Хім склад земної кори

Розділ 3. РЕЧОВИННИЙ СКЛАД І БУДОВА ЗЕМНОЇ КОРИ

Земна кора, як доступніша для вивчення з усіх геосфер Землі, є безпосереднім об’єктом геологічних досліджень. В ній сконцентровані всі види мінеральної сировини необхідної для існування людства, в зв’язку з чим саме ця складова нашої планети вивчена найбільш повно і детально. Окрім того, саме земна кора є основним середовищем техногенного навантаження і з метою запобігання екологічної катастрофи необхідно всебічно вивчити її склад, будову та закони розвитку.

Речовинний склад земної кори

Земна кора складена різними за походженням групами гірських порід (магматичними, метаморфічними, осадовими), які, в свою чергу, складені мінералами, а останні хімічними елементами. Таким чином, виходячи з концепції ієрархічної організації природної речовини, про склад земної кори можна судити через послідовне вивчення хімічних елементів, мінералів і гірських порід.

Хімічний склад земної кори

Земна кора в хімічному відношенні з усіх внутрішніх геосфер Землі вивчена найбільш детально. Але і в її межах достовірні дані про хімічний склад гірських порід отримані лише для самої верхньої, доступної для спостережень частини материків, тобто до глибини 10-15 км.

Перші відомості про хімічний склад земної кори належать американському вченому Ф. Кларку, який базуючись на результатах 6000 хімічних аналізів різних гірських порід у 1889 році вирахував і опублікував середні вмісти 50 основних хімічних елементів земної кори. Пізніше ці результати уточнювалися багатьма вченими, зокрема, В.І. Вернадським, О.П. Виноградовим, Г.В. Войткевичем, О.Б. Роновим, Р. Тейлером, О.О.Ярошевським та іншими, які не тільки суттєво доповнили знання про хімічний склад земної кори, але й за пропозицією О.Є. Ферсмана ввели поняття кларків.

Кларк – це середній вміст хімічного елемента у земній корі. Розрізняють масові (вагові), атомні та об’ємні кларки. Масові кларки – це середні масові вмісти елементів, виражені у відсотках або грамах на тону. Атомні кларки відображають процентну кількість числа атомів, а об’ємні показують, який об’єм породи у відсотках займає даний елемент.

Найпоширенішими хімічними елементами в земній корі, кларки яких перевищують одиницю або близькі до неї, є кисень, кремній, алюміній, залізо, кальцій, натрій, магній, калій та водень. Вони складають більше 98% земної кори, при цьому близько 80% припадає на долю кисню, кремнію та алюмінію (табл. 3.1).

Зазначені вище елементи (окрім водню), а також вуглець, фосфор, хлор та фтор є головними складовими гірських порід, у зв’язку з чим їх називають породоутворюючими, або петрогенними. Елементи, які характеризуються незначними кларками, утворюють групу рідкісних або розсіянихелементів. Окрім цього виділяють ще металогенні елементи, що складають, головним чином, руди металевих корисних копалин. До них відносяться мідь, свинець, цинк, молібден, ртуть та інші. Проте, існують також елементи, які в природі відіграють подвійну роль: з однієї сторони вони можуть виступати як петрогенні, і входять до основного складу гірських порід, а з другої – утворюють типові сполуки металів як рудогенні. Прикладом їх можуть слугувати залізо, марганець, алюміній та інші.

Таблиця 3.1.

Середній хімічний склад земної кори (хімічні елементи, %)

Нерівномірність поширення хімічних елементів у земній корі є однією з особливостей її хімізму. Це також знайшло відображення в періодичній системі Д.І. Мендєлєєва. Так, кларки перших 30 елементів системи (від водню до цинку), здебільшого, складають цілі і десяті частки відсотків, кларки ж інших елементів лише в поодиноких випадках досягають тисячних часток відсотка.

Наочніше характер поширення хімічних елементів у земній корі виражається напівлогарифмічною кривою О.Є. Ферсмана (рис. 3.1), де на осі абсцис показані порядкові номери елементів періодичної системи, а на осі ординат – логарифми кларків. Як видно з діаграми, значення кларків більшості елементів займають положення поблизу трендової лінії. Ці елементи відносяться до елементів з нормальноюпоширеністю. Вище середньої кривої знаходяться надлишкові елементи, до яких відносяться практично всі петрогенні, а нижче цієї кривої розташовані елементи, які дістали назву дефіцитних. Це – благородні гази, берилій, гелій, селен, платиноїди, літій та інші.

Рис. 3.1. Логарифми кларків хімічних елементів земної кори (за О.Є. Ферсманом)

Абсолютна більшість хімічних елементів являють собою групу атомів з різним масовим числом, але з однаковим зарядом, тобто – це асоціації ізотопів. В земній корі існує більше 360 ізотопів. Окремі хімічні елементи складаються з декількох ізотопів. Наприклад, олово має десять ізотопів, ксенон – дев’ять, кадмій і телур по вісім. Такі елементи називаються складними. Існують також і прості хімічні елементи, які не мають ізотопів. До них належать залізо, натрій, фосфор, ванадій, марганець, золото та інші, всього 22. Ізотопний склад складних хімічних елементів залежить від їх походження. Так, свинець, до складу якого входять чотири ізотопи (Pb204, Pb206, Pb207,Pb208), може бути урановим, як продукт розпаду урану з ізотопом Pb206, або торієвим з ізотопом Pb204 (продукт розпаду торію).

Помилковим було б вважати, що саме елементи з високими кларками утворюють родовища корисних копалин. В даному випадку основна роль належить не кларковим вмістам, а властивостям того або іншого елементу утворювати значні концентрації. Наприклад такі метали як галій, цезій, берилій з високими кларками не утворюють самостійних родовищ, і навпаки більш рідкісні елементи, такі як вісмут, ртуть, золото, срібло, можуть утворювати промислові концентрації. Це пояснюється тим, що кларкові вмісти хімічних елементів залежать від будови атомного ядра, а властивість елементів утворювати промислові концентрації – від хімічних властивостей атомів і стійкості зв’язків зовнішніх електронів. Тобто у здатності атомів віддавати або приєднувати електрони і, таким чином, утворювати сполуки. Однією з форм існування таких сполук хімічних елементів є мінерали, як наступний рівень організації земної речовини.

Дата добавления: 2017-03-18; просмотров: 706 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов

Читайте также:

Рекомендуемый контект:

Поиск на сайте:

© 2015-2021 lektsii.org – Контакты – Последнее добавление

Lection1 Предмет і завдання геохіміі.doc (1 стор.)
Lection2 Будова атома, квантова теорія.doc (1 стор.)
Lection3 Електронна структура атомів і періодична система елементов.doc (1 стор.)
Lection4 Атомні ядра і їх свойства.doc (1 стор.)
Lection5 Хімічний склад земної кори.doc (1 стор.)
Lection6 Ізоморфізм, геохімія мінералов.doc (1 стор.)
Lection7 космохімія і геохімія.doc (1 стор.)
Lection8 Хімічний склад глибинних оболонок Землі. Хімічний склад небесних тел.doc (1 стор.)
Оригінал

• Лекції з геохімії елементів
• Лекції з геохімії
• Контрольна робота з геохімії
• Реферат – Геохімія техногенезу по А.Є. Ферсману

Лекція 5-2009 Геохімія

Хімічний склад земної кори

1.РАДІОАКТІВНОСТЬ ЗЕМЛІ І ТЕПЛОВОЇ БАЛАНС

Радіоактивні ядра атомів нашої планети можуть бути поділені на первинні та вторинні. До первинних належать ті, які були отримані Землею в період її утворення в спадок від більш давніх космічних систем, в яких відбувався ядерний синтез. До вторинних радіоізотопах відносяться ізотопи, що виникають в сучасних умовах в результаті взаємодії космічних променів з атомами переважно атмосферних газів Землі-

Якщо ми порівняємо кількість найбільш поширеного 10Ве – 430 т із загальною масою Землі – 5,974.1021 т, то стане цілком очевидно, наскільки мізерну масу речовини Землі складають вторинні радіоізотопи. Розподіл найбільш поширених на Землі первинних природних радіоактивних ізотопів U, Th і К в гірських породах нерівномірно. Найбільшим вмістом U, Th, К відрізняються кислі породи – гранітоїди. Найменша їх концентрація виявлена ​​в глибинних ультраосновних породах. Загалом, дані визначень показують, що радіоелементи зосереджені переважно в алюмосилікатної корі, значно нижче їх концентрація в мантії і абсолютно незначна концентрація в ядрі. Якби у всьому обсязі Землі концентрація радіоелементів була б такою, як в корі, то Земля мала б високу температуру і велика частина її знаходилася б в розплавленому стані. тепловий стан нашої планети вказує, що радіоактивність зосереджена переважно в периферичних частинах її і у напрямку до центру швидко убуває.

Витрата тепла здійснюється тепловим потоком, що йде з глибин планети до її поверхні, а також такими активними процесами, як вулканізм, гідротермальних діяльність, тектонічні рухи. На думку геофізиків, Земля втрачає своє тепло переважно шляхом провідності. Тепловий потік dQ розраховують за формулою

dQ = K .dt / ds.

Середнє значення k для гірських порід одно 0,025 Дж / ​​см. с, dt / ds;-геотермічний градієнт в межах 10 – 40 0 С / км. Грунтуючись на сотнях вимірювань теплових потоків в різних точках земної кулі, включаючи дно океанів, підрахували, що Земля щороку втрачає 7,95.10 20 Дж. Якщо ми звернемося до даних табл. 37.то побачимо, що радіоактивна генерація тепла 9,6 – 44,5.10 20 Дж на рік має той же порядок і в загальному дещо перевищує втрату навіть для моделей з мінімальною концентрацією радіоактивних речовин (наприклад, модель Г. Юри). Отже, радіоактивність відіграє провідну роль у сучасному тепловому балансі нашої планети. Слід, однак, додати, що в далекому минулому радіоактивність Землі була більш високою, ніж зараз. Це, природно, випливає з самого експоненціального закону радіоактивного распадатех елементів, які знаходяться ссейчас в земних надрах, плюс ті які вже розпалися в початкові стадії розвитку Земля получа ла в 4-5 разів більше радіогенного тепла, ніж в сучасну епоху від розпаду 235і, основними джерелами радіогенного тепла Землі були ізотопи 4ОК і 235і, в сучасну епоху головна роль належить 232Th і 238 U. Ми має дані (частково розглянуті вище) про присутність в той далекий час у тілах сонячної системи деяких відносно нетривких радіоактивних ізотопів з періодами напіврозпаду 10 6 – 10 8 років, що виникли в епоху ядерного синтезу важких елементів. У стародавніх метеоритах, як уже зазначалося, виявлені сліди розпаду 244 Рu і 1291 за ізотопним складом ксенону і по треках осколкового ділення 244 Рu.

^

2 Хімічний склад земної кори

Хімічні елементи в земній корі знаходяться в різних формах: частиною у вигляді вільних атомів або іонів, Але в основній масі вони пов’язані між собою, утворюючи ті чи інші фізичні тіла. Так як властивості елементів періодично повторюються, то існують цілі групи елементів які в цих тілах зустрічаються разом. Виникають родинні сімейства елементів – парагенезіси або асоціації, які в структурних зв’язках можуть грати одну і ту ж роль. Але виникають сімейства елементів і з протилежними властивостями, які завдяки цьому і утворюють ті чи інші структури .. Сідерофільние елементи, споріднені залозу, утворюють між собою тверді розчини в рудах і суміші в сплавах, зустрічаються разом в метеоритах, літофільние, зв’язуючись з киснем, якого багато в земній корі, утворюють камінь – гірські породи, халькофільних менше і вони утворюють скупчення сульфідів – кольорові руди, атмофільние – газову атмосферу, біофільние формують тканини живих організмів, галогени – утворюють соляні родовища і т. д. Однак, завдяки здатності до різних типів хімічної і фізичної зв’язку, деякі елементи можуть належати і різним родинам. Слід зазначити, що серед елементів ми зустрічаємо не тільки типових представників геохімічних груп по В. Гольдшмідт із ясно і однозначно вираженими геохімічними властивостями, але також і такі елементи, які поєднують у собі властивості сідерофільних і халькофільних, халькофільних і літофільних, тобто знаходяться в проміжному положенні, що відбиває відсутність різких кордонів в природі. Наприклад, залізо володіє літофільнимі, халькофільних і сідерофільние властивостями. У середовищі, багатою киснем і кремнієм, залізо поводиться як літофільних елементів, утворюючи оксиди і гідроксиди, силікатні мінерали. У середовищі, де замість кисню присутній сірка, дає пірит, пірротін. Олово в природі зустрічається головним чином у формі оксиду – каситериту, але по ряду інших властивостей воно відноситься до халькофільних елементів і утворює сульфіди,

Спостережувана частина земної кори в межах континентів за своїм складом наближається до граніту, тому ми можемо говорити про гранumo-осадочно-метаморфuческом шарі земної кори як найбільш вивченому. біля основи розділу Мохоровичича склад земної кори змінюється і гранітний матеріал за сейсмічними даними замінюється більш щільним матеріалом.

Земна кора складається з двох основних шарів: гранітного (гранітно-метаморфічного) і підстильного його базальтового шару. На дні океанів, за винятком крайових частин, прилеглих до материкам, гранітний шар повністю відсутній, і земна кора складається тільки з одного базальтового шару. рис. 31

Останні геофізичні дані показують, що істотні відмінності материкових і океанічних областей простягаються не тільки до сейсмічної границі Мохоровичича (максимум 80 км) але і сягають глибин порядку кількох сотень кілометрів.

Очевидно, що щільність гірських порід дна океанічних басейнів в середньому перевершує щільність континентальних порід .. Вимірювання гравітаційного поля на великих висотах за допомогою штучних супутників Землі показали, що в загальному сила тяжіння над материками така ж, як над океанами. Звідси випливає, що маса, яка припадає на одиницю площі під поверхнею океану, така ж, як і під поверхнею суші, незважаючи на велику різницю в щільності в межах земної кори. Тому тільки відмінність густин глибоко зануреного матеріалу може компенсувати спостережуване відмінність в щільності поблизу поверхні.

Геотермічні вимірювання показали, що в середньому поверхневі потоки тепла в континентальних областях дорівнюють тепловим потокам через океанічне дно. Однак потужна континентальна кора містить більше радіоактивних елементів, ніж тонка базальтова океанічна кора. Таким чином, дані гравіметрії, теплових потоків і сейсмології вказують цілком виразно, що континентальні структури простягаються до глибин порядку 500 – 800 км.

Рівність теплових потоків суші і океанічного дна призводить до дуже важливим геофізичним і геохімічним наслідків: континентальна кора сформувалася внаслідок диференціації матеріалу мантії у вертикальному напрямку, великий горизонтальний перенос речовини грав невелику роль. У той же час локалізація материкових мас в одній з півкуль планети свідчить про те, що сам процес диференціації мантії мав односторонню спрямованість у просторі. Слід вважати, що асиметричний лик Землі в загальному визначився глибинними процесами, які мали місце на самих ранніх етапах історії планети.

Про поширеність елементів дають уявлення статистичні середні дані – кларки, названі так на честь американського геолога Кларка, який першим почав займатися цим питанням. Можна вважати кларки в масових, об’ємних, атомних відсотках від загального вмісту елементів в тих чи інших природних утвореннях. Атомні кларки, вперше підраховані для земної кори А. Е. Ферсманом, висловлюють процентні кількості числа атомів елементів. Об’ємні кларки показують, який обсяг у відсотках займає даний елемент. Вони вперше були підраховані В. М. Гольдшмідт. В основу підрахунків були покладені розміри іонних радіусів найважливіших породоутворюючих елементів. В результаті багаторічної роботи різних дослідників у даний час зібрано величезний аналітичний матеріал, що характеризує склад земної кори.

Головні закономірності середньої поширеності елементів у земній корі зводяться до наступного:

. 1. Поширеність хімічних елементів у земній корі характеризується великими контрастами, причому якщо порівняти кларки найбільш і найменш поширених елементів, не рахуючи елементів радіоактивних, то побачимо, що коливання в поширенні досягають 10 10.

2. Переважають в земній корі небагато елементи. Усього вісім елементів є головними будівельниками літосфери: О, Si, Аl, Fe, Са, Na, К, Mg.

3. Ведучий хімічний елемент земної кори – кисень, що становить мало не половину її маси. Масовий кларк кисню оцінюється в межах 46,4 – 49%. Його атомний кларк по А. Ферсману – 53,3%, а об’ємний кларк по В. Гольдшмідт – 92%. Ці цифри є відображенням великих розмірів іона кисню 0 2.

4. Порівняння поширеності елементів у земній корі з їх положенням у періодичній системі показує, що із збільшенням порядкового номера Z поширеність елемента нерівномірно убуває. Переважне значення в земній корі мають елементи легені з низькими атомними вагами і невеликими порядковими номерами. Ця особливість складу кори була відзначена ще Д. І. Менделєєвим, який вказав на велику відносну поширеність елементів початкових періодів своєї таблиці. Найбільш поширені елементи в загальному обмежуються Z = 28, більш важкі елементи становлять мізерну частину земної кори.

5. Серед елементів земної кори можна виділити ті, які виявляють особливі контрасти поширення. Слідуючи А. Е. Ферсману, їх можна розділити на надлишкові – дають піки вгору на полулогарифмической кривої Кларків, і елементи недостатні, що дають піки вниз. До надлишковим можна віднести О, Si, Аl, К, Са, Fe, Sr, Zr, Sn, Ва, РЬ, до недостатнім – інертні гази Не, Ne, Аг, Кг, Хе, потім і, Ве, В, Sc, Ge, Se, Ra, Rh, Pd, Ті, Re, 05, Ir, Pt, Аі.

6. У поширенні елементів земної кори чітко виступає значення парності як за величиною порядкового номера Z, таки за значенням масового числа А провідного ізотопу. Як відомо, ця залежність була сформульована як правило Гаркінса – Оддо: парний елемент в періодичній системі більш поширений, ніж сусідній непарний. Проте ця залежність серед елементів земної кори виражена менш різко, ніж у метеоритному матеріалі.

7. Серед надлишкових елементів земної кори особливо переважають ті, домінуючий ізотоп яких побудований за типом 4n, наприклад: 16 0, 24 Mg, 28 Si, 4О Са, 56 Fe, 88 Sr 90 2r, 12 0Sn, 138 Ва, 208 Pb. Більшість з цих ізотопів є магічними. Поза значення магічних чисел залишаються тільки 24Mg, 28Si, 56Fe.

ПО оцінкою А. Ферсмана, ізотопи типу ^ 4п складають 86,30% маси земн.ой кори, 12,7% ваги кори становлять ізотопи типу 4п ‘+ 3 і лише 1% припадає на ізотопи 4п + 1 і 4п + 2.

Неважко помітити, що в багатьох випадках закономірності поширення елементів у земній корі в загальному повторюють закономірності, встановлені для космічного речовини нашої Галактики. Однак є й деякі чітко виражені відмінності. Так, у порівнянні з кам’яними метеоритами, найбільш близькими за складом до Землі тілами (зокрема, евкріти), в земній корі відносно більше О, Si, Аl, Na, К і менше S, Fe, Ni, Сr, Mg. У земній корі правило Гаркінса проявляється менш чітко. У порівнянні зі складом Сонця і великих зовнішніх планет в земній корі, як і на Землі в цілому, спостерігається різкий дефіцит легких газів Н, Не N, Ne. – I

Зазначені відмінності в складі земної кори і найближчих космічних тіл сонячної системи пов’язані з різною їх історією. У період свого утворення наша планета або втратила легкі гази, або сформувалася з речовини, позбавленого їх значних кількостей.

Земна кора – найбільш легка оболонка твердого тіла планети, продукт диференціації її мантії з провідним значенням кисню як головного аніона, сприяючого концентрації найбільш типових оксифільних (літофільних) елементів. Останнє, головним чином і визначило підвищену концентрацію в земній корі таких непарних елементів, як Na, К, Аl, в порівнянні з мантіейі метеоритним речовиною.

Загалом, кілька перефразовуючи формулювання А. Ферсмана, можна зробити висновок, що в земній корі переважають легкі елементи парних порядкових номерів, майже всі без винятку, складові перші чотири періоду системи Д. Менделєєва, нерадіоактивні і представлені ізотопами, побудованими переважно за типом 4п і рідше за типом 4п + 3