Основные закономерности распространения элементов в земной коре

Некоторые закономерности сразу видны из табл. 11.5, для выявления других потребовались специальные исследования. А.Е. Ферсман предложил для наглядности использовать полулогарифмический график, на котором по оси абсцисс отложены порядковые номера элементов, по оси ординат - логарифмы атомных кларков, а две ломаные соединяют «четно» и «нечетно» атомные элементы (рис. 11.3).

В.И. Вернадский разделил элементы по декадам, выделив последовательно в каждую элементы с содержаниями «по десяткам»: в первую те, содержание которых больше 10 %, во вторую - от 1 до 10 %, в третью - от 0,1 до 1 % и т.д. (табл.11.7).

Химические элементы

Рис. 11.3. Логарифмы атомных кларков элементов (по А.Е. Ферсману)

Разделение по декадам сделано с учетом массовых и атомных кларков, которые несколько изменились за последние годы, но в целом картина и закономерности сохранились полностью. Рассмотрим их.

Таблица 11.7

Распространенность элементов в земной коре по первым декадам В.И. Вернадского

Декады

Число элементов по атомным кларкам

Сумма массовых кларков

Число элементов по атомным кларкам

Сумма массовых кларков

I

2

75,13

3

86,75

I+II

9

98,13

9

98,86

I+II+III

15

99,61

12

99,69

I+1I+II1+IV

29

99,94

18

99,97

I+1I+III+IV+V

38

99,99

31

99,99

Элементы распространены в земной коре крайне неравномерно. Одних из них в миллиард миллиардов раз (от 10 до 1016) больше, чем других. На долю только О и Si приходится около 70 % массы земной коры. Если к ним добавить еще шесть - Al, Fe, Са, Mg, К, Na, то их суммарная масса составит около 98 % массы коры. Добавив к ним еще 29 наиболее распространенных элементов, получим прибавку всего более 1 %, при этом доля большей части (по числу) всех оставшихся элементов составит лишь первые сотые доли процентов массы земной коры.

Если учитывать объемы атомов, то рассматриваемая неравномерность станет еще более контрастной.

Многими исследователями химические элементы группировались с учетом их кларковых содержаний. Так, иногда породообразующими называются девять наиболее распространенных в литосфере химических элементов: О, Si, Al, Fe, Са, К, Na, Mg, Ti. На их долю приходится 99,5 % массы земной коры.

Элементы с массовым кларком меньше 1 • 10'2 % часто называют редкими. Однако при таком подходе к редким должно относиться более 70 % химических элементов, известных в земной коре. Ясна бессмысленность такого названия. Но, даже уменьшив еще в 100 раз пороговое содержание (до 1-10’4%), придется более 1/3 элементов считать редкими. Совершенно другой смысл в это понятие вкладывал А.И. Гинзбург, относивший к редким элементы, мало используемые человечеством. Приведенные данные указывают на необходимость осторожного подхода к термину редкие элементы.

Довольно часто употребим (особенно в биогеохимической литературе) и термин микроэлементы. Перельман рекомендует употреблять его только с указанием конкретной природной системы. Так, А1 - микроэлемент в организмах и макроэлемент в литосфере. В качестве порогового значения предложено брать 1 • 10’2 %.

Рассматривая кривую Ферсмана (рис. 11.3), легко заметить, что положение большей части элементов колеблется, не отходя далеко от условной усредняющей (на рисунке она показана сплошной линией). По отношению к усредненному распространению выделяются элементы, резко преобладающие (избыточные) и с особо малым содержанием (недостаточные).

К избыточным относятся О, Al, Si, Fe, Ba, Th. Несколько условно к ним иногда причисляют К, Са, РЬ. Объяснить их избыточное распространение какой-либо одной важнейшей причиной пока не удалось. Можно только отметить, что за исключением А1 и К все они имеют четные атомные номера, а атомные массы большинства кратны четырем.

К недостаточным относятся резко дефицитные инертные газы Не, Ne, Кг, Хе, Аг, а также Li, Вс, В. Малая распространенность благородных газов объясняется двумя гипотезами. Первая предполагает их постоянный отток от Земли - так называемое «гелиевое дыхание Земли». Эта гипотеза является более распространенной среди геохимиков, начиная с В.И. Вернадского и А.Е. Ферсмана. По второй гипотезе еще при формировании планеты инертные газы оттеснялись от сгущавшихся частиц (как это наблюдается в хвостах планет) и были дефицитными на этой стадии. Низкие кларки Li, Be, В обычно объясняются недостаточной устойчивостью их атомных ядер. Это подтверждается экспериментальными данными.

Ведущим химическим элементом земной коры является кислород. Его массовый кларк определяется в пределах 46,28-49,0 %, атомный 53,3 %, а объемный 92,0 %. Это позволяет считать земную кору кислородной сферой. В биосфере несколько возрастает относительная роль гидросферы, состоящей из Н и О, в связи с чем еще больше увеличивается содержание кислорода. Он же определяет возможность развития подавляющего большинства организмов, а основная часть свободного кислорода в биосфере считается продуктом фотосинтеза.

По имеющимся расчетам в настоящее время свободный кислород образуется со скоростью 1,55 Ю9 т/год, а расходуется со скоростью 2,16- 1О10 т/год. Таким образом, сейчас расход свободного кислорода в ноосфере более чем в 10 раз превышает его образование.

Еще одна особенность: в земной коре, 92 % объема которой приходится на долю кислорода, преобладают так называемые бескислородные восстановительные обстановки. Это означает, что в большей части литосферы отсутствует свободный кислород. Даже в биосфере встречается довольно много зон с бескислородными глеевой и сероводородной обстановками. Иногда их размеры столь велики, что прорыв в атмосферу H2S из таких зон может стать катастрофой планетарного масштаба. В нашей стране к одной из таких зон относится, например, Прикаспий. Нужно тщательно продумывать свою деятельность (в частности, добычу нефти и газа), чтобы не допустить возможности таких прорывов H2S.

Возвращаясь к рис. 11.3, отметим, что содержание химических элементов в земной коре неравномерно убывает по мере увеличения их порядкового номера и атомных масс. Так, из шести элементов, составляющих 98 % объема коры, наибольший порядковый номер 20, а наибольшая атомная масса 40,0 (Са). О резком преобладании легких элементов свидетельствует и средняя атомная масса земной коры, равная 17,25. Для сравнения вспомним, что атомная масса As равна 74,9, Sr - 87,6, Cd - 112,4, W - 183,8, Hg - 200,5, Pb -207,2 и U - 238,2. В биосфере, представляющей верхний слой земной коры с существенной ролью гидросферы и атмосферы, преобладание легких элементов выражено еще более контрастно.

Таким образом, процесс эволюционного развития живых организмов происходил в среде с резким преобладанием легких химических элементов над тяжелыми.

Исходя из этого, становятся понятными токсичность тяжелых металлов при их повышенной концентрации и «биологическая важность» элементов в зависимости от их положения относительно линии питательных веществ.

В земной коре элементы с четными порядковыми номерами и четными значениями атомной массы (в соответствии с периодической системой химических элементов) являются более распространенными, чем рядом расположенные элементы с нечетными значениями атомной массы. Эта закономерность была установлена итальянцем Г. Оддо и американцем В. Гаркинсом и получила название правило Оддо - Гаркинса. Всего же массовые кларки четных элементов составляют в сумме более 86 %.

Особым преобладанием в земной коре отличаются элементы, атомная масса которых кратна четырем: О (16), Mg (24), Si (28), Са (40). В связи с этим можно предполагать, что если бы не удаление с Земли Не, Ne, Аг, то их кларки были бы несравненно большими.

Среди изотопов одного элемента обычно преобладают те, массовое число которых кратно четырем. Особо наглядно это выглядит на примере кислорода и серы (значения указаны в процентах):

,6О- 99,75 32S- 95,1 34S - 4,22

,7О - 0,04 33S - 0,75 36S - 0,02

18О - 0,20

У нечетных и четных элементов начала таблицы Менделеева наибольшие кларки характерны для шестых по порядковому номеру элементов: у нечетных - Н (1), N (7), А1 (13), К (19), Мп (25); у четных - О (8), Si (14), Са (20), Fe (26). Объяснения этой закономерности пока нет.

Подводя итог рассмотрению закономерностей распространения элементов в земной коре, можно сказать, что в ней резко преобладают легкие элементы с четными порядковыми номерами и атомными массами, представленные изотопами типа 4/? с устойчивыми ядрами и удерживающиеся гравитационным полем Земли.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >