Глава I. Земная кора и особенности ее состава

Строение земного шара. Главным объектом геологических, в том числе и минералогических, исследований является земная кора*, под которой подразумевается самая верхняя оболочка земного шара, доступная непосредственному наблюдению. Сюда относятся: нижняя часть атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы, т. е. твердой части Земли.

^*(Название "земная кора" дано совершенно условно-оно никакого отношения не имеет к первичной коре остывания земного шара)

Наши фактические знания о строении и химическом составе земной коры основываются почти исключительно на наблюдениях над самыми поверхностными частями нашей планеты. Местами, благодаря шахтным разработкам месторождений полезных ископаемых, известны и более глубокие части земной коры. В золоторудном месторождении Витватерсранд (Южная Африка) наибольшая глубина шахт составляет 2330 м. Самые глубокие нефтяные скважины достигают глубины 4-5 км.

Горообразующие процессы, совершавшиеся в различные геологические эпохи и приводившие к образованию высоких горных хребтов, подняли из глубины самые различные породы, не образующиеся вблизи поверхности Земли. Однако это дает возможность, как показывают геологические наблюдения и подсчеты, получить более или менее реальное представление о составе и строении земного шара только до глубины 16 - 20 км (радиус же его превышает 6300 км).

О строении и составе глубоких недр земного шара можно судить лишь на основании косвенных данных. Как показывает сопоставление плотностей всего земного шара (5,527) и земной коры (2,7-2,8), внутренние части нашей планеты должны обладать значительно большей плотностью, чем поверхностные. Как предполагают на основании различных данных (геофизические наблюдения, данные сравнения Земли с другими космическими телами, состав метеоритов и пр.), это обстоятельство обусловлено не только увеличением с глубиной давления, но и изменением состава внутренних частей нашей планеты.

Наибольшим признанием в настоящее время пользуется гипотеза В. М. Гольдшмидта о строении земного шара. Последний, по его представлениям, состоит из трех главных концентрически расположенных зон (геосфер):

1. наружной - литосферы;
2. промежуточной - халькосферы, богатой окислами и сернистыми соединениями металлов, преимущественно железа,
3. центральной - сидеросферы, представленной железо-никелевым ядром.

Литосфера в свою очередь подразделяется на две части:

• верхнюю оболочку - до глубины 120 км,сложенную в основном обычными силикатовыми породами,
• нижнюю - эклогитовую оболочку (120-1200 км), представленную силикатовыми породами, обогащенными магнием.

По В. М. Гольдшмидту, отдельные геосферы характеризуются следующими данными:

^*( От греческого слова "литос" - камень; для большинства литофильных элементов характерно сродство к кислороду)

^**( От древнегреческого слова "халькос" - медь; для большинства халькофильных элементов характерно сродство с серой)

^***(От древнегреческого слова "сидерос" - железо ("метеорит"))

Состав земной коры. Средний химический состав доступной наблюдению земной коры условной мощностью в 16 км, включая сюда гидросферу, биосферу и прилегающую часть атмосферы, подсчитывался многими учеными. Впервые состав твердой части земной коры в весовых процентах подсчитал американский исследователь Ф. Кларк в 1889 г. Большая работа по уточнению полученных цифр была проделана В. И. Вернадским, А. Е. Ферсманом, И. и В. Ноддаками, Г. Гевеши, В. М. Гольдшмидтом и др.

По предложению акад. Ферсмана средние цифры содержаний отдельных элементов в земной коре стали называть "числами Кларка", или просто "кларками". Он же предложил выражать эти величины не только в весовых процентах, но и в атомных.

Из девяноста семи химических элементов, приведенных в периодической таблице элементов Менделеева (табл. 1), лишь немногие пользуются широким распространением в земной коре. Такие элементы в таблице располагаются в верхней ее части, т. е. относятся к числу элементов с малыми порядковыми номерами.

Как видно из диаграммы (рис. 3), наиболее распространенными элементами являются: О, Si, Al, Fe, Ca, Na, К, Mg, Н, Ti, С и Cl. На долю остальных 80 элементов приходится всего лишь 0,71% (по весу).

Рис. 3. Диаграмма распространения главнейших элементов в земной коре (литосфера+ гидросфера+часть атмосферы) в весовых процентах В боковых колонках черными столбиками показаны важнейшие металлы

Подавляющее большинство этих элементов в земной коре присутствует почти исключительно в виде химических соединений. К числу элементов, встречающихся в самородном виде, относятся очень немногие. Те и другие возникают в результате химических реакций, которые протекают в земной коре при различных геологических процессах, приводящих к образованию самых разнообразных по составу массивов горных пород и месторождений полезных ископаемых.

Если главнейшие элементы расположить в порядке их процентного (весового) содержания в земной коре на группы по декадам*, то получится такая картина (табл. 2).

^*(От греческого слова "дека"-десять)

Из табл. 2 видно, что подавляющая масса минералов земной коры должна представлять соединения элементов первых двух декад, на долю которых в весовом выражении приходится 98,13%. В самом деле, в земной коре чрезвычайно широко распространены кислородные соединения кремния, алюминия, железа, а также щелочноземельных и щелочных металлов - кальция, магния, натрия и калия. К их числу относятся главным образом окислы и кислородные соли (силикаты, алюмосиликаты и др.), входящие в состав различных горных пород, слагающих земную кору.

Кларки металлов, играющих большую роль в промышленности, в подавляющем большинстве выражаются ничтожными величинами и попадают в последние столбцы элементов, разбитых на декады по степени распространения (табл. 3).

Некоторые особенности распределения тяжелых металлов в земной коре. Многие из указанных редких в земной коре элементов под влиянием совершающихся в природе геохимических п ссов нередко образуют исключительно богатые скопленирального вещества, носящие названия рудных месторождений. Если бы не существовало процессов, приводящих к образованию таких месторождений, которые имело бы смысл разрабатывать с целью извлечения ценных для промышленности металлов, то можно с уверенностью сказать, что не было бы и столь мощного развития техники и культуры, какое наблюдается в настоящее время. Тогда бы многие металлы, извлеченные из пород в лабораторных условиях, относились к исключительно дорогим металлам. Весьма характерно, что кларки таких металлов, как ванадий, цезий, галлий и др., во много раз выше кларков ртути, висмута, серебра, золота и др. Но, несмотря на их весьма ценные свойства, они в человеческом быту не распространены, так как их месторождения с промышленными концентрациями в природе крайне редки.

Природные соединения тяжелых металлов представляют собой в основном сравнительно простые соединения. Часть этих элементов (Fe, Mn, Sn, Cr, W, Nb, Та, Th, U) преимущественно распространена в виде кислородных соединений, но зато многие другие элементы (Fe, Ni, Со, Zn, Cu, Pb. Hg, Mo, Bi, As, Sb, Ag и др.) встречаются главным образом в виде скоплений сернистых, мышьяковистых и сурьмянистых соединений.

В. М. Гольдшмидт указывает, что распространенность элементов в земной коре по мере увеличения их порядковых чисел уменьшается (рис. 4). Это происходит большей частью по правилу: распространенность обратно пропорциональна седьмой-восьмой степеням порядкового числа. Однако бросаются в глаза отклонения для трех элементов: лития, бериллия и бора (рис. 4), имеющих низкие порядковые числа - 3,4 и 5. Для некоторых элементов наблюдаются отклонения в сторону увеличения (железо с порядковым номером 26).

Рис. 4. Распространенность элементов в верхней части литосферы. На диаграмме даны логарифмы атомных концентраций (H) как функции порядкового номера (Z), причем кислород принят за единицу

Если сравнить распространенность химических элементов в земной коре в атомных кларках с числами минералов, в которые они входят, то, как указал П. П. Пилипенко, между ними, за небольшим исключением, устанавливается некоторая прямая (симбатная) зависимость. Это имеет место преимущественно для элементов, обладающих малыми атомными весами:*

^*(В число минералов не включены лишь разновидности, в которые данный элемент входит в виде изоморфной примеси)

Для многих тяжелых металлов подобная зависимость не устанавливается. Так, теллур, атомный кларк которого в земной коре примерно в 100 раз меньше, чем кларк селена, в природных условиях образует около 40 самостоятельных минералов, в то время как для селена их известно всего 28, и то главным образом в ассоциации с серой. Для цинка, с атомным кларком, в 50 раз большим по сравнению с кларком свинца, мы имеем 26 минералов, тогда как для свинца - около 130, и т. д.

Указанные различия несомненно вызываются химическими свойствами самих элементов, обусловленными строением их ионов и определяемыми положением этих элементов в периодической системе Менделеева. Для элементов с одинаковыми свойствами, аналогичными строением и размерами ионов, но с различными концентрациями в данном растворе или расплаве, естественно ожидать, что при кристаллизации элементы с меньшей концентрацией будут входить в кристаллические решетки, образуемые господствующими элементами, как бы растворяясь в них. Если же данный элемент в окружающей среде не находит аналогичных себе по размерам и строению ионов других элементов, то, в каком бы количестве он ни присутствовал в растворе, при кристаллизации он должен образовать самостоятельное соединение. Весьма показательно, что двухвалентный марганец в главной своей массе входит в состав минералов в виде изоморфной примеси к двухвалентным железу и кальцию, но зато четырехвалентный марганец всегда образует явно индивидуализированные соединения. Этим же объясняется, что такие элементы, как рубидий, скандий, галлий, гафний, индий, рений и др., обладающие низкими атомными кларками, в природе совершенно не образуют самостоятельных минералов, а находятся в рассеянном состоянии, присутствуя в виде изоморфной примеси к другим элементам. В значительной мере это относится и к таким, более распространенным элементам, как селен, ванадий, цезий, кадмий и др. Наоборот, элементы с очень низкими атомными кларками-теллур, золото, группа платиновых металлов, висмут и др. - сравнительно часто устанавливаются в виде самостоятельных минералов.

Важно указать, что общее число природных химических соединений несравненно меньше, чем их можно получить искусственным путем. Число одних только неорганических соединений, получаемых в лабораторных условиях, выражается многими сотнями тысяч. В природе же известно всего лишь около 1700 минералов, включая и их разновидности. Это ни в коем случае нельзя объяснять слабой изученностью состава земной коры. За последние десятилетия число ежегодно открываемых новых минералов перестало превышать 10-20, несмотря на совершенствование методик и тщательность проводимых исследований. Возможности же синтеза искусственных соединений все более и более расширяются. Установлено, например, что элементы группы платины способны дать огромное количество самых разнообразных и сложных химических соединений, а в природных условиях известно буквально не больше трех десятков минералов, и то преимущественно в виде самородных металлов.

Таким образом, природная химия, или геохимия, особенно глубинных частей земной коры, по сравнению с лабораторной химией значительно проще по тем конечным продуктам, которые мы изучаем в виде минералов. Многие природные химические реакции протекают при высоких температурах и давлениях, нередко в твердых средах и в течение весьма длительного времени. Минералогия самой поверхностной части литосферы, особенно зоны выветривания, где господствуют низкие температуры и давления, гораздо сложнее. Но все же концентрации многих химических компонентов в поверхностных растворах столь низки, что общее количество образующихся здесь соединений значительно уступает тому, что может быть получено в лаборатории.