Химические элементы

Изучением химического состава геосфер занимается наука геохимия, рассматривающая законы распределения и мигра­ции химических элементов и их изотопов в пределах Земли. В настоящее время в земной коре установлено 93 химических элемента (в космосе— 97), представленных более 360 изото­пами (олово—10 изотопов, ксенон — 9, сера—4, кислород, кремний, магний и др. — 3). 22 химических элемента, напри­мер, золото, фосфор, натрий, марганец, не имеют изотопов и называются простыми.

Химический состав земной коры изучался различными ис­следователями. Первым вычислил средние содержания 50 главнейших химических элементов (обобщив свыше 6000 ана­лизов) американский исследователь Ф. Кларк. В его честь средние содержания химических элементов в земной коре на­зываются кларками. Крупные обобщения по распространен­ности химических элементов в различных горных породах и в метеоритах были выполнены в последующие годы А. Е. Фер­сманом и особенно А. П. Виноградовым (табл. 3).

Химический состав земной коры
Элементы	По Ф.Кларку (1920)	По А.Е. Ферсману (1933)	По А.П. Виноградову (1950)
Кислород	50,02	49,13	46,8
Кремний	25,8		27,3
Алюминий	6,3	7,45	8,7
Железо	4,18	4,2	5,1
Кальций	3,22	3,25	3,6
Натрий	2,36	2,4	2,6
Калий	2,28	2,35	2,6
Магний	2,08	2,35	2,1
Прочие	2,76	2,87	1,2

Сложнее оценить химический состав всего земного шара в целом. Для решения этой задачи привлекаются данные о химическом составе метеоритов, выпадающих на Землю, так как из общих космогенетических соображений следует, что состав метеоритов не должен принципиально отличаться от состава планет и в том числе Земли. Метеориты подразделяются на каменные (90%), состоящие из силикатов; железные (6%), представленные сплавами железа из никеля, и железокаменные (2%) промежуточного состава. Из анализа состава метеоритов вытекает один весьма важный вывод — в метеоритах не обнаружено ни одного элемента, ни одного минерала, которого не было бы на Земле, что указывает на химическое родство всех небесных тел, в том числе и Земли. Еще один вывод: на первые четыре элемента — железо, кислород, кремний и магний — приходится 9/10 массы земного шара.

Для горнодобывающей промышленности не всегда важно кларковое содержание элемента. Большее значение имеет способность элемента образовывать значительные концентрации— месторождения. Так, металлы галий, цезий, бериллий не могут быть получены в больших количествах, хотя их кларки относительно высоки, а гораздо более редкие элементы — висмут, ртуть, золото, серебро добываются в больших количествах, так как они образуют промышленные концентрации.

При геохимических процессах имеет место разделение изотопов. Различия в содержаниях изотопов ничтожно малы, но существуют, и их можно установить количественно и, что особенно важно, различные отношения стабильных изотопов помогают решению ряда важных геологических задач. Так, например, кислород имеет 3 изотопа в количествах: О¹⁶ — 99,76%, О¹⁷ — 0,04%; О¹⁸ — 0,20%. В природе есть геохимические процессы, протекающие с накоплением тяжелого О18. Наибольшие его количества содержатся в кислороде углекислоты, поэтому наиболее обогащенными им являются карбонаты. Степень обогащения зависит от условий кристаллизации карбоната из воды: чем выше температура воды, тем меньше обогащение О¹⁸. Отношение О¹⁸: ^О16 в воде равно 1,000:500; для карбонатов (СаС0₃), образованных при 0° С, 1,026:500, а при 25° С — 1,022:500. Измерение количества О¹⁸ в морских карбонатных осадках (и в моллюсках) будет указывать на температуру их образования (температуру морского палеобассейна). Метод измерения палеотемператур был предложен Юри (США) в 1948 г. Впоследствии была построена температурная шкала, подтвержденная экспериментально на моллюсках, выращенных в аквариумах при различной температуре.

Накопление О¹⁸ позволяет судить о происхождении ряда горных пород. Уменьшение содержания О¹⁸ в породах с увеличением степени их метаморфизма и наименьшее содержание О¹⁸ в гранитах позволяют предполагать, что последние образовались при ультраметаморфизме осадочных горных пород.

Изучение изотопов кислорода позволило А. П. Виноградову и Р. В. Тейтсу предложить новую трактовку фотосинтеза — кислород при фотосинтезе образуется не из углекислоты, как считалось раньше, а из воды путем ее дегидрирования.

Исследования по изотопам серы и свинца важны для выяснения генезиса рудных месторождений. Академиком А. П. Виноградовым были изучены процессы разделения изотопов серы. Полагая, что отношение S³²/S³⁴ для метеоритов и магматической серы идентично, было показано отличие этого отношения для осадочных горных пород. Было установлено, что в сульфидах, в зависимости от источника серы, возможны существенные вариации отношения S³²/S³⁴. За стандарт принято отношение S³²/S³⁴, равное 22,22, и характеризующее серу троилита (FeS) из метеорита. Для магматических медно-никелевых месторождений по близости изотопного состава серы сульфидов к метеоритному (стандарту) был подтвержден мантийный источник серы. Таким образом, по установлению происхождения серы решаются вопросы генезиса месторождений сульфидов.

Изучение соотношения изотопов свинца позволяет решить вопрос гидротермального или осадочного генезиса руд.

Важнейшей задачей геохимии является определение абсолютного возраста минералов, а стало быть и горных пород. Существует ряд методов определения абсолютного возраста: уран-свинцово-ториевый, калий-аргоновый, рубидий-стронциевый, углеродный. Это стало возможным после открытия явления радиоактивности. Установлено, что на скорость радиоактивного распада не влияют ни температура, ни давление, ни электромагнитные поля, ни действие химических реагентов. Поэтому, определив количество радиоактивного изотопа и накопившегося в минерале (горной породе) продукта его распада, а также зная период полураспада радиоактивного изотопа, можно вычислить время существования минерала, т. е. вычислить его абсолютный возраст.

Для определения абсолютного возраста используют следующие типы ядерных превращений:

U²³⁸->Pb ²⁰⁶+8He,

U²³⁵ -> Pb²⁰⁷ + 7He,

Th²³² -> Pb²⁰⁸ + 6He,

К⁴⁰ + е -> Аг⁴⁰,

К⁴⁰ ->Са⁴⁰ + b,

Rb⁸⁷ ->-Sr⁸⁷+ b

Важно, чтобы продукты распада не покидали радиоактивного вещества и были учтены полностью.

Кристаллическая структура минералов является приблизительно закрытой системой и можно считать, что продукты распада не покидают ее.

Периоды полураспада изотопов урана, тория и калия очень велики, поэтому за короткий промежуток времени продукты радиоактивного распада этих элементов не могут накопиться в достаточном количестве (т. е. в количестве для их точного учета). Вот почему определение возраста для молодых геологических образований по радиоактивным изотопам урана и тория затруднительно и дает надежные значения, начиная с мезозоя.

Уран-ториево-свинцовый метод основан на определении в минералах весовых количеств урана и тория, а также продуктов их распада изотопов свинца. Определение изотопного состава свинца, как, впрочем, и других элементов, производится масс-спектрометрами. Природный свинец состоит из изотопов: Рb²⁰⁴; Рb²⁰⁶; Рb²⁰⁷; Рb²⁰⁸, из которых три последних радиогенного происхождения, а Рb²⁰⁴ — нерадиогенный и его количество в геологической истории земли постоянно.

Для минерала, содержащего уран и торий, можно вывести три уравнения, устанавливающих зависимость между количеством накопившегося в минерале свинца, количеством нераспавшегося урана или тория и его возрастом:

1. Pb²⁰⁶=U(e^{^} u^238t-1)

2. Pb²⁰⁷= (U/137,7)* (e^{^} u^235t-1)

3. Pb²⁰⁵=Th (e^{^} u^232t-1)

Где Pb²⁰⁶,Pb²⁰⁷,Pb²⁰⁸ – количество изотопов свинца в минерале;U, Th- количество изотопов урана и тория в минерале; ^u –постоянные распада изотопов урана и тория. Разделив уравнение 2 на уравнение 1 получаем:

4. (Pb²⁰⁷/Pb²⁰⁶) = 137,7* ((e^{^} u^235t-1)/ (e^{^} u^238t-1))

Преимущество уравнения (4) в том, что вычисление возраста минерала может быть сделано только по отношению изотопов свинца (РЬ²⁰⁷/РЬ²⁰⁶), без определения содержания в нем свинца и урана.

Определив в уран-ториевом минерале содержание урана, тория, свинца и изотопный состав свинца, можно по четырем уравнениям, из которых три совершенно независимы, вычислить значения возраста минералов в миллионах лет. В случае совпадения всех четырех значений правильность полученнои цифры возраста не вызывает сомнений. Возможность трехкратного контроля определения возраста — важная положительная черта данного метода. В настоящее время уран-ториево-свинцовый метод является одним из наиболее точных.

Но применение метода связано с некоторыми трудностями. Найти материалы, пригодные для него, достаточно сложно — акцессорные минералы добываются из больших проб с трудом в течение многих недель. Для измерения возраста осадочных и основных изверженных пород метод практически непригоден. Вот почему в качестве более простого и легко применимого метода был предложен аргоновый метод.

Калий-аргоновый метод создан в 1942 г. В. Г. Хлопиным и Э. К. Герлингом, обратившими внимание на то, что в калиевых минералах накапливается аргон прямо пропорционально их возрасту. Установление связи этой особенности с радиоактивностью одного из изотопов калия послужило использованию ядерной реакции для геохронологического датирования.

Природный калий состоит из изотопов: К³⁹ — 93,08%; К⁴⁰ — 0,0119% и К⁴¹ — 6,91%- Из них только К⁴⁰ отличается радиоактивностью двух направлений. Благодаря эффекту К-захвата небольшая часть К⁴⁰ (около 12%) превращается в Аг40. Большая часть К⁴⁰ (около 88%) в результате (3-излучения превращается в Са⁴⁰. Для определения возраста калиевых минералов практически используется только первое направление радиоактивности, поскольку присутствующий в минерале аргон по своему происхождению обычно исключительно радиогенный, установить же долю радиогенного кальция не позволяет широкое распространение первичного Са⁴⁰ в горных породах, в том числе в калиевых минералах.

Охарактеризованные выше, а также рубидиево-стронциевый методы мало удобны для установления возраста новейших геологических образований.

Радиоуглеродный метод в настоящее время широко применяется для датировки культурных слоев, археологических раскопок, наиболее молодых геологических образований. Сущность метода в следующем: в верхних слоях атмосферы под действием корпускулярного излучения на N¹⁴ образуется С¹⁴— радиоактивный изотоп (С¹² и С¹³ — стабильные изотопы) с

периодом полураспада 5730 лет. Через этот промежуток времени количество С¹⁴ распадается наполовину, снова образуя N¹⁴. Радиоактивный С¹⁴ примешивается в атмосфере к обычному углероду и попадает таким образом во все объекты природы: в организмы животных, в растения, в горные породы. Пока организмы живы, содержание С¹⁴ в них постоянно благодаря постоянному обмену с окружающей средой. После смерти организмов обмен со средой прекращается и содержание С¹⁴ начинает уменьшаться согласно константе распада. В геологии этот метод применяется для установления возраста речных террас, морен, торфообразования.

Временные рубежи, в пределах которых методы позволяют получить наиболее достоверные возрастные данные, следующие:

уран-ториево-свинцовый метод применяется для геологических образований и явлений, которые протекали более 30 млн. лет назад; рубидиево-стронциевый метод — более 5 млн. лет; калий-аргоновый — более 100 тыс. лет; углеродный метод — в интервале от 1000 до 30000 лет.

По данным абсолютной геохронологии на сегодняшний день возраст наиболее древних пород земного шара достигает 3,8 млрд. лет (серые гнейсы Южноафриканского щита), возраст многих метеоритов — 4,55 млрд. лет; лунных пород — 4,7 млрд. лет. Исходя из этих данных возраст Земли может, вероятно, оцениваться в 5 млрд. лет.

Контрольные вопросы

1. Какие вопросы изучает геохимия?

2. Что такое изотопы? Их роль в геохимии.

3. Что такое простые элементы?

4. Какие химические элементы наиболее распространены в земной коре? Что такое кларк?

5. На какие группы подразделяются метеориты?

6. Охарактеризуйте закономерности распространенности химических элементов в земной коре.

7. Назовите геохимические процессы разделения изотопов. Какие геологические задачи они позволяют решать?

8. Перечислите методы определения абсолютного возраста минералов. На чем они основаны?

9. Какие типы ядерных превращений (реакций) используются для определения абсолютного возраста?

10. Охарактеризуйте один из приведенных методов определения абсолютного возраста.

11. Каков возраст наиболее древних пород земной коры и Земли в целом?