Химический состав земной коры

А.Е. Ферсман

Смотрите также:

Ферсман. Рассказы о самоцветах

ФЕРСМАН. ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ МИНЕРАЛОГИЯ

Ферсман. Путешествия за камнем

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Ферсман. Геохимия - химия земли

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

Законы распространения элементов в земной коре

§ 10. В этой главе мы попытаемся дать обзор ряду вопросов, связанных с распространением элементов в земной коре, причем последовательно коснемся нижеследующих вопросов:

A.        — Совместное нахождение отдельных элементов.

Б. — Совместное нахождение трупп элементов (ассоциаций) и связь с определенными петрографическими типами.

B.        — Связь элементов с отдельными зонами земной оболочки

с отдельными геологическими факторами с отдельными моментами геологической истории.

Хотя и в этой главе, как и в предыдущей, мы будет останавливать наше внимание только на фактической стороне вопроса, тем не менее в этой главе мы не можем не коснуться причин тех законностей, которые обусловливают те или иные явления. Вопросу о тех явлениях и тех силах, которые вызывают перемещение элементов и этим нарушают современное status quo, будет посвящена специальная глава.

Совместное нахождение отдельных элементов.

Несомненно, что в основу наших представлений о совместном нахождении элементов в природе необходимо поставить точный эмпирический материал над распространением каждого элемента в отдельности и по выяснению тех спутников, с которыми этот элемент обычно встречается в земной коре.

В этом направлении был уже давно накоплен обильный материал наблюдений, и, начиная с опытных данных Фрейбург- ских рудокопов и Агриколы и кончая современными успехами горного дела, наметился целый ряд комбинаций элементов, вместе встречающихся в геохимических процессах. Эти законности совместного нахождения некоторых элементов уже вошли в обиход как самой науки, так и проспекторской геологической деятельности, и такие сочетания, как Те и Аи ИЛИ РЬ И Zn, Ag, являются настолько обычными, что их считают совершенно закономерным процессом, забывая, что этому сочетанию мы до сих пор не можем дать рационального объяснения.

Причины, вызывающие совместное нахождение отдельных элементов, весьма многочисленны и далеко не исчерпываются только химическою близостью самих элементарных тел.

В общем основными причинами, обусловливающими закономерные сочетания элементов, надо признать:

1)        Близость химических свойств элементов, обусловливающую образование одинаковых продуктов при геохимических реакциях земной коры. Такова, напр., близость свойств редких земель не только в лаборатории, но и в природе, редко отделяющей эти элементы друг от друга. Таковы Nb и Та, иногда Zr и Ti, Be и Al, Ni и Со, Zn и Cd, Си и Ag, Fe и Мп и т. д.

2)        Второю важнейшею причиною, тесно связанною с первою, является способность данной группы элементов к изоморфному замещению: совместное нахождение в природе элементов одного и того же ряда Ретгерса было во всей широте впервые подчеркнуто В. Вернадским; при близости Ретгерсовских рядов к большинству вертикальных групп Менделеевской таблицы мы наталкиваемся в природе на весьма частое совместное нахождение элементов одной и той же группы, напр., К, Rb и Cs или Zn, Cd или As, Sb и Bi, или Zr и На и т. д.

3)        Следующею причиною, согласно Vogt'y> приходится считать резкое различие в химических свойствах, обусловливающее образование прочных химических соединений, образующихся с большим выделением тепла. Такова, напр,, связь S и Ва BaS04, К и О в К20 и т. д. К этой же группе сочетаний Vogt относит Ti и Fe, V и Fe, V и Ti, Sn и W, Zn и Си, Си и Мп, Ва и Мп, Аи и Те и т. д.

4)        Далее причиною совместного нахождения элементов является генетическая связь некоторых из них, объединенных общностью происхождения при радиоактивном распаде. Таково совместное нахождение Не, Em, Ra, U и радиосвинца, выраженное в определенной количественной зависимости этих элементов друг от друга, согласно уравнению радиоактивного равновесия. Хотя распадом группы урана и тория захватывается весьма большое количество элементарных видов, тем не менее при распаде преобладает образование четных элементов, что объясняется с одной стороны выделением а-частицы, т. е. понижением на 2 порядковых числа, с другой тем, что обратно при выделении (3- лучей два таких излучения нередко действуют одно после другого, благодаря чему снова разница равняется 2.

5)        Равным образом в зоне биосферы совместное нахождение ряда элементов объясняется их ролью в органическом веществе и их накоплением в связи с жизнедеятельностью растительных или животных организмов. Такова обычная связь С, Fe, S, Р в торфяниках, Са с С и О в раковинах моллюсков, Р, Са и F в костях и т. д.

6)        Наконец, кроме всех этих случаев, мы имеем еще длинный ряд эмпирически найденных законностей, которые не укладываются в вышеприведенные рамки и до сих пор остаются не объясненными. Таково, напр., обычное сочетание Ag, Zn, Pb или же Ва и Mn, Th и U. К этой же группе явлений относится очень постоянное и закономерное сочетание в газовых струях Аг, Кг, Хе и Ne, что Moureu и Lepape относили к поглощению их породами из первичной атмосферы (24).

§ 11. Из вышеприведенных данных мы видим, что причины, обусловливающие распределение отдельных элементов в разных зонах земной коры, весьма разнообразны и не укладываются в рамки каких-либо очевидных и простых химических законностей.

Резюмируя мы должны признать, что две больших группы причин обусловливают совместное нахождение- элементов:

1)        Их взаимные генетические отношения, которые мы лишь условно и не ясно наблюдаем в отдельных группах и которые более ярко выражаются в элементах радиоактивных.

2)        Химические соотношения свойств, которые совместно со всем комплексом физических признаков и геохимических особенностей обусловливают перегруппировку элементов из того первичного состояния, в котором они находились под влиянием первого положения и в котором они ныне находятся. Прекрасным примером соотношений между этими двумя факторами могут служить благородные газы, которые, благодаря своей химической инертности, не могли подчиниться второй группе причин и остались благодаря этому всюду в близких количественных соотношениях (26).

Совместное нахождение групп элементов.

§ 12. Гораздо интереснее складывается вопрос о распределении в земной коре целых групп химических элементов так, как он вырисовывается в современной геохимии.

Суммируя сведения относительно распространения отдельных элементов, мы приходим к установлению нескольких больших групп, которые я буду называть типическими геохимическими ассоциациями.

Эти ассоциации были намечены еще в классическом мемуаре Эли-де-Бомона (1847 г.), но затем были осложнены огромным накопившимся наблюдательным материалом и только в самые последние годы вновь были совершено самостоятельно выявлены трудами Vogt'a и De-Launay.

Эти ассоциации, на основании всего имеющегося у нас материала, отвечают четырем главным типам геохимических процессов: а именно процессам биохимического характера, процессам магматического —кислого и основного характера и, наконец, процессам жильных эманаций (с серою). С геологической точки зрения эти ассоциации, как это будет разобрано ниже, в схеме отвечают: первая — зоне биосферы, вторая — магматической зоне Sal, третья — такой же зоне Sima, причем часть ее элементов уже совершенно определенно говорит о зоне Nife. Все эти зоны пересекаются жилами с четвертою ассоциациею (27) (см. табл. XIII на след. стр.).

Несомненно, по отношению к целому ряду элементов возможны некоторые сомнения. Так, положение Ва и Sr совместно с другими элементами магмы выражено не очень определенно, но как будто в кислых породах Ва больше, чем Sr; не вполне -ясно и положение Мп, все же встречающегося в основных породах в несколько больших количествах, чем в кислых.

ТАБЛИЦА ХШ. Типические ассоциации элементов (25).

I. Поверхности: Н, С, N, О, благородные газы (Ne—Хе). 5 элем.

/ Н, Не, Li, Be, В, О. F, Na, И. Кислых (салических) магм: | AI' <р)' si- <с1>' К' (т'>>

Элементы породообразующие [ (Mn), Rb, V, Zr, Nb, Mo, (НО преимущ ). Snj Cs_ TR< Ha Та

I (Au), Ra, Nt. Th, U . . 25 элем. >)

фемических) магм.: б) Ультраосновных:

[ С, О, Na, Mg, Al, Si, P, III. а) Основных (средних- j. c| & M[| Br,_ j.

( Ba, Sr           15 элемен.

\ Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Ru- \ Pd, Os-Pt         8 элемен.

{ S, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, IV. Жильные:  I Ge, As, Se, Mo, Ag, Cd,

Металлические (по преимуш.). 1 In, Sn, Sb, Те, Au, Hg,

| TI, Pb, Bi                  .22 элемен.

Такою неопределенностью объясняется принадлежность ряда элементов к нескольким группам, причем очень разительною является двойственная природа Sn, идущая с двумя резко отличными геохимическими процессами, и отчасти Ti, разбивающегося между ультраосновными породами тихоокеанского типа и средними щелочными сиенитами атлантического.

Наконец, можно еще отметить постоянную и закономерную связь Zr с только что указанными щелочными сиенитами или же довольно обычную связь соединений Си, As, Bi, Au с магмами определенно кислого типа.

Как ни многочисленны могут быть замечания по поводу частностей приведенной таблицы, но несомненно, что в первом приближении она намечает собою основные черты распределения элементов в земной коре (28).

Установив приведенные выше четыре большие группы ассоциаций, мы уже выходим за пределы чисто химических или физико- химических законностей; перед нами уже определенное геохимическое явление, основы которого лежат в законах распределения элементов не только в одной земной коре, но и во всем мироздании.

§ 13. Второй вопрос, который сейчас напрашивается и непосредственно вытекает из предыдущего, это связь химических элементов с определенными горными породами и определенными типами пород. Уже таблица III на стр. 16 показывает нам в первом приближении состав кристаллических пород и разных типов осадочных. Мы зашли бы слишком далеко, если бы попытались далее расшифровать эти цифры и подробнее осветить этот вопрос, составляющий основу современной геохимии. Разнородные химические процессы в разных областях земной коры перегруппировывают соединения, то рассеивая химические элементы в одних местах, то концентрируя их в других (29).

Гораздо важнее для нас связь определенных элементов с разными типами магматических пород. С одной стороны здесь намечается совершенно определенная связь с кислотностью пород, как это отмечено в § 12; здесь в общей схеме приуроченность определенных элементов к разным группам пород несомненна и имеет глубоко закономерный характер. Гораздо интереснее и сложнее вопрос о связи химических элементов с теми двумя большими группами магм, которые Веске и Prior выделили в две большие области: пород тихоокеанской (Pacific) и атлантической магм (Atlantic) (30).

Еще Веске указывал на то, что в атлантических породах преобладают определенные элементы, но при этом он ограничивался только элементами породообразующих минералов. Между тем мы хорошо знаем, что отличие этих магм идет глубже, и что к атлантической особенно приурочено увеличение некоторых элементов, а именно: Р, CI, Zr, Ti, TR, Th. Накоплением этих элементов обусловливается своеобразие минеральных ассоциаций в большинстве крупных атлантических массивов (Гренландия, Ю. Норвегия, Кольский полуостров и т. д.)

Связь редких и тяжелых элементов с различными петрографическими типами до сих пор еще недостаточно освещена, хотя обещает ряд интереснейших законностей (31).

§ 14. Наконец, третий вопрос вводит нас вообще в соотношение между химическими элементами и различными геологическими процессами.

Распределение химических элементов в отдельных областях является результатом химических и физических процессов, идущих в земной коре на разных ее глубинах и, потому, зависит непосредственно от тех геологических явлений, которые наблюдались в данной области в течение всей ее геологической истории.

В виду этого в земной коре могут быть намечены отдельные самостоятельные районы, обнимающие области распространения каких - либо крупных геологических факторов и объединяющие собою совокупность физико - химических процессов, как результат первых.

Такими областями можно намечать, напр., Альпийскую складчатость, Феноскандинавский щит, Уральский хребет и т. д. Каждая из этих областей земной поверхности характеризуется комплексом химических элементов, играющих в ней роль и обладающих большею или меньшею в ней распространенностью. Совокупность химических элементов, встречающихся в таких геологических обособленных областях земной коры, я называю естественною геохимическою ассоциациею; сравнение - же таких естественных ассоциаций с типическими и установление сходства или различия между ними и составляет одну из наших задач геохимического исследования земной коры (32).

Изучая таким образом геохимические ассоциации элементов, свойственные определенным районам России, я убедился, что такая ассоциация в значительной степени охарактеризовывает каждый данный район, являясь конечным выражением—результатом геохимических и физических процессов, которые шли и идут в данной области.

Эти области как-бы расширяют старые, понятия Spurr'a о металлогенетических провинциях и вместе с тем связывают их с металлогенетическими эпохами Линдгрена (33).

§ 15. Подведем итоги сказанному о распределении групп элементов в земной коре:

1. В земной коре мы наблюдаем закономерное сочетание между собою не только отдельных элементов, но и целых групп.

2.         Основные группировки определяются четырьмя главными группами: поверхностных, кислых, основных и металлических элементов, в основе чего лежит разнообразие термодинамических условий земной коры.

3.         Определенные сочетания элементов образуют геохимические ассоциации: мелкие различия в них обусловливают отклонения местных естественных ассоциаций каких - либо районов от типических.

4.         Объединяя в себе совокупность всех элементов данного участка земной коры, геохимические ассоциации включают и петрографические провинции (comagmatic regions) Вашингтона и металлогенетические провинции Spurr'a.

5.         Образование определенной геохимической ассоциации является в результате миграции элемента или законов его первичного накопления, и, потому, каждая ассоциация должна быть рассматриваема, как сложный результат явлений космических, геофизических и геологических.

6.         Миграция элементов определяет собою изменение состава ассоциаций во времени, чем определяется существование определенных элементогенетических эпох.

7.         Изменение геохимических ассоциаций с глубиной является одним из важнейших процессов нашей планеты, позволяющим глубже войти в природу распределения элементов на земле.

К содержанию книги: ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМЛИ И КОСМОСА