Распределение элементов в земной коре

Изучение характера распределения отдельных элементов в земной коре стало особенно интенсивным после первых определений кристаллических структур минералов, и в частности работ Гольдшмидта и его школы. Мы рассмотрим здесь лишь некоторые специфические особенности этого распределения, имеющие непосредственное отношение к описанным в настоящей книге структурам.

Средний состав верхней части земной коры примерно соответствует составу изверженных пород, так как общее содержание пород других типов здесь незначительно по сравнению с содержанием изверженных пород. Величины относительных содержаний отдельных элементов в земной коре, определенные различными авторами, в основном совпадают. Табл. 2. в которой приведены наиболее обычные химические элементы, встречающиеся в земной коре, взята из книги Мезона (Mason, 1958) «Принципы геохимии». Общее содержание перечисленных в таблице восьми элементов составляет примерно 99% общей массы земной коры. Следующими по распространенности в земной коре являются элементы Ti (0.44%), Н (0.14%), Р (0,12%), Mn (0,10%), F (0,070%), S (0,052%), Sr (0,045%), Ва (0,040%). С (0.032%), Сг (0,031%).


Кислород не только самый распространенный элемент в земной коре; на него приходится также почти весь ее объем, так как ион кислорода значительно крупнее ионов большинства обычных элементов. Земная кора, образно выражаясь, представляет собой массу из атомов кислорода, связанных небольшими металлическими ионами и ионом кремния. располагающимися в пустотах этой массы.

Кроме того, вследствие преобладания кремния и кислорода земная кора в основном состоит из силикатов и кремнезема, содержащихся в ней приблизительно в следующих пропорциях:



Указанные приблизительные удельные веса этих силикатов непосредственно связаны с их структурой. К наиболее легким минералам относятся те, в которых кремнекислородные тетраэдры соединяются друг с другом вершинами с образованием сложных структур с избытком, если можно так выразиться, свободного пространства. Наиболее тяжелые минералы содержат отдельные группы SiO₄. Эти группы в структуре могут быть плотно упакованы. И в действительности, в большинстве случаев атомы кислорода в подобных структурах располагаются по принципу одной из форм плотнейшей упаковки одинаковых сфер (см. стр. 42). Плотность других типов силикатов зависит от характера сочетания в их структурах тетраэдрических и октаэдрических групп. Все силикаты значительно легче сульфидов и близких к ним соединений, а также железоникелевого вещества ядра Земли. Благодаря этому следует ожидать, что силикаты должны слагать внешние зоны земной коры, а наиболее легкие из них преобладать в самой верхней части коры, где в основном проводится разведка и добыча полезных ископаемых.

Менее распространенные в земной коре элементы можно разбить на определенные большие классы. При этом на первом месте по распространенности стоят элементы, которые могут изоморфно замещать обычные ионы, входящие в большинство структур минералов. Замещения осуществляются тем шире, чем больше соответствие между ионными радиусами и зарядами изоморфных ионов. В этой связи интересно проследить необычную историю открытия гафния. Распространенность гафния в минералах почти такая же, как и мышьяка, и в сорок пять раз больше, чем серебра; тем не менее он был одним из последних открытых элементов. Гафний обладает таким же зарядом, как и цирконий, и почти равным с цирконием ионным радиусом. Поэтому отношение цирконии — гафний остается практически постоянным при любом типе фракционной кристаллизации. Гафний так долго не могли открыть потому, что он находился в скрытом виде в циркониевых минералах, в которых отношение содержаний циркония и гафния всегда равно примерно 50:1.


Мало распространенные элементы могут также замещать преобладающие элементы минералов со сходными ионными радиусами, хотя их заряды различаются. Как уже отмечалось выше, при изоморфных замещениях размеры ионов гораздо более важны, чем заряды ионов. Подобные замещения, разумеется, происходят лишь в тех случаях, когда структура допускает замещение иных ионов в соответствующих положениях или же изменения в содержании водорода, что необходимо для полной компенсации положительных и отрицательных зарядов (см. стр. 33). Ниже приведены примеры (главным образом из книги Мезона), иллюстрирующие принципы, лежащие в основе изоморфных замещений.

Рубидий не образует собственных минералов; он всегда входит в состав других минералов, замещая калий. Ион Rb⁺ (1,48 Å) значительно больше иона К⁺ (1,33 Å). Подобный тип замещении является очевидным исключением из вышеупомянутого правила о первостепенной важности соответствия ионных радиусов. Однако калий в основном располагается в крупных полостях разреженных структур, и в таких случаях определенная разница в размерах изоморфных ионов вполне допустима.

Барий обладает слишком большими размерами, чтобы замещать кальций, однако его радиус (1,35 Å) близок к радиусу калия (1,33 Å), который он замещает в слюдах и полевых шпатах.

Свинец в небольших количествах замещает калий (Pb^-2 1.32 Å, К⁺ 1,33 Å).

Стронций может замещать кальций или калий.

Марганец может замещать Mg⁺², Fe⁺² или Са^-2.

Скандий замещает ион двухвалентного железа (Sc⁺³ 0.8 Å, Fe⁺² 0,76 Å) в таких минералах, как пироксены, в которых избыток положительного заряда может быть скомпенсирован другими замещениями, но не в оливинах, где подобное сочетание замещений невозможно.

Кобальт (Со⁺² 0,74 Å) замещает Fe⁺² и Mg⁺².

Никель (Ni⁺² 0,72 Å) замещает Mg⁺².

Литий прекрасно иллюстрирует важность при замещении размера иона. Он очень мал и не может замещать другие щелочные ионы (Li⁺ 0,60 Å, Na⁺ 0,95 Å, К⁺ 1,33 Å). В то же время литий замещает магний (Mg⁺² 0,65 Å)¹.


Ванадий и хром замещают трехвалентное железо (V⁺³ 0,74 Å, Сг⁺³ 0,69 Å, Fe⁺³ 0,64 Å).

Галлий имеет такой же заряд, как и алюминий, и радиус, близкий к радиусу алюминия (Ga⁺³ 0,62 Å, Al⁺³ 0,50 Å), и в скрытом виде находится в алюминиевых минералах.

Германий имеет такой же заряд, как и кремний, и несколько больший, чем кремнии, ионный радиус (Ge⁺³ 0.53 Å, Al⁺³ 0,50 Å), и его присутствие «маскируется» кремнием. Последние два случая замещений характерны также для гафния.

Ниже перечислены элементы, у которых величины ионных радиусов и зарядов настолько отличны от значений, характерных для большинства элементов, что им трудно входить в виде изоморфных ионов в какие-либо из основных минералов, и они стремятся к образованию собственных минеральных видов. Цирконий благодаря своему высокому заряду и относительно большому ионному радиусу (Zr⁺³ 0,86 Å) образует отдельную фазу, как правило минерал циркон. Титан (Ti⁺⁴ 0,68 Å) может замещать Al в пироксене, роговой обманке и биотите, однако главным образом присутствует в ильмените или сфене (титаните). Бериллий (Ве⁺² 0,31 Å) и бор (В⁺³ 0,20 Å) существенно отличаются от других ионов и образуют отдельные минералы. Олово (Sn⁺⁴ 0,71 Å), торий (Th⁺⁴ 1,10 Å) и уран (U⁺⁴ 1,05 Å) также образуют собственные минералы.

Наконец, существует класс соединении, значительно отличающихся от ионных соединений и образующих сложные минералы, в состав которых входит сера, мышьяк, сурьма, висмут, селен и теллур. Они отличаются друг от друга природой их химической связи, которая в одних случаях является главным образом ковалентной, а в других — в основном металлической. Кристаллизация этих минералов обособлена от кристаллизации основной массы силикатов.

Концентрация элементов, присутствующих в минералах в незначительном количестве, зачастую может дать сведения о порядке кристаллизации пород из расплава. Согласно Гольдшмидту, если два иона обладают одинаковым зарядом, но слегка различающимися радиусами, меньший ион более легко внедряется в решетку и вследствие этого концентрируется в минерале на ранних стадиях затвердевания. Если же радиусы ионов одинаковы, а заряды различны, то ион с большим зарядом легче входит в решетку и также концентрируется на первых стадиях кристаллизации.

Этот очень краткий обзор некоторых принципов геохимии призван подчеркнуть огромную важность геометрической характеристики структуры минерала, равно как и химических свойств составляющих его элементов. Знание кристаллической структуры минералов весьма существенно для выяснения их природы.

Примечания

1. В ряде случаев (например, в щелочных бериллах) литий замещает тетраэдрический бериллий.