Геохимическая классификация элементов земной коры

Распространенность химических элементов в оболочках земли

Изучение скоростей распростране­ния сейсмических волн позволило по­строить «сейсмическую модель Зем­ли», выделить земную кору, мантию и ядро (рисунок 2).

Представления о геохимии мантии и ядра Земли осно­ваны на косвенных, главным образом геофизических, данных. Уста­новлено, что средняя плотность Земли составляет 5,52 г/см³, а пород земной коры – 2,8 г/см³. Отсюда следует вы­вод о высокой плотности земных глубин, что может быть связано с изме­нением элементарного состава, напри­мер, с увеличением количества тяже­лых металлов (Fe, Ni) с глубиной или же с фазовыми превращениями легких минералов. О возможности второго пути свидетельствует открытие тяжелых полиморфных разновидно­стей SiО₂ – стишовита с плотностью 4,35 г/см³и коэсита – 2,93 г/см³ (у кварца - 2,65 г/см³).

Земная кора

На материках на глубине более 35-70 км скорость распространения сейсмических волн скачкообразно возрастает с 6,5-7 до 8 км/с. Причины роста скорости волн полностью не выяснены, возможно, из-за изменения как эле­ментарного, так и минерального соста­ва вещества. Глубина, на которой про­исходит скачкообразное изменение скорости сейсмических волн, получила название границы Мохоровичича (по имени открывшего ее сербского уче­ного). Иногда сокращенно ее именуют «границей Мохо». Принято счи­тать, что граница Мохо является ниж­ней границей земной коры (и верхней границей мантии) [9,10].

Объем земной коры составляет приблизительно 10,2х10¹⁸ м³, масса -28х10²¹ кг. Земная кора имеет слоистое строение, выделяются три слоя - осадочный, гранитный (по преобладающей распространенности магматических пород кислого состава) и базальтовый (состоящий преимущественно из габбро) (таблица 1), и распределение ее слоев неодинаково, например, в океанической земной коре отмечаются только базальтовый слой и сильно редуцированный осадочный чехол (рисунок 3). Мощность земной коры так же различна: под океанами около 5-10 км; на материках под равнинами - 35-45 км, а в горных областях - около 70 км.

Таблица 1 - Подслои земной коры (ГА. Богдановский, 1994)[11]

Доля различных горных пород в земной коре неодинакова – более 70% приходится на базальты, граниты и другие магматические породы, около 17% – на преобразованные давлением и высокой температурой метаморфические породы и лишь чуть больше 12% – на осадочные (таблица 2).

Рисунок 3. Схема строения литосферы (В.И. Коробкин и др., 2000) [12]

Таблица 2 - Соотношение горных пород земной коры [12]

Магматические горные породы – это естественные минеральные агрегаты, возникающие при кристаллизации магм (силикатных, а иногда и несиликатных расплавов) в недрах Земли или на ее поверхности.

Классификация магматических пород отражает существование двух главных групп, различающихся по условиям образования и залегания: плутонических(глубинных) и вулканических, сформировавшихся на поверхности Земли или вблизи нее. По содержанию кремнезема магматические породы делятся на кислые(SiO₂ – 70-90%), средние(SiO₂ около 60%), основные(SiO₂ около 50%) и ультраосновные(SiO₂ менее 40%) (таблица 3).

Осадочные горные породы – это те породы, которые существуют в термодинамических условиях, характерных для поверхностной части земной коры, и образуются в результате переотложения продуктов выветривания и разрушения различных горных пород, химического и механического выпадения осадка из воды, жизнедеятельности организмов или всех трех процессов одновременно. Незначительная часть осадочных пород формируется в результате жизнедеятельности растений, создающих за счет фотосинтеза новое органическое вещество – горячую породу [9,10].

Таблица 3 - Средний химический состав глубинных (интрузивных)

магматических пород литосферы, масс. % [13]

*Пересчет на свежую породу с 0,5 H₂O

Многие осадочные породы являются важнейшими полезными ископаемыми. Примерами осадочных пород служат песчаники, которые можно рассматривать как скопления кварца и, следовательно, концентраторы кремнезема (SiO₂), и известняки – концентраторы СаО (таблица 4). С геохимической точки зрения, горные породы – это естественные закономерные ассоциаты минералов, состоящих преимущественно из петрогенных элементов. К минералам наиболее распространенных осадочных пород относятся кварц (SiO₂), ортоклаз (KAlSi₃O₈), каолинит (Al₄Si₄O₁₀(OH)₈), кальцит (СаСО₃), доломит (CaMg(CO₃)₂) и др.

Метаморфическиминазывают породы, основные особенности которых (минеральный состав, структура, текстура) обусловлены процессами метаморфизма, тогда как признаки первичного осадочного магматического происхождения частично или полностью утрачены. Метаморфические породы – сланцы, гранулиты, эклогиты и др., типичные для них минералы – слюда, полевой шпат и гранит соответственно (таблица 5).

Таблица 4 - Средний химический состав осадочных пород литосферы, масс. % [13]

Элемент	Глинистые сланцы	Глины	Пески и песчаники	Известняки
	V**		V		V		V
O	49,0	-	49,5	-	51,5	-	49,2	-
Si	27,50	0,08	25,45	0,06	34,70	0,09	3,40	0,70
Al	8,65	0,28	9,49	0,10	2,86	0,34	0,96	0,70
Fe3+	2,42	0,39	3,22	0,23	1,64	0,25	0,28	0,45
Fe2+	2,38	1,60	1,17	0,58
Mg	1,50	0,26	1,50	0,39	0,73	0,55	0,95	0,39
Mn	0,08	0,50	0,05	0,40	0,04	0,45	0,04	0,64
Ca	2,00	0,48	2,22	0,56	2,68	0,87	32,50	0,12
Na	0,98	0,52	0,84	0,44	0,92	0,59	0,25	0,72
K	2,70	0,23	2,33	0,22	1,32	0,32	0,28	0,70
Ti	0,38	0,32	0,47	0,28	0,30	0,45	0,12	0,42
Hg	0,39	Не опр.	0,51	Не опр.	0,25	Не опр.	0,09	Не опр.
P	0,07	»	0,07	»	0,04	»	0,05	»
Cорг, S, Cl	1,00	»	1,50	»	0,60	»	-	-
C (за счет CO2)	0,71	»	1,02	»	0,85	»	11,00	Не опр.
Прочие	0,24	-	0,23	-	0,40	-	0,30	-

* - среднее арифметическое.

**V – коэффициент вариации.

Породы, испытывающие метаморфизм, преобразуются, стремясь к химическому или физическому равновесию с новыми для них температурными и бароическими условиями [9]. Происходящие при этом химические реакции управляются законами термодинамики, например, реакции с отрицательными значениями изобарно-изотермического потенциала (DG) из-за его большой энтропии сопровождаются выделением водяного пара. Закономерное строение метаморфических комплексов и соответствие их состава принципам термодинамики подтверждают, что для метаморфических пород достигается (хотя и не всегда) почти полное химическое равновесие. Для большинства из них типична крупнозернистая структура (исключение составляют сланцы, роговики и др.).

Таблица 5 – Средний химический состав метаморфических пород,

масс. % [13]

Предполагается, что вещество земной коры сложено в основном легкими элементами (по Fe включительно), а элементы, следующие в Периодической системе за железом, в сумме составляют лишь доли процента. Большую часть, ”86% общей массы земной коры, составляют элементы, имеющие четное значение атомной массы, а в метеоритах это отклонение еще выше и составляет в металлических метеоритах 92%, в каменных – 98% [8].

Средний химический состав земной коры, по данным разных авторов, приведен в таблице 6.

Таблица 6 - Химический состав земной коры, мас. % [9]

Данные таблицы 6 позволяют сделать следующие важные выводы:

1) земная кора сложена в основном из восьми элементов: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K;

2) на долю остальных элементов приходится менее одного процента массы коры;

3) среди главнейших по распространенности элементов особая роль в земной коре принадлежит кислороду.

В.М. Гольдшмидт из-за особой роли кислорода (его атомы составляют 47% массы коры и почти 90% объема важнейших породообразующих минералов) назвал земную кору «оксисферой».

Геохимическая классификация элементов земной коры

Согласно распространенной геохимической классификации все элементы земной коры можно разделить на пять групп:литофильные, халькофильные, сидерофильные, атмофильные и биофильные (таблица 7).

Литофильные– элементы горных пород. На внешней оболочке их ионов находится 2 или 8 электронов. Литофильные элементы трудно восстанавливаются до элементарного состояния. Обычно они связаны с кислородом и составляют основную массу силикатов и алюмосиликатов. Встречаются также в виде сульфатов, фосфатов, боратов, карбонатов и галогенидов.

Таблица 7- Варианты геохимической классификации элементов [11]

Халькофильныеэлементы – элементы сульфидных руд. На внешней оболочке их ионов располагается 8 (S, Se, Te) или 18 (у остальных) электронов. В природе встречаются в виде сульфидов, селенидов, теллуридов, а также в самородном состоянии (Сu, Hg, Ag, Pb, Zn, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Sn).

Сидерофильныеэлементы – элементы с достраивающимися электронными d- и f- оболочками. Они обнаруживают специфическое сродство к мышьяку и сере (PtAs₂, FeAs₂, NiAs₂, FeS, NiS, MoS₂ и др.), а также к фосфору, углероду, азоту. Почти все сидерофильные элементы встречаются также и в самородном состоянии.

Атмофильныеэлементы – элементы атмосферы. Большинство из них имеет атомы с заполненными электронными оболочками (инертные газы). К атмофильным относят также азот и водород. Вследствие высоких потенциалов ионизации атмофильные элементы с трудом вступают в соединения с другими элементами и потому в природе находятся (кроме Н) главным образом в элементарном (самородном) состоянии.

Биофильныеэлементы – элементы, входящие в состав органических компонентов биосферы.