Представление о кларках, кларки земной коры

Термин «кларк» был предложен Ферсманом А.Е. в 1923 г. для характеристики среднего содержания химического элемента в данном космическом теле или его части.

Название возникло в честь Ф.У. Кларка, который первый установил количественную распространенность химических элементов в земной коре (ЗК). Кларк, отобрав 880 наиболее точных анализов горных пород, в 1889 г. вычислил среднее содержание в них 10 химических элементов. Он считал, что эти данные дают представление о твердой земной коре мощностью 16 км.

Любое отклонение от нормы (среднего содержания) осуществляется за счет миграции. Если имеет место понижение или повышение содержания – элемент рассеивается или накапливается. То-есть при оценке среднего содержания химического элемента необходимо учитывать (оценивать) и степень неравномерности его распределения в литосфере и отдельных ее структурах.

Со дня опубликования первой таблицы Кларка прошло более 100 лет, была проделана гигантская работа, и общая картина распространенности элементов выявилась достаточно отчетливо.

Подтвердилось гениальное положение Вернадского о рассеянном состоянии химических элементов. Согласно этому предположению все элементы есть везде (только недостаточная чувствительность анализа не позволяет определить содержание того или иного элемента в изучаемой системе). Это положение o всеобщем рассеянии химических элементов предложено именовать законом Кларка - Вернадского.

Вопрос о среднем составе земной коры достаточно сложен, так как неизвестно точное соотношение между различными группами горных пород. Например, А.П. Виноградов предполагал, что земная кора на 2/3 состоит из кислых пород и на 1/3 – из основных. Тогда, По Виноградову почти половина твердой земной коры состоит из:

Ø О (кларк – 47)

Ø на втором месте стоит Si (кларк – 29,5),

Ø на третьем – Al (8,05). В сумме они составляют 84,55 %.

Ø Если к этому числу добавить Fe (4,65), Са (2,96), Na (2,50), К (2,50), Mg (1,87), Ti (0,45), то получим 99,48%, т. е. практически почти вся земная кора.

Ø Остальные 80 элементов занимают менее 1 %.

Кларки большинства элементов не превышают 0,01-0,0001%. Такие элементы называются редкими. Если они обладают слабой способностью к концентрации, то именуются редкими рассеянными (Br, In, rа, I, Hf, Sc и др.). Например, у U и Br кларки почти одинаковы (2,5 10^-1 и 2,1 10^-1 %), но U просто редкий элемент, так как известны его месторождения, а Br - редкий рассеянный, так как он почти не концентрируется в земной коре.

Когда был установлен средний состав ЗК, возник вопрос о причине столь неравномерного распространения элементов. Его стали связывать с особенностями строения атомов. А. Е. Ферсман построил график зависимости атомных кларков для четных и нечетных (по порядковому номеру) элементов периодической системы (рисунок 7). Выявилось, что с усложнением строения атомного ядра, утяжелением его, кларки уменьшаются. Однако кривые оказались не монотонными, а ломаными. Ферсман прочертил гипотетическую среднюю линию, которая плавно понижалась по мере возрастания порядкового номера. Элементы, которые были расположены выше средней линии, ученый назвал избыточными (О, Si, Fe и др.), а те которые были расположены ниже - дефицитными (инертные газы и др.). Следовательно, в земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки периодической системы, ядра которых содержат небольшое число протонов и нейтронов. Действительно, после Fe (№26) нет ни одного распространенного элемента.

Логарифмы атомных кларков элементов земной коры (по А.Е. Ферсману)

МИГРАЦИя химических ЭЛЕМЕНТОВ

Основной геохимический закон попытался сформулировать Гольдшмидт В.М.: кларки зависят от строения атомного ядра; а распределение элементов, обязанное миграции - химических свойств элементов. Однако сейчас установлено, что нельзя проводить такое строгое разграничение. Геохимия элемента в земной коре определяется как его химическими свойствами, так и величиной кларка

Факторы миграции химических элементов. Миграция химических элементов зависит от целого ряда факторов. Факторы миграции А. Е. Ферсман разделил на внутренние и внешние. Внутренние факторы - это свойства химических элементов, определяемые строением атомов, их способность давать летучие или растворимые соединения, осаждаться из растворов и расплавов и т. д. К внешним факторам относятся параметры обстановки миграции - температура, давление, кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия и т. д.

К внутренним факторам миграции можно отнести формы нахождения химических элементов. Способность элемента к миграции во многом определяется формой его нахождения в земной коре.

В. И. Вернадский различал четыре основные формы существования элементов: 1) горные породы и минералы (в том числе природные воды и газы); 2) живое вещество, 3) магмы (силикатные расплавы), 4) рассеяние.

В горных породах и минералах выделены минеральный, безминеральный, концентрированный и рассеянный виды существования элементов.

Входя в состав минералов, элемент теряет свои индивидуальные свойства. В этом случае миграционная способность зависит не от химических свойств элемента, а от свойств минерала. Пока химический элемент находится в кристаллической решетке, геохимик имеет дело с минералом как целым и индивидуальные свойства элемента («внутренние факторы миграции») часто не проявляются. Так, К и Na образуют легкорастворимые соединения, но если К входит в состав ортоклаза, а Na альбита, то интенсивность миграции К и Na будет определяться скоростью разрушения кристаллической решетки полевых шпатов. При одинаковых внешних факторах интенсивность миграции Na в составе альбита — Na₂ А1₂ Si₁₆ О_6, эгирина - Na, Fe [Si₂О₆], галита - NaC1 различна.

Следовательно, при изучении геохимии систем необходимо учитывать не только свойства элементов, но и формы нахождения элементов в системе.

Для того, чтобы определить в каком состоянии находится элемент в изучаемой системе – рассеянном или концентрированном – используют понятие:

Кларки концентрации (КК).Отношение содержания элемента в данной системе к его кларку в земной коре. Это понятие ввел В. И. Вернадский в 1937г. Кларки концентраций можно легко расположить для сравнения на одном графике. В случае кларков такое сделать невозможно из-за большого разброса значений.

Если КК элемента меньше 1, то для повышения контрастности распределения рационально пользоваться обратной величиной - кларком рассеяния (КР).

Геохимические спектры.Для сравнения геохимии различных систем А.П. Соловов и А.В. Гаранин предложили использовать геохимические спектры. Что это такое видно из рисунка 8, на котором сравниваются атомные кларки кислых пород, каменных метеоритов и Солнца (рисунок 8), причем для каждой системы число атомов кремния условно принято равным 10⁶.

На спектре кислых пород элементы заранее расположены в порядке уменьшения кларков, поэтому эта кривая монотонно убывает. последовательность элементов для спектров каменных метеоритов и солнца не задана заранее и эти линии уже не монотонны. В каменных метеоритах по сравнению с гранитоидами больше Fe, Mg, S, Сг, Ni, Co но меньше щелочных металлов. Для Солнца отчетливо выявляется избыток Н, C, S и N при дефиците Li, Pb и щелочных металлов.

Рисунок 8 – Атомные кларки кислых пород (1), каменных метеоритов (2) и Солнца (3). Содержание Si во всех системах условно принято равным 10⁶

Ведущие элементы. Химические элементы, ионы и соединения, определяющие условия миграции в данной системе, именуются ведущими. Число их невелико. Например, геохимия гидротермальных систем во многом определяется S, SiO, F, Cl, СО₂, ионами Н⁺ и ОН^-. Геохимическое своеобразие океанов определяется О, растворенным в воде, Cl^-, Na⁺ и небольшим числом других элементов. В таежных болотах ведущими являются Fe²⁺, Н⁺, Мп²⁺ и т. д. Химические элементы с низкими кларками не могут быть ведущими из-за малых концентраций в системах - они вынуждены мигрировать в той обстановке, которую создают ведущие элементы. Редкие элементы в местах их концентрации (например, в месторождениях) становятся ведущими (Hg, U, Мо и т.д.). Но ведущее значение элемента зависит не только от его кларка и концентрации в данной системе. Важно, чтобы элемент мигрировал и накапливался в системе. Распространенные, но слабо мигрирующие элементы не являются ведущими. В то же время, если элемент энергично мигрирует, но не накапливается, он также не является ведущим. Так, Na и Cl энергично выщелачиваются из кислой коры выветривания и не являются там ведущими. Только в соляных озерах, где Na и Cl мигрируют и накапливаются, они становятся ведущими.

Т.о., геохимическая особенность системы определяется ведущими элементами, т.е. элементами с высокими кларками, наиболее активно мигрирующими и накапливающимися

Парагенные и запрещенные ассоциации элементов. Понятие о парагенезисе элементов ввел в 1909г. В. И. Вернадский.

Парагенная ассоциация элементов обусловлена единым генетическим процессом. Чисто пространственная ассоциация элементов и минералов, не связанных генетически, называется парастерезисом. Парагенезис главных элементов в минералах диктуются законами кристаллохимии (например, Fe и S в пирите, Fe, Mg, Si, О в оливине и т.д.). Парагенезисы элементов-примесей объясняются близостью ионных радиусов, сорбцией и другими причинами. Например, для оливина характерны примеси Ni, Со, а для полевых шпатов - Rb, Cs, Li, Tl, Ве, Са, Ва, Sr и др. Понятие парагенезиса элементов применимо к любым системам - горным породам, рудным месторождениям, геологическим формациям, складчатым поясам, платформам, земным оболочкам и, наконец, Земле в целом. Кроме парагенных различают запрещенные ассоциации элементов (отрицательный парагенезис), т. е. ассоциации, невозможные в данной системе. Примером отрицательного парагенезиса служат Ni и Ва в минералах, Cr и U в рудах, Си и Mn в осадочных формациях.

Разнообразие миграции, способность к минералообразованиюи число минералов. Разнообразие миграции элемента характеризуют число его минералов, генетических типов рудных месторождений и т. д. Разнообразие миграции зависит от кларка и химических свойств элемента. Для химически сходных элементов разнообразие миграции уменьшается с уменьшением кларка (у Cs оно меньше, чем у К, у Se меньше, чем у S, и т. д.).

От кларка во многом зависит способность элемента к минералообразованию: число минералов уменьшается с уменьшением кларков. Для элементов с кларками 1 - 10 % среднее число минералов на один элемент составляет 239, а для элементов с кларками 10^-5 - 10^-6 - только - 23.

Элементы с большой способностью к минералообразованию именуют минералофильными (Bi, Те, Se, U, S и др.), а с малой — минералофобными (Ga, Rb, Sc, In Tl, TR и др.).

Литература используемая в данном курсе лекций

1. Алексеенко В.А. Геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых. М.: Логос, 2000 – 354 с.

2. Справочник по геохимическим поискам полезных ископаемых / А.П. Соловов, А.Я Архипов и др. – М.: Недра, 1990. – 335 с.

3. Беус А.А. Геохимия литосферы (породообразующие элементы). М.: Недра, 1972. – 296 с.

1. Беус А.А., Григорян С.В. Геохимические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. М.: Недра, I975.
2. Вернадский В.И. Очерки геохимии. М.: Наука, 1983. – 422 с.
3. Войткевич Г.А., Мирошников А.З., Поваренных А.С. и др. Краткий справочник по геохимии. М.: Недра, I970. – 280 с.
4. Войткевич Г.В., Бессонов О.А. Химическая эволюция Земли. М.: Недра, 1986. – 212 с.

8. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высшая школа, I983. – 528 с.