Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Введение в геохимию: Учебное пособие по дисциплинам "Общая геохимия" и "Прикладная геохимия"

Голосов: 1

В пособии приведены общие сведения о предмете "Геохимия", его связи с другими дисциплинами. Освещена история развития геохимии как самостоятельного направления геологической науки. Рассмотрены вопросы геохимической классификации элементов, состава Земли и планет Солнечной системы. Приведена информация о методиках определения абсолютного возраста пород, геохимии изотопов. Дано краткое описание геохимии эндогенных и экзогенных процессов, приведены сведения о геохимии ноосферы, затронуты проблемы техногенеза и вопросы практического применения геохимии. Предназначено для подготовки бакалавров и магистров геологии. Может быть рекомендовано для самостоятельной работы студентам других специальностей, а также тем, кто интересуется вопросами геохимии. Электронная версия пособия размещена на сайте Апатитского филиала МГТУ (<a href="http://af.mstu.edu.ru" target="_blank">http://af.mstu.edu.ru</a>).

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    IV. Рассеянные       Li, Sc, Ga, Br, Rb, Y, Nb, In, I, Gs,   11   11,95
   элементы                           Та
V. Элементы сильно        Po, Rn, Ra, Ac, Th, Pa, U          7    7,61
  радиоактивные
VI. Элементы редких La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd,          15   16,30
       земель            Tb, Dy, Ho, Er, Tu, Yb

     А.Е. Ферсман в своей классификации отмечал элементы, характерные для
различных типов магм. К сожалению, также как и в классификации
Б.М. Гольдшмидта, в ней был недостаток – выделенные группы перекрывались
по ряду элементов. Избежать подобного перекрытия постарался
А.Н. Заварицкий, который нанес отдельные поля элементов на периодическую
систему.
     В литературе можно встретить и иные классификации элементов. В этой
связи следует упомянуть, во-первых, выделение группы некогерентных (или
несовметстимых) элементов – «incoherent elements» или «inconpatible elements»,
определенных так А.Э. Рингвудом и Д.Х. Грином при исследовании
базальтовых магм.
     К некогерентным элементам относятся петрогенные элементы K, Ti, P
и малые элементы U, Th, Ba, Cs, Rb, Sr, Zr, Hf, которые не способны свободно
замещать другие элементы в главных минералах мантии. Названием
«некогерентные элементы» авторы хотели подчеркнуть, что имеются
достаточно случайные колебания в их содержании, не связанные
непосредственно с изменениями в содержании главных элементов базальтов,
а также значительно большее обогащение некоторыми из таких элементов, чем
это можно было бы ожидать, исходя из колебаний в содержании главных
элементов. Таким образом, для обоснования содержания данных элементов
в базальтовых магмах необходимо привлечение дополнительных процессов,
кроме простой кристаллизационной отсадки в закрытых системах. Для этой
цели могут быть использованы явления контаминации и иные процессы.
     Можно также встретить специальные названия элементов при описании
гранитоидных пород. Так, К. Менерт со ссылкой на Де Вийса использует такие
термины, как «гранитофильные» и «гранитофобные» элементы. Первые – это
те элементы, которые обогащают породы при гранитизации. В принципе,
гранитизация может быть описана как процесс обогащения гранитофильными
элементами и удаления гранитофобных элементов. Вот некоторые примеры
названных элементов:
     Гранитофильные элементы: K, Rb, Sr, Ba, TR, Hf, Th, Nb, Ta, U, Pb.


                                          61


     Гранитофобные элементы: C, Cr, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Au, Ge, N, S,
Se, Te.
     Другие элементы могут проявлять свойства, в той или иной мере
гранитофильные или гранитофобные. Например, Li, Na, Cs, Be, Ca, Ai, Ti, Zr и
нектороые другие элементы менее гранитофильны, чем группа типичных
гранитофильных элементов, но более гранитофильны, чем, скажем, Mg, Mo,
Mn, Fe, Cu, P и некоторые другие элементы, которые, в свою очередь, менее
гранитофобны, чем типичные гранитофобные элементы.

     Изучение распространенности химических элементов и их изотопов
в природе является одной из главных задач геохимии и космохимии. При ее
изучении важно представлять себе как строение и состав Земли, так и
владеть подобной информацией, касающейся других образований Вселенной и
нашей галактики. Проблема распространенности химических элементов в
природе впервые наиболее полно была рассмотрена в работах Ф.У. Кларка.
    В честь этого ученого среднее состояние какого-либо элемента в данной
природной системе по инициативе А. Ферсмана названо кларком. Кларки могут
быть выражены в массовых, атомных и объемных процентах и по отношению
к какому-либо одному элементу. Термин «кларк» получил широкое
применение в России, в других странах ему соответствует термин
«распространенность».

     Со дня опубликования первой таблицы Кларка прошло почти 100 лет
(полная сводка – 1924 год, ее предваряли публикации 1908 года), проделана
гигантская работа, и общая картина распространенности элементов
выявилась достаточно отчетливо. Прежде всего, подтвердилось гениальное
положение В.И. Вернадского о рассеянном состоянии химических элементов.
    Для иода, гафния, скандия, рубидия, индия, цезия, радия и некоторых
других редких элементов рассеянное состояние является основным, так как они
не образуют или почти не образуют собственных минералов; для большинства
элементов – преобладающим, и только для кислорода, кремния, алюминия,
железа, кальция, натрия, калия и магния главная форма нахождения –
собственные минералы. Эти элементы, формирующие субстрат горных пород,
названы петрогенными.
    Установлено, что почти половина твердой земной коры состоит из одного
элемента – кислорода. Таким образом, земная кора – это «кислородная сфера»,
кислородное вещество. На втором месте находится кремний (кларк 29,5), на
третьем алюминий (8,05). В сумме содержание этих элементов в земной коре
составляет 84,55 %. Если к ним добавить железо (4,65), кальций (2,96), калий

                                       62


(2,50), натрий (2,50), магний (1,87), титан (0,45), то получится 99,48 %, т. е.
практически вся земная кора. Содержание остальных элементов составляет
менее 1 %.
     Предполагается, что в каждом грамме горной породы, в каждой капле
природной воды, т. е. везде есть весь спектр химических элементов. Речь
может идти только о недостаточной чувствительности современных методов
анализа, не позволяющих определить содержание того или иного элемента
в данном объекте природы. Это положение о всеобщем рассеянии химических
элементов геохимик Н.И. Сафронов предложил именовать законом Кларка –
Вернадского.
     Кларки самых распространенных изверженных кислых пород, слагающих
гранитный слой земной коры, установлены достаточно точно, много данных
имеется о кларках основных пород (базальтов и др.), осадочных пород (глин,
сланцев, известняков и т. д.). Эти данные можно найти в любом геохимическом
справочнике.
     Содержание большинства элементов в земной коре не превышает 0,01–
0,0 001 %. Такие элементы в геохимии принято называть редкими. Если редкие
элементы обладают слабой способностью к концентрации, то они именуются
редкими рассеянными. К ним относятся Br, In, Ra, I, Hf, Re, Sc и другие
элементы. Например, у урана и брома кларки почти одинаковы, но уран
является редким элементом, поскольку известны урановые месторождения, 104
урановых минерала, а бром – редким рассеянным, так как он почти не
концентрируется в литосфере и известен лишь один собственный минерал этого
элемента.
     В геохимии употребляется также термин «микроэлементы», под которыми
понимают элементы, содержащиеся в малых количествах (порядка 0,01 %
и менее) в данной системе. Так, алюминий по содержанию в организмах
является микроэлементом, по содержанию в силикатных породах –
макроэлементом.
     Представления, почерпнутые из повседневного опыта, не всегда совпадают
с данными геохимии. Например, цинк и медь широко распространены в быту
и технике, а цирконий и титан для нас являются «редкими элементами». Вместе
с тем циркония в земной коре почти в четыре раза больше, чем меди, а титана
даже в 95 раз.
     «Редкость» циркония и титана объясняется трудностью извлечения их из
руд, которая была преодолена только в середине прошлого века, когда эти
металлы стали широко использоваться в промышленности.
     После установления среднего состава земной коры, возник вопрос, в чем
причина столь неравномерного распространения элементов. «Химический

                                      63


состав земной коры связан с определенным строением ее атомов», – писал
В.И. Вернадский (Избр. соч., т. I, 1954, с. 34). Выяснилось, что кларки не
зависят от строения внешних электронных орбит атомов (числа валентных
электронов и т. д.), определяющих химические свойства элементов. Например,
щелочные металлы Li, Na, К, Rb, Cs и Fr в химическом отношении близки друг
другу, так как на внешней орбите у них находится один валентный электрон.
Но кларки их различны: натрия и калия в земной коре много (2,50), рубидия
мало (1,5 10-2), лития еще меньше (3,2 10-3), цезий очень редок (3,7 10-4),
а франций был получен искусственно. Таким образом, кларки не зависят от
химических свойств элементов или, точнее, в основном не зависят.
      Мысль исследователей обратилась к другой части атома – его ядру. Было
установлено, что в земной коре преобладают легкие атомы, занимающие
начальные клетки периодической системы, ядра которых содержат небольшое
число нуклонов – протонов и нейтронов. Действительно, после железа (№ 26
в таблице Д.И. Менделеева) нет ни одного распространенного в земной коре
элемента.
      На эту закономерность указывал еще Д.И. Менделеев, отмечавший, что
наиболее распространенные в природе простые тела имеют малую атомную
массу.
     Другая особенность в распространении элементов была установлена
итальянцем Г. Оддо в 1914 г. и более детально охарактеризована американцем
В. Гаркинсом в 1915–1928 гг. Они отметили, что в земной коре преобладают
элементы с четными порядковыми номерами и с четными атомными массами.
Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых кратна четырем.
Это кислород, магний, кремний, кальций и др., о чем уже упоминалось выше, в
главе, посвященной изотопам.
     По Ферсману, ядра типа 4q слагают 86,3 % земной коры. Менее
распространены атомные ядра, построенные по типу 4 q + 3 (12,7 %) и совсем
мало ядер типа 4 q + 1 и 4 q + 2 (1 %). При этом отмечается следующая
закономерность: среди четных элементов, начиная с гелия, наибольшими
кларками обладает каждый шестой: кислород (№ 8), кремний (№ 14), кальций
(№ 20), железо (№ 26). Для нечетных элементов существует аналогичная
зависимость, начиная с водорода (№ 1): азот (№ 7), алюминий (№ 13), калий (№
19), марганец (№ 25).
     Необходимо отметить, что кларк элемента – величина непостоянная.
Кларки некоторых элементов изменились. Так, в результате радиоактивного
распада стало меньше урана и тория и больше свинца – конечного продукта
распада (радиогенный свинец составляет часть атомов свинца земной коры). За
счет радиоактивного распада ежегодно образуются миллионы тонн новых

                                     64


элементов. Хотя эти величины сами по себе очень велики, по сравнению
с массой земной коры они ничтожны.
     Говоря о распределении элементов в природе, нельзя забывать
и о миграции. В связи с этим стоит вспомнить так называемый Основной закон
геохимии - закон В.М. Гольдшмидта, согласно которому абсолютное
количество элементов, зависит от строения атомного ядра; распределение
элементов, связанное с их миграцией, – от числа электронов наружных
оболочек ядра.
     По мнению А.И. Перельмана, современное знание позволяет несколько
уточнить этот закон: Кларки элементов в земной коре зависят как от атомного
ядра, так и от строения электронных оболочек, определяющих химические
свойства атомов. Ведущее значение имеют все же ядерные свойства –
устойчивость ядер, содержание в них небольшого четного числа протонов
 и нейтронов, особенно кратное четырем.
     С другой стороны, и миграция зависит не только от химических свойств
элементов, но и от их кларков, которые во многом определяют содержание
элементов в растворах и расплавах, их способность к минералообразованию,
осаждению. Следовательно, и распространенность элементов в земной коре,
и их миграция связаны как со строением атомного ядра, так и строением
наружных электронных оболочек. Причем в первом случае важнее строение
ядра, во втором – электронная структура атома.
     Изучение геохимии метаморфических комплексов позволяет нам
предложить более расширенный вариант закона В.М. Гольдшмидта. Мы вслед
за А.И. Перельманом выделяем в этом законе направления, связанные
с распределением элементов и с их миграцией, или рассеянием. То есть как бы
обосабливаем две части этого закона, включая в его первую часть то, что было
сформулировано В.М. Гольдшмидтом, с уточнениями А.И. Перельмана. Вторая
часть, которую можно было бы назвать законом рассеяния, формулируется
нами так: сходство свойств (по закону Д.И. Менделеева) и изоморфное родство
многих химических элементов, отраженное в близости многих их параметров
– размеров атомов и ионов, электронных, кристаллохимических,
энергетических показателей, приводит к взаимному смешению и рассеянию
химических элементов, в результате чего состав природных минералов и пород
отличается от теоретического, или рассчитанного, совместным
нахождением изоморфно родственных и рассеянных элементов.
     Прежде чем мы перейдем к геохимии горных пород, слагающих земную
кору, кратко остановимся на вопросе строения и состава Земли. Эта проблема
тесно смыкается с проблемой строения и состава метеоритов и планет
Солнечной системы.

                                     65


                   ГЛАВА 7. СОСТАВ МЕТЕОРИТОВ

     Метеориты представляют собой обломки космической материи,
попадающие в наши руки, и наиболее доступные для всесторонних
лабораторных исследований с применением современных методов. Все
метеориты в первом приближении могут быть разделены на два типа:
каменные и железные, или силикатные, и металлические. При более детальном
рассмотрении они могут быть подразделены, согласно данным Г.В. Войткевича
и В.В. Закруткина, на три основных типа: железные (сидериты),
железокаменные (сидеролиты) и каменные (аэролиты).
    Особый интерес представляют органические соединения в метеоритах,
которых обнаружено довольно много. Наиболее ярко выражено углистое
органическое вещество в углистых хондритах, в которых оно было установлено
еще И. Берцелиусом в 1834 г. Позже было доказано, что углистое вещество
метеорита Orgueil представляет собой органическое соединение (!) и в его
составе удалось доказать присутствие парафиновых углеводородных молекул.
     В железных метеоритах мы встречаем резкое преобладание Fe, Ni, Со.
Состав каменных метеоритов более разнообразный; преобладают О, Fe, Si, Mg,
S, Ca, Ni, Al. Распределение химических элементов в метеоритных фазах дает
представление об их поведении в зависимости от строения атомов
и химических свойств. Об этом уже упоминалось в разделе, посвященном
геохимической      классификации     элементов.   Литофильные     элементы
концентрируются в силикатной фазе метеоритов и почти отсутствуют
в металлической, халькофильные элементы дают максимальную концентрацию
в троилитовой фазе и сидерофильные накапливаются преимущественно
в металлической. Железо в метеоритном материале является «сквозным»
элементом и, несмотря на свои преимущественно сидерофильные свойства,
оказывается ведущим элементом во всех метеоритных фазах.




                                    66


     Минеральный состав каменных метеоритов близок к составу земных
ультраосновных и основных изверженных пород. Кроме того, в метеоритах мы
встречаем ряд минералов, неизвестных в земных условиях. Большинство из них
                                                   могло           формироваться
                                                   в        условиях        резко
                                                   восстановительной среды.
                                                       Весь      материал      по
                                                   метеоритам           позволяет
                                                   наблюдать         постепенные
                                                   переходы между каменными
       Рис. 6 Относительная частота выпадения      и железными метеоритами.
    метеоритов разных классов (по Г.В. Войткевичу, Ниже мы остановимся на
                В.В. Закруткину, 1976)             характеристике        главных
классов метеоритов. Частота выпадения метеоритов разных классов
представлена на диаграмме (рис. 6).
     Железные метеориты, или сидериты – достаточно известный тип
метеоритов, состоят в основном из железа и никеля. Выделенные подтипы этих
метеоритов различаются по кристаллической структуре и отношению никеля
и железа.
     Железокаменные метеориты, или сидеролиты состоят из примерно
равных по объему силикатного и железоникелевого компонентов.
     Каменные метеориты относятся к наиболее распространенному типу
метеоритов. Среди них выделяются хондритовые метеориты, или хондриты,
и ахондриты.
     Хондритовые метеориты, или хондриты – наиболее примитивный тип
метеоритов, представляют собой продукты значительно более сложных
процессов химической дифференциации вещества. Минеральный состав
хондритов относительно прост и однообразен. Они состоят главным образом из
оливина, пироксена, никелистого железа, троилита (FeS) и плагиоклаза
(олигоклаза). Исключением являются углистые хондриты, состоящие
преимущественно из гидратированных силикатов. Следует отметить, что
хондриты неодинаковы по составу и не могли возникнуть из одного и того же
исходного вещества путем его окисления или восстановления. Происхождение
хондритовых метеоритов неразрывно связано с происхождением их
специфической структуры. Большинство исследователей метеоритов считают,
что хондры представляли когда-то капли расплава, выделившегося при
конденсации горячего газа солнечного состава. Впоследствии они
объединились в компактные массы – хондритовые астероиды.

                                       67


      Ахондриты – эта группа каменных метеоритов характеризуется большим
разнообразием. Они обладают кристаллической структурой, многие из них
имеют большое сходство с земными изверженными породами. По Г. Прайору,
ахондриты разделяются на две группы: бедные кальцием (СаО 0–3 %)
и богатые кальцием. В минералогическом отношении ахондриты могут быть
подразделены      на    энстатитовые     ахондриты,       оливин-пижонитовые,
гиперстеновые, гиперстен-плагиоклазовые диопсид-оливиновые и авгитовые.
Наиболее близки к земным изверженным породам и наиболее распространены
эвкриты и говардиты. Эвкриты состоят из пижонита и анортита, а говардиты –
из гиперстена и анортита. В минералогическом и структурном отношениях
эвкриты близки к основным – габброидным породам земной коры.
      Возраст метеоритов варьирует в пределах 4500–4600 млн лет. Изотопный
состав химических элементов метеоритов служит важным критерием для
установления принадлежности метеорита к той или другой системе вещества.
Проведенные масс-спектрометрические измерения показали, что главные
элементы метеоритов имеют такой же изотопный состав, как и элементы Земли.
В частности, изотопный состав С, О, Si, Cl, Fe, Ni, Со, К, Сu, Ga, U метеоритов
тождествен изотопному составу этих элементов земного происхождения.
      Для некоторых самых редких элементов, особенно инертных газов,
находящихся в метеоритах в самых минимальных количествах (Не, Ne, Кг, Хе),
наблюдаются существенно иные изотопные соотношения, чем на Земле. Часть
этих отклонений легко объясняется тем, что метеориты подвергались
непрерывному космическому облучению. В результате ядерных реакций
(премущественно типа глубокого отщепления) космических частиц
с материалом метеоритов возник ряд изотопов. Ядерные реакции этого типа
дают очень малый выход, поэтому изотопный эффект, вызываемый ими, можно
обнаружить только у самых редких элементов.
      Однако некоторые изотопные смещения свидетельствуют о весьма
своеобразных и интересных процессах в истории метеоритов. Наиболее резко
смещения выражены у ксенона. Данные по изотопному составу ксенона
некоторых метеоритов свидетельствуют о повышенном содержании изотопа
129
    Хе в хондрите и повышенном содержании тяжелых изотопов 134Хе, 136Хе
в ахондритовом метеорите. Повышенное содержание изотопа 129Хе отражает
присутствие на ранних этапах существования хондритов радиоактивного
изотопа иода 129I, который содержался в метеоритном материале в разном
количестве и превратился путем бета-распада в изотоп ксенона. Период
полураспада радиоактивного иода 129I 17 млн лет. К настоящему времени он
полностью вымер.


                                      68


     Таким образом, метеоритный материал сохраняет следы былого
существования вымерших радиоактивных изотопов. Это чрезвычайно важное
заключение. Оно указывает на то, что химическая эволюция солнечной
системы была связана с историей не только ныне сохранившихся изотопов, но
и изотопов других элементов, включая трансурановые.
     Исходя из данных по накоплению 129Хе, можно оценить время, которое
прошло     между     окончанием    формирования      радиоактивных     ядер
и затвердеванием метеорита. Это время установлено и варьирует по различным
оценкам от 90 до 250 млн лет, то есть до остывания родоначальных тел
метеоритов Солнечная система существовала не более 250 млн лет, а возможно
и меньше.

        ГЛАВА 8. СОСТАВ ПЛАНЕТ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
    О химическом составе планет известно не слишком много. На их
поверхности отсутствуют условия для возбуждения атомных спектров.
Планеты – тела холодные. Основные сведения об их составе мы получаем по
косвенным данным. По своим массам, плотности и составу планеты
Ссолнечной системы делятся на две резко различные группы: группу
внутренних планет с повышенной средней плотностью 3,3–5,52 г/см3 и группу
внешних планет со средней плотностью 0,71–2 г/см3. Последние цифры
указывают на значительную долю участия газовых компонентов в составе
второй группы. Основные параметры планет Солнечной системы, по которым
можно судить об их составе, представлены в табл.4

                                                                      Таблица 4
             Некоторые свойства планет Солнечной системы и Луны
      (данные А. Рингвуда, обобщены Г.В. Войткевичем и В.В. Закруткиным)

                                       Средняя        Средняя     Железо-
      Планета     Масса    Радиус     плотность,     плотность   никелевая
                                        г/см3      при давлении фаза, %
                                                    10 Па, г/см3
                              Внутренние планеты
        Луна      0,0123    0,273         3,33         3,33          5
      Меркурий    0,0543    0,388         5,33          5,2         63
       Венера     0,8136    0,955         5,15          3,9         29
       Земля      1,000     1,000         5,52         4,04        31,5
        Марс      0,1069    0,528         4,00          3,7         19
                                Малые планеты


                                      69


     Хондритовые < 0,00013   < 0,058        ~3,5      3,5          -
      астероиды
                                   Внешние планеты
       Юпитер      318,35    10,97         1,35        -           -
       Сатурн        95,3     9,03         0,71
        Уран        14,54     3,72         1,56
       Нептун        17,2     3,38         2,47
       Плутон      0,033?     0,45          2?

      Из данных таблицы видно, что маленький Меркурий имеет большую
плотность, чем Марс и Венера. Различия состава особенно наглядны при
сравнении Луны и Меркурия. Луна сложена почти исключительно силикатным
материалом. Меркурий содержит 62 % металлической фазы. Подобно
большинству метеоритов внутренние планеты, вероятно, сочетают в себе
силикатную и металлическую фазы. Различие в средней плотности указывает
на то, что в процессе образования внутренних планет имело место
фракционирование одной из фаз.
      А. Рингвуд (1958) предположил, что различие в плотностях планет земной
группы связано с действием окислительно-восстановительных реакций,
вследствие которых различные количества железа, существовавшие в планетах,
были связаны в окислах или, напротив, восстановлены. Разная плотность
внутренних планет определяется главным образом различием их химического
состава. Более плотные планеты содержат больше металлического железа,
менее плотные – меньше.
      В то же время следует отметить зависимость состава внутренних планет от
расстояния до Солнца: чем ближе к Солнцу планеты, тем выше содержание
металлического железа. Эта закономерность особенно хорошо прослеживается
при сравнении близкого к Солнцу Меркурия и далекого от него Марса. По-
видимому, это важная космохимическая закономерность, которая требует
объяснения с точки зрения законов физической химии. По всей вероятности,
различие состава внутренних планет касается не только главных элементов
(О, Si, Fe, Mg, Ca, Al, Na), но и распространяется на другие химические
элементы таблицы Д.И. Менделеева.
     Если признать, что внутренние ядра планет образованы металлической
фазой, то нетрудно вычислить размеры этих ядер. Так, согласно расчетам
Р. Рейнольдса и А. Саммерса, радиусы внутренних металлических ядер
составляют: 0,8 внешнего радиуса у Меркурия, 0,53 у Венеры, 0,55 у Земли
и 0,4 у Марса.
     Меркурий. Это ближайшая к Солнцу с высокой плотностью планета,
лишенная атмосферы. Период собственного вращения Меркурия равен периоду

                                       70



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика