излучением радиоволн длиной 21 см.
В своем докладе молодой ученый сделал предположение: если в безграничном мировом пространстве присутствует водород, можно надеяться обнаружить его по излучению по волне 21 см. Это предсказание оправдалось. Оказалось, что из необъятных глубин Вселенной к нам на Землю всегда, не прекращаясь ни ночью, ни днем, приходят на волне 21 см поразительные радиосообщения о тайнах мироздания, которые приносит нам межзвездный водород.
Волна в 21 см мчится к нашей планете из столь отдаленных уголков Вселенной, что требуются тысячи и миллионы лет, пока она дойдет до антенн радиотелескопов. Она рассказала ученым, что в космосе нет пустоты, что в нем существуют невидимые глазу облака космического водорода, которые простираются от одной звездной системы к другой. Оказалось возможным даже определить протяженность и форму этих скоплений водорода. Для волны в 21 см в мировом пространстве нет преград. Даже черные, непроницаемые облака космической пыли, скрывающие от взора исследователя огромные области Млечного Пути, совершенно прозрачны для холодного излучения водорода. И эти волны помогают теперь ученым понять природу вещества, из которого построены далекие звезды не только Млечного Пути, но и самых отдаленных туманностей, лежащих на самом краю доступной нам части Вселенной.
Необъятные звездные миры, разобщенные расстояниями в пустом безграничном пространстве, теперь оказываются связанными в единое целое гигантскими водородными облаками. Трудно проследить преемственность в развитии научных идей, но несомненно, что есть прямая и непрерывная связь между смелым предсказанием юного голландского студента и великой идеей Менделеева. Так был найден в межзвездном пространстве водород.
^ Безграничное мировое пространство нельзя считать пустым. Теперь уже кроме водорода в нем найдено много других элементов.
Химия космоса весьма своеобразна. Это химия сверхвысокого вакуума. Средняя плотность вещества в пространстве всего только 10-24 г/см3. Такой вакуум пока нельзя создать в лабораториях физиков. Важнейшую роль в химии космического пространства играет атомный водород. Следующий по распространенности – гелий, его раз в десять меньше; найдены уже кислород, неон, азот, углерод, кремний – их в космическом пространстве ничтожно мало.
Выяснилось, что роль межзвездного вещества в мироздании огромна. На его долю приходится, по крайней мере в пределах нашей Галактики, почти половина всего вещества, остальная часть находится в звездах.
В химии межзвездного пространства за последние годы сделаны совершенно поразительные открытия. Все началось с того, что в космосе неожиданно обнаружили сложную молекулу цеаноацетилена (HC3N). Не успели космохимики объяснить, каким путем в межзвездном пространстве возникает органическая молекула столь сложного состава и строения, как вдруг с помощью радиотелескопа в созвездии Стрельца были открыты гигантские облака самого обыкновенного на Земле и совершенно неожиданного для космоса химического соединения – муравьиной кислоты (HCOOH). Следующее открытие было еще более неожиданным. Оказалось, что в космическом пространстве существуют облака формальдегида (HCOH). Это само по себе уже достаточно удивительно, но совсем необъяснимым остается тот факт, что разные космические формальдегидные облака имеют разный изотопный состав. Как будто бы история межзвездной среды в разных частях Галактики различна.
Затем последовало еще более странное открытие: в небольшом облаке межзвездной пыли, лежащем где-то по направлению к центру нашей Галактики, обнаружили аммиак (Nh4). По интенсивности радиоизлучения космического аммиака удалось даже измерить температуру этой области космоса (25 К). Загадка космического аммиака заключается в том, что он в этих условиях неустойчив и разрушается под действием ультрафиолетового излучения. Значит, он интенсивно возникает – образуется в космосе. Но как? Пока это неизвестно.
Химия межзвездного пространства оказалась удивительно сложной. Уже найдены молекулы формамида – шестиатомные молекулы, состоящие из атомов четырех разных элементов. Как они возникают? Какова их судьба? Были еще найдены молекулы метилцеанида (Ch4CN), сероуглерода (CS2), сероокиси углерода (COS), окиси кремния (SiO).
Кроме того, в космосе были открыты простейшие радикалы: например, метин (CH), гидроксил (OH). Когда установили существование гидроксила, были предприняты поиски воды. Где есть гидроксил, там должна быть и вода, и она была действительно найдена в межзвездном пространстве. Это открытие особенно интересно и важно. В космосе есть вода, есть органические молекулы (формальдегид), есть аммиак. Эти соединения, реагируя между собой, могут привести к образованию аминокислот, что и было подтверждено на опыте в земных условиях.
Что же будет еще обнаружено в межзвездной «пустоте»? В ней найдено более 20 сложных химических соединений. Наверное, будут открыты и аминокислоты. Удивительные космические облака органических соединений, как, например, облако цианоацетилена в созвездии Стрельца, достаточно плотны и обширны. Расчет показывает, что такие облака должны сжиматься под действием сил тяготения. Не может ли оказаться вероятным совершенно фантастическое предположение, что планеты во время своего образования уже содержат сложные органические соединения – основу примитивных форм жизни? Пожалуй, становится вполне допустимым серьезное обсуждение, казалось бы, совершенно невозможного вопроса: «Что же старше – планеты или жизнь на них?» Конечно, трудно угадать, каким будет ответ на него. Ясно одно – для науки неразрешимых вопросов нет.
^ На наших глазах зарождается новая наука. Трудно предвидеть пути ее развития и предсказать, к каким еще более удивительным открытиям приведет космическая химия.
^ 6. Начало лунной химии.
Много лет назад, в 1609 г., Галилео Галилей впервые направил телескоп в небо. Лунные «моря» представились ему в обрамлении берегов из белого камня. После наблюдений Галилея еще долгое время думали, что лунные «моря» наполнены водой. Говорили даже, что на Луне жить приятнее, чем на Земле. Знаменитый астроном XVIII в. Вильям Гершель писал: «Что касается меня, то, если бы мне пришлось выбирать, жить ли на Земле или Луне, я, не колеблясь ни одной минуты, выбрал бы Луну».
Шло время. Сведения о Луне становились все точнее. В 1840 г. лунная поверхность была впервые отображена на фотопластинке. В октябре 1959 г. советская космическая станция «Луна – 3» передала на Землю изображение обратной стороны Луны. И вот 21 июля 1969 г. на поверхности Луны отпечатался след человека. Американские космонавты, а затем и советские автоматические станции привезли на Землю лунные камни.
Лунные камни особенные – на их составе сказывается недостаток кислорода. Металлы не встречаются в их высших степенях окисления, железо встречается только двухвалентное. На Луне не было ни свободной воды, ни атмосферы. Все летучие соединения, возникшие при магматических процессах, улетели в космос, и вторичная атмосфера возникнуть не могла. Кроме того, на Луне процесс выплавления (образования коры) шел очень быстро и при более высоких температурах: 1200 - 1300оС, в то время как эти процессы на Земле шли при 1000 - 1100оС.
Луна все время повернута к Земле одной стороной. На ней в ясную ночь можно разглядеть темные пятна – лунные «моря», которые и открыл Галилей. Они занимают около трети видимой стороны Луны. Вся остальная ее поверхность – высокогорья. Причем на обратной, невидимой нам стороне «морей» почти нет. Породы, слагающие высокогорную обратную сторону ночного светила и «материки» видимой нам стороны, светлее, чем породы «морей».
На Луне нет длинных линейных хребтов, как на Земле. Там возвышаются кольцевые структуры – высокие (до нескольких километров) стенки громадных вулканических цирков – кратеров. Крупные кратеры, диаметром несколько километров, ведут свою родословную от вулканов. Их лава, излившись в пониженные места, образовала колоссальные лавовые озера – это и есть лунные «моря». Многие кратеры диаметром меньше километра возникли, вероятно, при падении метеоритов или камней, поднятых взрывным вулканизмом Луны. Предположение это подтвердилось в 1972 г. На Луну упал метеорит и образовал новый кратер диаметром 100м. Метеорит привел в действие сейсмические приборы, установленные на Луне. Это дает возможность определить мощность лунной коры и узнать о ее глубинном строении.
И Лунные горы, и кратеры, и лунные «моря» образуют «лунный ландшафт». Очень возможно, что и Земля в раннюю эпоху своей геологической истории была изъедена кратерами и по ландшафту была похожа на теперешнюю Луну. Но мощные процессы разрушения горных пород, присущие Земле, похоронили первичный рельеф под толщей осадков. Разрушение земных горных пород – выветривание – идет под воздействием воды, живых организмов, кислорода, углекислоты и других химических факторов, а также смены температур. На Луне нет атмосферы, нет воды, нет и организмов, а это значит, что процесс окисления, как и другие химические реакции, там почти отсутствует. Поэтому лунные породы в основном испытывают физико-механическое дробление, а земные, разрушаясь, претерпевают глубокую химическую перестройку. Лунные породы превращаются в пыль под влиянием резкой смены температур между лунным днем и лунной ночью. На породы действует и галактическое излучение, и «солнечный ветер» – радиация Солнца. Нельзя забывать и метеориты, с огромной скоростью врезающиеся в поверхность Луны. В результате всех этих процессов на плотных породах Луны и возник слой мелкозернистого лунного грунта. Он мощным слоем покрывает «моря». Есть он и на поверхности высокогорных, материковых областей Луны.
Галактическое излучение примерно на метр проникает в тело Луны, и в породах под воздействием протонов происходят ядерные превращения. Благодаря бомбардировке протонами на Луне обычны радиоактивные изотопы (23AI, 22Na и др.), которых почти нет в земных породах. Есть и другие отличия. Например, в лунных породах содержится больше аргона, чем в земных. И еще одна химическая особенность – на Луне, по всей вероятности, нет месторождений полезных ископаемых. Дело в том, что для формирования рудных тел необходимы гидротермальные растворы, а свободной воды в толще Луны никогда не было. Зато некоторые лунные породы содержат около 10% титана.
Камни из космоса – метеориты знакомы людям давно. Но первые кусочки горных пород Луны попали к нам совсем недавно. Их доставили на Землю космонавты американских космических кораблей «Аполлон» и советские автоматические станции «Луна – 16» и «Луна – 20». Удивительно держать в руках кусок Луны! О лунном камне веками рассуждали ученые, его воспевали поэты, о нем столько написано! И только в наши дни человеку представилась исключительная возможность сравнить вещественный состав земных, метеоритных и лунных камней.
Каменные метеориты в основном сложены простыми силикатами, число минералов в них едва достигает сотни. В лунных же породах минералов немного больше, чем в метеоритах, – вероятно, несколько сотен. А на поверхности Земли открыто больше 3 тыс. минералов. Это говорит о сложности земных химических процессов по сравнению с лунными.
Тут уместно напомнить, что химический элементарный состав каменных метеоритов (хондритов) очень похож на состав Солнца. В каменных метеоритах и на Солнце практически одинаковы распространенность химических элементов и соотношения между ними (за исключением газов, которые при образовании метеоритов улетучились). Все химические элементы, обнаруженные на Солнце, найдены и в метеоритах. Кроме того, соотношение Si/Mg одинаково и на Солнце, и в метеоритах, и близко к единице. Когда выяснилось, что камни, доставленные из лунных «морей», оказались фрагментами базальтовых пород, стало ясно, что у лунной коры немало общего с Землей.
Базальты Луны, излившиеся при лунном вулканизме, несколько иного химического состава, чем хондриты. Так, соотношение Si/Mg в них равно не единице, а примерно 6 (как и в земных базальтах). Состав этих пород уже не соответствует первичному составу Солнца, однако они выплавились из лунного вещества, очень близкого к каменным метеоритам. Достаточно сказать, что средняя плотность Луны такая же, как каменных метеоритов – 3,34 г/см3. Земля же имеет плотность более 5, а ведь земная кора в основном сложена базальтами. Значит, Луна, вероятно, лишена тяжелого железного ядра.
Итак, лунные «моря» сложены базальтовой лавой и покрыты мелкозернистым грунтом того же состава. Но в деталях одно «море» отличается от другого. Море Изобилия, например, состоит из базальтов, где титана около 3 %, а в базальтах Моря Спокойствия титана до 10 %. Он находится здесь в виде минерала ильменита. Морские лунные базальты богаты железом – до 18 %, в земных же базальтах его обычно около 7 %. В лунных базальтах по сравнению с земными повышенное содержание урана, тория и калия. Эти радиоактивные элементы и обуславливают лунный вулканизм.
В высокогорьях Луны преобладают не базальты, а другие породы, так называемые анортозиты, состоящие главным образом из минерала анортита. На Земле такие породы встречаются среди самых древних пород на горных щитах. У земных анортозитов почтенный возраст – им до 3,5 млрд. лет. Все анортозиты, в том числе и лунные, содержат много алюминия и кальция и немного железа, ванадия, марганца, а также титан. А между тем в «морских» лунных базальтах содержание железа и титана весьма высокое.
Открытие способа образования лунных анортозитов прояснило бы земные геологические процессы далекого прошлого. Можно предположить, что анортозиты возникают при кристаллизационной дифференциации габбро-базальтовой магмы. На Луне ан
www.ronl.ru
Атмосферные осадки и их химический состав
В атмосферных осадках преобладают: НСО3-, SO42-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+. Они поступают в осадки за счет растворения газов воздуха, приноса ветром солей с моря, растворения солей и пыли континентального происхождения...
Географическая оболочка как природный комплекс планетарного масштаба
Наиболее общим объектом изучения географической науки является географическая оболочка. Термин "географическая оболочка" был предложен известным географом А.А. Григорьевым в 1932 г...
Криосфера Мирового океана
Соленость Соленость льда- основной параметр, определяющий многие его свойства. Под соленостью льда понимают относительную масса солей Мс в куске льда массой М, т.е...
Метод картоидов в географии
Картоиды относят к наиболее древнему типу познавательных географических моделей, о чём свидетельствуют археологические находки картоподобных изображений местности, окружающей древнего человека эпохи верхнего палеолита (20-30 тыс. лет до н.э.)...
Подзолистые почвы Томь-Обского междуречья
...
Подзолистые почвы Томь-Обского междуречья
Образование гумусовых веществ в почвах Томской области протекает в сложных условиях ввиду исключительного разнообразия факторов, влияющих на формирование и развитие почв...
Подзолистые почвы Томь-Обского междуречья
Для подзолистых почв характерна кислая реакция среды по всему профилю...
Природные условия формирования, особенности морфологического строения и свойства почвы (участок 71, разрез №71-10)
1) Гумус Гумус - органическое вещество почвы, образующееся в результате разложения растительных и животных остатков, а также продуктов жизнедеятельности организмов и синтеза гумусовых органических веществ микроорганизмами...
Разработка условных обозначений для карт АПК Краснодарского края
Целесообразное применение графических средств при построении условных обозначений, их размещение и взаимное расположение на карте должны удовлетворять основному требованию - читаемости как отдельных знаков, так и карты в целом...
Снежный покров и метели, их климатическое значение
Очень своеобразны особенности теплообмена снега с окружающей средой, осуществляемого в форме лучистой энергии. Снег поглощает и отражает солнечные лучи, то есть прямую солнечную радиацию...
Условия формирования снежного покрова на Урале
Разнообразие физико-механических свойств снежного покрова зависит как от условий его образования, так и от происходящих в снежном покрове изменений...
Условия формирования снежного покрова на Урале
Снег является наиболее распространенным видом твердых атмосферных осадков. Снежинки, составляющие падающий снег и образующие снежный покров, являются плоскими кристаллами льда весьма разнообразной формы, в основном гексагональной...
Физико-механические свойства почвы
К физико-механическим свойствам почвы относят: пластичность, плотность, связность, твердость, физическая спелость, липкость, набухание, усадку. Пластичность, связность...
Физико-механические свойства почвы
Агрохимические свойства почвы, характеризуют плодородие почвы, её пригодность для возделывания сельско-хозяйственных культур. Агрохимические свойства почвы обусловленные химическим составом почвы...
Черноземные почвы
1. В связи со своим составом чернозем всегда обладает более или менее темным цветом и благоприятным образом относится к теплоте и влаге. Цвет является типичным наружным признаком: цвет чернозема...
geo.bobrodobro.ru
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 28,46×1018 т, Мирового океана – 1,47×1018 т, атмосферы – 0,005×1018 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
|
Химический элемент |
Атомный номер |
Среднее содержание, 1×10-4% |
Химический элемент |
Атомный номер |
Среднее содержание, 1×10-4% |
| О | 8 | 481 000 | Mg | 12 | 12000 |
| Si | 14 | 399 000 | Ti | 22 | 3300 |
| А1 | 13 | 80 000 | H | 1 | 1000 |
| Fe | 26 | 36000 | P | 15 | 800 |
| К | 19 | 27000 | F | 9 | 700 |
| Са | 20 | 25000 | Мn | 25 | 700 |
| Na | 11 | 22000 | Ва | 56 | 680 |
| S | 16 | 400 | Ег | 68 | 3,6 |
| С | 6 | 300 | Yb | 70 | 3,6 |
| Sr | 38 | 230 | Hf | 72 | 3,5 |
| Rb | 37 | 180 | Sn | 50 | 2,7 |
| Cl | 17 | 170 | и | 92 | 2,6 |
| Zr | 40 | 170 | Be | 4 | 2,5 |
| Се | 58 | 83 | Br | 35 | 2,2 |
| V | 23 | 76 | Та | 73 | 2,1 |
| Zn | 30 | 51 | As | 33 | 1,9 |
| La | 57 | 46 | W | 74 | 1,9 |
| Yr | 39 | 38 | Ho | 67 | 1,8 |
| Cl | 24 | 34 | Tl | 81 | 1,8 |
| Nd | 60 | 33 | Eu | 63 | 1,4 |
| Li | 3 | 30 | Tb | 65 | 1,4 |
| N | 7 | 26 | Ge | 32 | 1,3 |
| Ni | 28 | 26 | Mo | 42 | 1,3 |
| Cu | 29 | 22 | Lu | 71 | 1,1 |
| Nb | 41 | 20 | I | 53 | 0,5 |
| Ga | 31 | 18 | Tu | 69 | 0,3 |
| Pb | 82 | 16 | In | 49 | 0,25 |
| Th | 90 | 16 | Sb | 51 | 0,20 |
| Sc | 21 | 11 | Cd | 48 | 0,16 |
| В | 5 | 10 | Se | 34 | 0,14 |
| Sm | 62 | 9 | Ag | 47 | 0,088 |
| Gd | 64 | 9 | Hg | 80 | 0,033 |
| Pr | 59 | 7,9 | Bi | 83 | 0,010 |
| Co | 27 | 7,3 | Au | 79 | 0,0012 |
| Dy | 66 | 6,5 | Те | 52 | 0,0010 |
| Cs | 55 | 3,8 | Re | 75 | 0,0007 |
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 160´
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).
Рис. 1.2. Микрополости в кварце: 1 – кристалл сильвина; 2 – кристалл галита; 3 – пузырек газа; 4 – жидкая фаза. Прозрачный шлиф, увеличение 900´
Это явление, впервые специально рассмотренное в 1858 г. основателем оптической петрографии Г. Сорби, к настоящему времени всесторонне изучено. Микрополости в минералах обычно содержат жидкую и газовую фазы, иногда к ним добавляются мелкие кристаллы. Проблема жидких включений была основательно проанализирована У. Ньюхаузом, который отметил присутствие в жидкостях тяжелых металлов (до нескольких процентов).
Некоторая часть примеси рассеянных элементов, легко экстрагируемая из тонко растертых мономинеральных проб, связана именно с жидкими включениями. Н.П. Ермаков (1972), изучив микровключения из флюорита, обнаружил в них n×10-1% цинка, марганца, n×10-2% бария, хрома, меди, никеля и свинца, n× 10-3% титана. В дальнейшем в жидких включениях были обнаружены и другие рассеянные элементы.
Вместе с тем тщательный анализ мономинеральных проб и использование электронного зондирования показали, что все без исключения породообразующие минералы содержат рассеянные элементы в настолько высокодисперсной форме, что они не могут быть обнаружены не только при помощи оптической, но и электронной микроскопии. В этом случае имеет место рассеяние элементов на уровне ионов и молекул. Формы такого рассеяния не ограничиваются рассмотренными ранее явлениями изоморфизма. Известны многочисленные случаи присутствия химических элементов в минералах, не имеющих никакой связи с изоморфизмом.
Результаты многих тысяч анализов, выполненных в разных странах за последние 50 лет, позволяют утверждать, что все породообразующие минералы являются носителями рассеянных элементов. Именно в них сосредоточена основная масса рассеянных элементов, содержащаяся в земной коре. Зная содержание минералов-носителей и концентрацию в них рассеянных элементов, можно рассчитать баланс внутри конкретной горной породы.
При изучении гранитов Тянь-Шаня было обнаружено, что в кварце, несмотря на ничтожную концентрацию свинца, заключено более 5% всей массы этого металла, содержащегося в породе (табл. 1.2).
Таблица 1.2. Распределение свинца в минералах, слагающих граниты хребта Джумгол
|
Минерал |
Содержание минерала, % |
Содержание свинца в минерале, мг/кг |
Общее количество свинца в породе |
|
|
|
|
|
мг/кг |
% |
| Кварц | 35,3 | 4 | 1,4 | 5,4 |
| Полевые шпаты | 59,5 | 40 | 23,8 | 91,5 |
| Биотит | 3,7 | 20 | 0,7 | 2,7 |
| Магнетит | 0,7 | 17 | 0,1 | 0,4 |
| Сумма | – | – | 26,0 | 100,0 |
Невозможно предположить изоморфное вхождение свинца, цинка или другого металла в структуру кварца, образованную комбинацией ионов кремния и кислорода. Между тем кварц служит носителем многих рассеянных элементов. Разработан особый метод оценки потенциальной рудоносности горных пород и жил по содержанию в кварце лития, рубидия, бора.
При экспериментальном изучении прочности закрепления рассеянных металлов в породообразующих минералах было обнаружено, что при обработке тонко измельченной минеральной массы последовательными порциями слабых кислотно-щелочных растворителей значительная часть металлов легко извлекается при первой же экстракции, причем это извлечение не сопровождается разрушением кристаллохимической структуры минералов. При дальнейших обработках количество экстрагируемых металлов резко сокращается или прекращается совсем. Это позволило высказать предположение, что часть рассеянных элементов не входит в собственно кристаллохимическую структуру, а приурочена к дефектам реальных кристаллов. Дефекты представляют собой разного рода трещины, причем настолько мелкие, что не обнаруживаются оптическим микроскопом. Легкость извлечения рассеянных металлов объясняется тем, что они связаны с поверхностью минерала-носителя сорбционными силами. В породообразующих силикатах эта форма нахождения рассеянных металлов составляет 10 – 20% от всей массы рассеянных металлов. В частности, непрочно связанная форма свинца в гранитах Тянь-Шаня составляет от 12 до 18% всей массы рассеянного элемента.
Можно выделить следующие формы нахождения рассеянных элементов в кристаллическом веществе земной коры:
I. Микроминералогические формы:
1. Элементы, входящие в акцессорные минералы.
2. Элементы, содержащиеся в микроскопических выделениях в результате распада твердых растворов.
3. Элементы, находящиеся во включениях остаточных растворов. П. Неминералогические формы:
4. Элементы, сорбированные поверхностью дефектов реальных кристаллов.
5. Элементы, входящие в структуру минерала-носителя по законам изоморфизма.
6. Элементы, находящиеся в структуре минерала-носителя в неупорядоченном состоянии.
Сочетание рассмотренных форм нахождения рассеянных элементов сильно меняется в зависимости от многих факторов. Соответственно меняется и суммарное содержание рассеянного элемента в разных участках земной коры.
3. Особенности распределения химических элементов в земной коре
Варьирование содержания элемента в разных пробах обусловлено многими независимыми причинами. Когда распределение величины определяется достаточно большим числом примерно равнодействующих и взаимно независимых причин, то оно подчиняется так называемому нормальному закону Гаусса. Его графическим выражением является кривая с симметричными ветвями по обе стороны максимальной ординаты. При нормальном распределении наиболее вероятным значением служит среднее арифметическое х, которое совпадает с наиболее часто встречающимися значениями – модой. Растянутость симметричной кривой по оси абсцисс, т.е. разброс значений в большую и меньшую стороны от моды, характеризуется средним квадратичным отклонением а.
Нормальное распределение может также проявляться не для самой величины, а для ее логарифма (логарифмически нормальный, или логнормальный, закон распределения). В этом случае мода совпадает со средним геометрическим, а разброс значений характеризуется логарифмом а.
В 1940 г. Н.К. Разумовский эмпирическим путем обнаружил, что содержание металлов в рудах соответствует логарифмически нормальному распределению. Л.X. Арене в 1954 г., обработав обширный материал, независимо от Разумовского установил, что распределение рассеянных элементов в магматических породах аппроксимируется логарифмически нормальным законом. Многочисленные факты указывают на то, что распределение элементов с высокими кларками обычно подчиняется нормальному закону, а рассеянных – логнормальному. Это еще раз подтверждает принципиальное различие главных и рассеянных элементов.
С высокой вариабельностью низкокларковых элементов связана их способность к высокой степени концентрации. Максимальная степень концентрации главных элементов составляет 10 – 20 раз по отношению к их кларку, а для рассеянных элементов – в сотни и тысячи раз больше. Например, в рудах промышленных месторождений степень концентрации свинца, никеля, олова, хрома составляет 1000×п.
Говоря об огромных массах тяжелых металлов, сосредоточенных в месторождениях руд, следует помнить, что эти массы – ничтожная часть общего количества металлов, рассеянных в земной коре. В частности, общемировые запасы руд цинка, меди, свинца, никеля составляют всего лишь тысячные доли процента от масс этих металлов, рассеянных в верхнем километровом слое земной коры континентов.
Залежи руд связаны с окружающими горными породами постепенными переходами. Рудные тела находятся как бы в чехле постепенно убывающей концентрации металлов. Такие образования получили название ореолов рассеяния Первичные, сингенетичные рудные ореолы возникают одновременно с рудными телами и в результате одних и тех же процессов. Они имеют разнообразную конфигурацию, зависящую от геологического строения, состава вмещающих пород и условий рудообразования.
В рудах наряду с одним или несколькими главными рудообразующими элементами присутствуют сопутствующие элементы, концентрация которых также повышена, но не настолько, как главных. Элементы-спутники часто образуют изоморфные замещения главных. Например, в цинковых рудах постоянно содержится кадмий, в меньшем количестве – индий, галлий, германий. В медно-никелевых рудах присутствует значительная примесь кобальта, в меньшем количестве – селена и теллура. Все сопутствующие элементы также рассеиваются вокруг рудных тел. Обладая неодинаковой геохимической подвижностью, они образуют переходные зоны разной протяженности. В итоге состав и строение ореолов рассеяния очень сложны.
Среднее содержание химического элемента представляет собой норму – геохимический фон – для данного типа пород в определенном районе. На геохимическом фоне выделяются геохимические аномалии – участки горных пород с повышенной концентрацией рассеянных элементов. Если они связаны с залежами руд, то это ореолы рассеяния. Если же концентрации металлов не достигают кондиции руды, то такие аномалии называют ложными. Используя статистическую обработку массовых аналитических данных, можно обнаружить закономерные изменения величины геохимического фона в пространстве и выявить геохимические провинции. В пределах провинций горные породы одного типа обладают выдержанными статистическими параметрами, в первую очередь значениями среднего содержания одного или нескольких рассеянных элементов. Среднее содержание некоторых элементов в однотипных породах разных геохимических провинций может сильно различаться (в несколько раз). При этом химический состав этих пород, определяемый содержанием главных элементов, остается одинаковым или имеет очень слабые отличия. Например, в гранитах разных провинций, имеющих практически одинаковое количество кремния, алюминия, железа, калия, содержание олова, свинца, молибдена, урана может различаться в 2–3 раза.
Изложенный материал свидетельствует о неравномерности распределения рассеянных элементов в земной коре. Поэтому наряду с определением кларков, т.е. величины средней концентрации элементов в земной коре в целом, необходимо учитывать их способность концентрироваться или рассеиваться в различных объектах – разных типах горных пород или в однотипных породах, но находящихся в разных геохимических провинциях, в рудах и др. Чтобы количественно оценить неоднородность химических элементов в земной коре, В.И. Вернадский ввел специальный показатель – кларк концентрации Кк. Его числовое значение характеризует отклонение содержания элемента в данном объеме от кларка:
К К = А/К,
где А – содержание химического элемента в горной породе, руде, минерале и др.;
К – кларк этого элемента в земной коре. Если кларк концентрации больше единицы, это указывает на обогащение элементом, если меньше – означает снижение его содержания по сравнению с данными для земной коры в целом.
Изменение концентрации химических элементов в пространстве, отклонение от глобальной или местной геохимической норМЬ1 __ не отдельные случаи, а характерная черта геохимической структуры земной коры. Это имеет очень важное значение для состава фотосинтезирующих организмов суши, которые образуют основную часть массы живого вещества Земли.
Литература
1. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. – М.: Логос, 2000. – 627 с.
2. Арене Л. X. Распределение элементов в изверженных породах // Химия земной коры. – М.: Наука, 1964. – Т. 2. – С. 293–300.
3. Вернадский В.И. Очерки геохимии // Избр. соч.: В 5 т. – М.: Изд-во АН СССР, 1954. – Т. 1. – С. 7–391.
4. Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Повареных А.С., Прохоров В.Г. Краткий справочник по геохимии. – М.: Недра, 1977. – 183 с.
5. Гольдшмит В.М. Принципы распределения химических элементов в минералах и горных породах // Сб. ст. по геохимии редких элементов. – М. – Л.: ГОНТИ НКТП СССР, 1930. – С. 215–242.
6. Добровольский В.В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние. – М.: Мысль, 1983. – 269 с.
7. ПерельманА.И. Геохимия. – М.: Высш. шк., 1989. – 528 с.
8. Ронов А.Б., Ярошевский А.А. Новая модель химического состава земной коры // Геохимия. – 1976. – №12. – С. 1763–1795.
www.neuch.ru
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 28,461018 т, Мирового океана – 1,471018 т, атмосферы – 0,0051018 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
| Химический элемент | Атомный номер | Среднее содержание, 110-4% | Химический элемент | Атомный номер | Среднее содержание, 110-4% |
| О | 8 | 481 000 | Mg | 12 | 12000 |
| Si | 14 | 399 000 | Ti | 22 | 3300 |
| А1 | 13 | 80 000 | H | 1 | 1000 |
| Fe | 26 | 36000 | P | 15 | 800 |
| К | 19 | 27000 | F | 9 | 700 |
| Са | 20 | 25000 | Мn | 25 | 700 |
| Na | 11 | 22000 | Ва | 56 | 680 |
| S | 16 | 400 | Ег | 68 | 3,6 |
| С | 6 | 300 | Yb | 70 | 3,6 |
| Sr | 38 | 230 | Hf | 72 | 3,5 |
| Rb | 37 | 180 | Sn | 50 | 2,7 |
| Cl | 17 | 170 | и | 92 | 2,6 |
| Zr | 40 | 170 | Be | 4 | 2,5 |
| Се | 58 | 83 | Br | 35 | 2,2 |
| V | 23 | 76 | Та | 73 | 2,1 |
| Zn | 30 | 51 | As | 33 | 1,9 |
| La | 57 | 46 | W | 74 | 1,9 |
| Yr | 39 | 38 | Ho | 67 | 1,8 |
| Cl | 24 | 34 | Tl | 81 | 1,8 |
| Nd | 60 | 33 | Eu | 63 | 1,4 |
| Li | 3 | 30 | Tb | 65 | 1,4 |
| N | 7 | 26 | Ge | 32 | 1,3 |
| Ni | 28 | 26 | Mo | 42 | 1,3 |
| Cu | 29 | 22 | Lu | 71 | 1,1 |
| Nb | 41 | 20 | I | 53 | 0,5 |
| Ga | 31 | 18 | Tu | 69 | 0,3 |
| Pb | 82 | 16 | In | 49 | 0,25 |
| Th | 90 | 16 | Sb | 51 | 0,20 |
| Sc | 21 | 11 | Cd | 48 | 0,16 |
| В | 5 | 10 | Se | 34 | 0,14 |
| Sm | 62 | 9 | Ag | 47 | 0,088 |
| Gd | 64 | 9 | Hg | 80 | 0,033 |
| Pr | 59 | 7,9 | Bi | 83 | 0,010 |
| Co | 27 | 7,3 | Au | 79 | 0,0012 |
| Dy | 66 | 6,5 | Те | 52 | 0,0010 |
| Cs | 55 | 3,8 | Re | 75 | 0,0007 |
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 160
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).
Рис. 1.2. Микрополости в кварце: 1 – кристалл сильвина; 2 – кристалл галита; 3 – пузырек газа; 4 – жидкая фаза. Прозрачный шлиф, увеличение 900
Это явление, впервые специально рассмотренное в 1858 г. основателем оптической петрографии Г. Сорби, к настоящему времени всесторонне изучено. Микрополости в минералах обычно содержат жидкую и газовую фазы, иногда к ним добавляются мелкие кристаллы. Проблема жидких включений была основательно проанализирована У. Ньюхаузом, который отметил присутствие в жидкостях тяжелых металлов (до нескольких процентов).
Некоторая часть примеси рассеянных элементов, легко экстрагируемая из тонко растертых мономинеральных проб, связана именно с жидкими включениями. Н.П. Ермаков (1972), изучив микровключения из флюорита, обнаружил в них n10-1% цинка, марганца, n10-2% бария, хрома, меди, никеля и свинца, n 10-3% титана. В дальнейшем в жидких включениях были обнаружены и другие рассеянные элементы.
Вместе с тем тщательный анализ мономинеральных проб и использование электронного зондирования показали, что все без исключения породообразующие минералы содержат рассеянные элементы в настолько высокодисперсной форме, что они не могут быть обнаружены не только при помощи оптической, но и электронной микроскопии. В этом случае имеет место рассеяние элементов на уровне ионов и молекул. Формы такого рассеяния не ограничиваются рассмотренными ранее явлениями изоморфизма. Известны многочисленные случаи присутствия химических элементов в минералах, не имеющих никакой связи с изоморфизмом.
Результаты многих тысяч анализов, выполненных в разных странах за последние 50 лет, позволяют утверждать, что все породообразующие минералы являются носителями рассеянных элементов. Именно в них сосредоточена основная масса рассеянных элементов, содержащаяся в земной коре. Зная содержание минералов-носителей и концентрацию в них рассеянных элементов, можно рассчитать баланс внутри конкретной горной породы.
При изучении гранитов Тянь-Шаня было обнаружено, что в кварце, несмотря на ничтожную концентрацию свинца, заключено более 5% всей массы этого металла, содержащегося в породе (табл. 1.2).
Таблица 1.2. Распределение свинца в минералах, слагающих граниты хребта Джумгол
| Минерал | Содержание минерала, % | Содержание свинца в минерале, мг/кг | Общее количество свинца в породе | |
| мг/кг | % | |||
| Кварц | 35,3 | 4 | 1,4 | 5,4 |
| Полевые шпаты | 59,5 | 40 | 23,8 | 91,5 |
| Биотит | 3,7 | 20 | 0,7 | 2,7 |
| Магнетит | 0,7 | 17 | 0,1 | 0,4 |
| Сумма | – | – | 26,0 | 100,0 |
Невозможно предположить изоморфное вхождение свинца, цинка или другого металла в структуру кварца, образованную комбинацией ионов кремния и кислорода. Между тем кварц служит носителем многих рассеянных элементов. Разработан особый метод оценки потенциальной рудоносности горных пород и жил по содержанию в кварце лития, рубидия, бора.
При экспериментальном изучении прочности закрепления рассеянных металлов в породообразующих минералах было обнаружено, что при обработке тонко измельченной минеральной массы последовательными порциями слабых кислотно-щелочных растворителей значительная часть металлов легко извлекается при первой же экстракции, причем это извлечение не сопровождается разрушением кристаллохимической структуры минералов. При дальнейших обработках количество экстрагируемых металлов резко сокращается или прекращается совсем. Это позволило высказать предположение, что часть рассеянных элементов не входит в собственно кристаллохимическую структуру, а приурочена к дефектам реальных кристаллов. Дефекты представляют собой разного рода трещины, причем настолько мелкие, что не обнаруживаются оптическим микроскопом. Легкость извлечения рассеянных металлов объясняется тем, что они связаны с поверхностью минерала-носителя сорбционными силами. В породообразующих силикатах эта форма нахождения рассеянных металлов составляет 10 – 20% от всей массы рассеянных металлов. В частности, непрочно связанная форма свинца в гранитах Тянь-Шаня составляет от 12 до 18% всей массы рассеянного элемента.
Можно выделить следующие формы нахождения рассеянных элементов в кристаллическом веществе земной коры:
I. Микроминералогические формы:
1. Элементы, входящие в акцессорные минералы.
2. Элементы, содержащиеся в микроскопических выделениях в результате распада твердых растворов.
3. Элементы, находящиеся во включениях остаточных растворов. П. Неминералогические формы:
4. Элементы, сорбированные поверхностью дефектов реальных кристаллов.
5. Элементы, входящие в структуру минерала-носителя по законам изоморфизма.
6. Элементы, находящиеся в структуре минерала-носителя в неупорядоченном состоянии.
Сочетание рассмотренных форм нахождения рассеянных элементов сильно меняется в зависимости от многих факторов. Соответственно меняется и суммарное содержание рассеянного элемента в разных участках земной коры.
3. Особенности распределения химических элементов в земной коре
Варьирование содержания элемента в разных пробах обусловлено многими независимыми причинами. Когда распределение величины определяется достаточно большим числом примерно равнодействующих и взаимно независимых причин, то оно подчиняется так называемому нормальному закону Гаусса. Его графическим выражением является кривая с симметричными ветвями по обе стороны максимальной ординаты. При нормальном распределении наиболее вероятным значением служит среднее арифметическое х, которое совпадает с наиболее часто встречающимися значениями – модой. Растянутость симметричной кривой по оси абсцисс, т.е. разброс значений в большую и меньшую стороны от моды, характеризуется средним квадратичным отклонением а.
Нормальное распределение может также проявляться не для самой величины, а для ее логарифма (логарифмически нормальный, или логнормальный, закон распределения). В этом случае мода совпадает со средним геометрическим, а разброс значений характеризуется логарифмом а.
В 1940 г. Н.К. Разумовский эмпирическим путем обнаружил, что содержание металлов в рудах соответствует логарифмически нормальному распределению. Л.X. Арене в 1954 г., обработав обширный материал, независимо от Разумовского установил, что распределение рассеянных элементов в магматических породах аппроксимируется логарифмически нормальным законом. Многочисленные факты указывают на то, что распределение элементов с высокими кларками обычно подчиняется нормальному закону, а рассеянных – логнормальному. Это еще раз подтверждает принципиальное различие главных и рассеянных элементов.
С высокой вариабельностью низкокларковых элементов связана их способность к высокой степени концентрации. Максимальная степень концентрации главных элементов составляет 10 – 20 раз по отношению к их кларку, а для рассеянных элементов – в сотни и тысячи раз больше. Например, в рудах промышленных месторождений степень концентрации свинца, никеля, олова, хрома составляет 1000п.
Говоря об огромных массах тяжелых металлов, сосредоточенных в месторождениях руд, следует помнить, что эти массы – ничтожная часть общего количества металлов, рассеянных в земной коре. В частности, общемировые запасы руд цинка, меди, свинца, никеля составляют всего лишь тысячные доли процента от масс этих металлов, рассеянных в верхнем километровом слое земной коры континентов.
Залежи руд связаны с окружающими горными породами постепенными переходами. Рудные тела находятся как бы в чехле постепенно убывающей концентрации металлов. Такие образования получили название ореолов рассеяния Первичные, сингенетичные рудные ореолы возникают одновременно с рудными телами и в результате одних и тех же процессов. Они имеют разнообразную конфигурацию, зависящую от геологического строения, состава вмещающих пород и условий рудообразования.
В рудах наряду с одним или несколькими главными рудообразующими элементами присутствуют сопутствующие элементы, концентрация которых также повышена, но не настолько, как главных. Элементы-спутники часто образуют изоморфные замещения главных. Например, в цинковых рудах постоянно содержится кадмий, в меньшем количестве – индий, галлий, германий. В медно-никелевых рудах присутствует значительная примесь кобальта, в меньшем количестве – селена и теллура. Все сопутствующие элементы также рассеиваются вокруг рудных тел. Обладая неодинаковой геохимической подвижностью, они образуют переходные зоны разной протяженности. В итоге состав и строение ореолов рассеяния очень сложны.
Среднее содержание химического элемента представляет собой норму – геохимический фон – для данного типа пород в определенном районе. На геохимическом фоне выделяются геохимические аномалии – участки горных пород с повышенной концентрацией рассеянных элементов. Если они связаны с залежами руд, то это ореолы рассеяния. Если же концентрации металлов не достигают кондиции руды, то такие аномалии называют ложными. Используя статистическую обработку массовых аналитических данных, можно обнаружить закономерные изменения величины геохимического фона в пространстве и выявить геохимические провинции. В пределах провинций горные породы одного типа обладают выдержанными статистическими параметрами, в первую очередь значениями среднего содержания одного или нескольких рассеянных элементов. Среднее содержание некоторых элементов в однотипных породах разных геохимических провинций может сильно различаться (в несколько раз). При этом химический состав этих пород, определяемый содержанием главных элементов, остается одинаковым или имеет очень слабые отличия. Например, в гранитах разных провинций, имеющих практически одинаковое количество кремния, алюминия, железа, калия, содержание олова, свинца, молибдена, урана может различаться в 2–3 раза.
Изложенный материал свидетельствует о неравномерности распределения рассеянных элементов в земной коре. Поэтому наряду с определением кларков, т.е. величины средней концентрации элементов в земной коре в целом, необходимо учитывать их способность концентрироваться или рассеиваться в различных объектах – разных типах горных пород или в однотипных породах, но находящихся в разных геохимических провинциях, в рудах и др. Чтобы количественно оценить неоднородность химических элементов в земной коре, В.И. Вернадский ввел специальный показатель – кларк концентрации Кк. Его числовое значение характеризует отклонение содержания элемента в данном объеме от кларка:
К К = А/К,
где А – содержание химического элемента в горной породе, руде, минерале и др.;
К – кларк этого элемента в земной коре. Если кларк концентрации больше единицы, это указывает на обогащение элементом, если меньше – означает снижение его содержания по сравнению с данными для земной коры в целом.
Изменение концентрации химических элементов в пространстве, отклонение от глобальной или местной геохимической норМЬ1 __ не отдельные случаи, а характерная черта геохимической структуры земной коры. Это имеет очень важное значение для состава фотосинтезирующих организмов суши, которые образуют основную часть массы живого вещества Земли.
Литература
Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. – М.: Логос, 2000. – 627 с.
Арене Л. X. Распределение элементов в изверженных породах // Химия земной коры. – М.: Наука, 1964. – Т. 2. – С. 293–300.
Вернадский В.И. Очерки геохимии // Избр. соч.: В 5 т. – М.: Изд-во АН СССР, 1954. – Т. 1. – С. 7–391.
Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Повареных А.С., Прохоров В.Г. Краткий справочник по геохимии. – М.: Недра, 1977. – 183 с.
Гольдшмит В.М. Принципы распределения химических элементов в минералах и горных породах // Сб. ст. по геохимии редких элементов. – М. – Л.: ГОНТИ НКТП СССР, 1930. – С. 215–242.
Добровольский В.В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние. – М.: Мысль, 1983. – 269 с.
ПерельманА.И. Геохимия. – М.: Высш. шк., 1989. – 528 с.
Ронов А.Б., Ярошевский А.А. Новая модель химического состава земной коры // Геохимия. – 1976. – №12. – С. 1763–1795.
topref.ru
