Кларки - распространенность химических элементов. Кларк концентрации КК и энергия рудообразования. Содержание химических элементов в горных породах и минералах

Внедрение в геохимию новых высокочувствительных,, точных и производительных физических методов анализа: нейтронно-активационного, атомно-адсорбционного и др.— позволило уточнить кларки большинства химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева, дифференцировать их величины для отдельных типов горных пород, впервые установить кларки почв, Мирового океана, речных и подземных вод, живого вещества, отдельных минералов.

В СССР эту работу возглавил академик А. П. Виноградов. В 1956 г. им были опубликованы данные среднего содержания химических элементов в ультраосновныхг основных, средних и кислых изверженных породах, в осадочных породах (глинах и сланцах), а также в каменных метеоритах. Приняв условно, что твердая земная кора состоит на две трети из кислых пород и на одну треть из основных, А. П. Виноградов высчитал кларки земной коры. Для некоторых редких элементов — Se, Ru, Rh, Pd, AgT In, Te, Cs, Ce, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Er, Yb, Lu, Hf, Re, Os,. Ir, Pt, Au, Bi — были приведены лишь ориентировочные величины. Для Н, Не, N, Ar, Kr, Xe, Pm, Но, W, Rn кларки вообще не были известны. В США аналогичная сводка опубликована Д. Грином в 1959 г. В 1962 г. А. П. Виноградов уточнил ранее приведенные данные.

Американские ученые К. Таркяни К. Ведеяоль в 1961 г. еще более расширили информацию, приведя данные о* среднем содержании элементов в изверженных и осадочных породах, известковых и глинистых глубоководных осадках. Изверженные породы они расчленили на ультра- базиты, базальты, бедные и богатые кальцием гранитоиды,. сиениты. Осадочные породы дифференцированы на глины, песчаники и карбонатные породы. Для ряда элементов приведены новые величины, но, с другой стороны, кларки многих элементов охарактеризованы лишь буквами: А — основные элементы живого вещества, гидросферы и атмосферы (Н, С, О), Я —редкие газы (Не, Ne, Ar и др.), С — на Земле в естественных условиях не известны (Тс, Pm), Я —данные отсутствуют (Ru, Rh, Те, Re, Os, Ir и др.), Е — недолговечные радиоактивные атомы (Po, At, Ra, Fr и др.) и F — элементы, образующиеся в результате слабых процессов захвата нейтронов ураном (Np, Pu). Новые кларки земной коры рассчитал американский ученый •С. Р. Тейлор.

В последние десятилетия при подсчетах кларков стали учитывать объемы и массы отдельных типов пород, геологические и геофизические данные о строении различных частей земной коры, например материков и океанов. Такой более точный метод использован в 1956 г. американским геохимиком А. Полдервартом и позднее развит в нашей стране членом-корреспондентом АН СССР А. Б. Ро- новым и А. А. Ярошевским. Так возникло понятие о региональных кларках. А. Б. Ронов, например, установил кларки известняков, глин, песков Русской платформы и доказал, что они закономерно менялись в ходе геологической истории: в карбонатных породах постепенно уменьшалось содержание магния, в глинах — магния и калия ж т. д.

За время геологической истории менялись и соотношения между породами. По А. Б. Ронову, 3,5 млрд, лет назад на континентах преобладали эффузивные породы преимущественно основного состава, относительно обогащенные кальцием и железом. Но уже около 2 млрд, лет назад стали преобладать осадочные породы и гранитоиды.

А. А. Беус при подсчетах кларков учитывал распределение породообразующих элементов в различных типах торных пород для отдельных регионов, структурных единиц земной коры, оболочек литосферы в целом. Исследователь статистически обосновал свои подсчеты, использовал различные модели.

Так, были установлены кларки 12 элементов для осадочной оболочки континентов, «гранитной оболочки», «базальтовой оболочки континентов» (два варианта), всей континентальной литосферы без осадочной оболочки (два варианта) и, наконец, для всей литосферы без осадочной оболочки (два варианта). В 1975 г. для литосферы и слагающих ее основных типов пород А, А. Беус привел кларки почти всех элементов периодической системы. При подсчетах он использовал также новейшие данные Д. Грина. Позднее расчеты среднего содержания породообразующих и некоторых редких элементов в магматических породах океанов и континентов опубликовал Б. Г. Лутц. Новые пути оценки среднего состава земной коры наметил Л. С. Бородин.

Использование новых методов анализа позволило с большой точностью определить содержание химических элементов в горных породах и минералах. По сравнению с первой половиной XX в. количество данных возросло во много раз, изменились представления о кларках ряда элементов. Например, в 1933 г. А. Е. Ферсман приводил для кларков скандия и селена в литосфере величины 6-10~4 и 8-10~5%, а А. А. Беус в 1975 г.—соответственно 2,4 -10~3 и М0"5%. Наименее ясным остался вопрос о кларках земной коры в целом, так как неизвестно соотношение в ней различных типов пород. Актуальной задачей является также определение кларков ряда сверхредких элементов (Ru, Rh, Os, Pt, Po, Pa, Ac, Ra), для которых пока нет подсчетов даже по отдельным породам.

Большая работа проделана и по определению кларков гидросферы. Для Мирового океана подсчеты выполнены А. П. Виноградовым и американским геохимиком Е. Гольдбергом, для. различных типов подземных вод — С. Л. Швар- цевым. А. П. Виноградов привел ориентировочные кларки почв и живого вещества. Были также выполнены новые гипотетические расчеты кларков мантии, земного ядра и Земли в целом (главным образом на основе различных метеоритных моделей).

В 1937 г. В. И. Вернадский ввел понятие о кларке концентрации (КК) — отношении содержания химического элемента в данной системе к его среднему содержанию в земной коре. А. Е. Ферсман подчеркивал практическое значение этого показателя и предлагал определять КК для 1 отдельных регионов, свит и формаций, пород, руд. Этот вопрос ученый намеревался осветить в последнем (шестом) томе «Геохимии».

На основе анализа большого фактического материала- член-корреспондент АН СССР Л. Н. Овчинников установил прямую зависимость между кларком элемента в литосфере и глобальными запасами его руд, запасами в отдельных провинциях, содержанием металла в руде. Исследования на Алтае подтвердили эту зависимость не только для главных элементов руд, но и для элементов-спутников.

На основе использования кларков концентрации вычисляется и энергия рудообразования. Это понятие ввел Н. И. Сафронов. Основанием для расчета послужила идеализированная термодинамическая модель, согласно которой концентрация рудных элементов происходит по закону идеальных газов из рассеянного состояния в результате сжатия «атмосферы» газа. В качестве исходного состояния принимается гранитоидная магма, что позволило Н. И. Сафронову вывести следующую формулу:

Е = K.lnK,

где Е — энергия рудообразования данного элемента, рассчитанная на единицу объема, К — кларк концентрации: элемента в руде (относительно гранитоидов). Хотя предпосылки этих построений достаточно условны (термодинамика идеальных газов, гранитоиды как источник металлов и т. д.), полученные выводы хорошо согласуются с экспериментальными данными. Расчеты энергии рудообразования дали возможность установить математические закономерности, связывающие глобальные запасы руд металлов с их содержанием в рудах, и на этой основе оценивать перспективы рудоносности отдельных территорий. Данные построения применимы и к анализу ореолообра- зования.

Согласно расчетам Н. И. Сафронова, основное количество металлов рассеяно в горных породах в кларковых количествах и лишь ничтожная часть сосредоточена в рудных месторождениях (как в известных, так и в тех, которые еще будут обнаружены).

Сравнивая кларки концентрации разных элементов в одной и той же системе, можно делать выводы о миграции элементов в земной коре (А. И. Перельман).

Время скептического отношения к «числам Кларка», о котором не раз упоминал в своих трудах А. Е. Ферсман, давно прошло. Ныне они, как и предвидел ученый, действительно стали константами мира и широко используются не только в теоретической, но и в прикладной геохимии,, в науке о рудных месторождениях и других науках о Земле. «В законах кларков кроются еще огромные области познания мира, и еще огромная исследовательская работа должна вестись, чтобы уточнить эти величины и показать* каковы кларки в разных областях мироздания»,— писал А. Е. Ферсман1. Эти его мысли актуальны и в наши дни.

К содержанию книги: Биография и книги Ферсмана