Заключительная часть

Глава I. Минеральный состав земной коры

Количественное значение различных типов химических соединений в земной коре. Общее число названий минералов, встречающихся в старой и новой геологической литературе, достигает 6000. Однако при критическом подходе к установлению минеральных видов и их разновидностей на основе рациональной классификации подавляющее большинство этих названий должно быть оставлено по ряду соображений. Прежде всего, многие из них, как это доказано с помощью современных точных методов исследования, представляют собой механические смеси. Весьма значительное число названий оказалось синонимами одних и тех же минеральных веществ, отличающихся друг от друга либо по степени дисперсности кристаллической фазы, либо по некоторым внешним признакам (оттенку окраски, форме кристаллических индивидов и др.), либо по несущественным отличиям в химическом составе (особенно для названий разновидностей) и т. д.

Если упразднить все эти синонимы и вычеркнуть из списка минеральные смеси, то число действительных минеральных видов в настоящее время выражается цифрой немного менее 1500. Кроме того, сохраняется около 200 названий для разновидностей. Правда, следует заметить, что в ряде случаев реально существующие разновидности минеральных видов не имеют специальных названий.

По главным типам химических соединений число минеральных видов распределяется следующим образом:

1. Силикаты и алюмосиликаты - 25,8%
2. Фосфаты и их аналоги - 18,0
3. Сульфиды и их аналоги - 13,3
4. Окислы и гидроокислы - 12,7
5. Сульфаты - 9,4
6. Галогениды - 5,8
7. Карбонаты - 4,5
8. Самородные элементы - 4,3
9. Бораты - 2,9
10. Прочие - 3,3

Как видим, наибольшее количество минеральных видов приходится на силикаты, фосфаты, окислы, сульфиды и сульфаты. На долю этих соединений в общей сложности падает около 80%.

Однако в весовом отношении мы имеем существенно иную картину. Согласно данным пересчета кларковВ.И. Вернадского, А. Е. Ферсмана и других, в известной нам части земной коры для главнейших типов химических соединений мы получаем следующий порядок цифр содержания в весовых процентах:

1. Силикаты - около 75% (на долю полевых шпатов приходится 55%).
2. Окислы и гидроокислы - около 17%, причем на кварц (вместе с халцедоном и опалом) падает 12,6%, а на окислы и гидроокислы железа 3,6%.
3. Карбонаты (главным образом кальцит и доломит) - около 1,7%.
4. Фосфаты и их аналоги (преимущественно апатит) - около 0,7%.
5. Хлориды и фториды - около 0,5%, причем из хлоридов наибольшим распространением пользуется галит, из фторидов-флюорит.
6. Сульфиды и сульфаты - около 0,3-0,4%; из сульфидов главенствующее значение имеет сульфид железа-пирит.
7. Самородные элементы - около 0,1%; в том числе около 0,04% приходится на долю азота и около 0,01% - на долю кислорода.

Эти данные показывают, что одни только силикаты и кварц в земной коре составляют около 87% по весу, тогда как такие типы химических соединений, как фосфаты и их аналоги, сульфиды, сульфаты, окислы (кроме кварца и окислов железа), которые в природных условиях представлены многочисленными минеральными видами, в весовом отношении составляют очень незначительную долю валового состава земной коры. Тем не менее следует подчеркнуть, что именно эти типы химических соединений содержат многие ценные металлы, столь важные для горно-металлургической, химической и других отраслей промышленности.

Некоторые особенности состава и распределения минералов в земной коре. Как уже отмечалось во введении к курсу минералогии (см. стр. 28), общее число природных химических соединений (минералов) несравненно меньше, чем их можно получить искусственным путем в лабораторных условиях, несмотря на то что природные реакции представляют гораздо более грандиозную по масштабам картину явлений. Число ежегодно открываемых новых минералов, несмотря на применение весьма совершенных и мощных современных средств исследования вещества, за последние десятилетия не столь уже значительно (обычно не выше 10). Общее число известных в настоящее время минеральных видов в области неорганической природы не выше 1500, тогда как число искусственных соединений, полученных до последнего времени, выражается многими сотнями тысяч и при современном развитии технических средств синтеза весьма значительно увеличивается.

Если бы мы задались вопросом, каковы количественные значения разных по составу минералов в различных генетических типах природных образований в области земной коры, то на основе анализа фактических данных пришли бы к следующему выводу.

В эндогенных образованиях наименьшее число минеральных видов наблюдается в изверженных горных породах, возникших в условиях высоких температур и давлений. В постмагматических образованиях, особенно в гидротермальных месторождениях, устанавливается несравненно большее число самых разнообразных по типу соединений минеральных видов. Однако наиболее богаты минералами экзогенные образования, возникающие в условиях низких температур и давлений, в условиях водно-воздушной обстановки, т. е. при высоком парциальном давлении кислорода, и, наконец, в условиях широко развитой органической жизни на земле. Но все же и здесь общее число минералов совершенно незначительно по сравнению с тем количеством искусственных соединений, которые могут быть получены в лабораториях и заводах.

Это обстоятельство обусловлено рядом причин. Прежде всего, как на это давно уже обратил внимание В. И. Вернадский, многие элементы в природных соединениях образуют далеко не все ионы, получаемые в лабораторных условиях. Например, марганец в минералах устанавливается в двух-, трех- и четырехвалентном состояниях, а искусственно легко можно получить также соединения шести- и семивалентного марганца и, кроме того, металлический марганец и различные интерметаллические соединения. Вольфрам в природных условиях известен только в виде шестивалентного иона, а в лабораторных условиях, кроме того, получаются соединения двух-, трех-, четырех- и пятивалентного вольфрама. Металлы группы платины в природных условиях встречаются главным образом в самородном виде и почти не образуют ионов (если не принимать во внимание редких сульфидов и арсенидов), тогда как среди искусственных продуктов мы знаем типичные ионные соединения с валентностью 2, 3, 4 и для Ru и Os даже 6 и 8. В соответствии с этим число известных минералов группы платины едва достигает 30, а число искусственных соединений выражается многими сотнями, и т.,д.

Совершенно ясно, что в земной коре при процессах минералообразования, протекающих в сложной, многокомпонентной среде, в условиях сравнительно нешироких пределов колебания окислительно-восстановительных потенциалов, создаются весьма ограниченные возможности образования ионов различных валентностей. Следовательно, и число возможных сочетаний ионов при минералообразовании резко сокращается.

Второе важное обстоятельство, на которое обратил внимание еще А. Е. Ферсман, заключается в том, что многие элементы, характеризующиеся низкими кларками, в природных условиях не образуют самостоятельных минералов. Это имеет место в тех случаях, когда ионы этих элементов по своим размерам и химическим свойствам близки к ионам широко представленных в данной среде элементов и в силу этого способны скрываться в виде изоморфных примесей в главных минералах, кристаллизующихся из данного расплава или раствора (изовалентный и гетеровалентный изоморфизм). Таковы, например, случаи "маскировки" гафния в минералах циркония; рения - в молибдените; галлия - в минералах алюминия и отчасти цинка; брома - в минералах хлора; самария, гольмия, лютеция и др. - в минералах иттрия; скандия - в минералах магния и железа и т. д. В лабораторных и заводских условиях, наоборот, мы имеем возможность создать любые концентрации для этих элементов и не только искусственно выделить самые различные соединения их, но и получить многие из них в металлическом состоянии.

Это явление "маскировки" имеет место и для элементов с более высокими кларками. Одним из наиболее ярких примеров может служить изоморфная примесь никеля (до 0,2%) к магнию в силикатах (оливине и происшедшем из него серпентине). В массивах оливиновых и серпентинитовых пород таким путем рассеиваются огромные массы никеля (многие сотни миллиардов тонн в пересчете на металл), тогда как в рудных месторождениях, содержащих промышленные скопления сульфидов или арсенидов никеля (типа Сэдбери или Шнееберга), сосредоточиваются в целом несравнимо меньшие количества этого металла (едва ли превышающие 10% всего содержащегося в земной коре никеля). Та же картина в эндогенных образованиях устанавливается для марганца, который входит в состав силикатов и других типов соединений в виде изоморфной примеси, с одной стороны, к железу, с другой - к кальцию. Действительно, многие минералы, богатые железом и кальцием, содержат повышенные количества марганца в виде изоморфной примеси (фаялит, геденбергит, диопсид, биотит, апатит, анкерит, сидерит и др.). В этом виде в общей сложности скрыты огромные количества марганца. То же относится к титану, ванадию, кобальту, редким землям, стронцию и др.

Что касается тех мало распространенных в земной коре элементов, которые образуют очень малые или очень большие ионы (Be, В, С, Р, Rb, Cs, Nb, Та, U и др.) по сравнению с главными элементами, за счет которых возникает основная масса, допустим, магматических, породообразующих минералов, то они, как можно судить по данным геологии, концентрируются в остаточных растворах, из которых в постмагматическую стадию по мере их пересыщения в результате происходящих химических реакций кристаллизуются особые минералы, содержащие летучие компоненты или богатые редкими элементами (турмалин, берилл, литиевые слюды, монацит, апатит и др.). Нередко они образуют промышленные скопления в виде месторождений ценных металлов либо в самых массивах магматических пород, либо в непосредственной близости от них во вмещающих породах.

Точно так же ионы, существенно отличающиеся от главных по химическим свойствам (например, ионы с 18-электронной наружной оболочкой: Сu, Ag, Аu, Zn, Pb, Bi и др., а также отчасти элементы группы железа), выносятся в остаточных растворах часто далеко за пределы магматических массивов и образуют так называемые гидротермальные промышленные месторождения многих тяжелых металлов, представленные преимущественно сульфидами и окислами.

Подобные же явления диференциации ионов с образованием тех или иных групп минералов устанавливаются и при изучении различных продуктов экзогенных процессов (в коре выветривания и осадочных образованиях).

Таким образом, в земной коре при геологических процессах, совершающихся в ней, происходит закономерное пространственное распределение химических элементов, а следовательно и минералов в различных продуктах этих процессов. Такое распределение и приводит к образованию, с одной стороны, огромных относительно простых по составу массивов горных пород (изверженных, осадочных, метаморфических), составляющих главную часть земной коры, и с другой - генетически тесно связанных с ними, но существенно отличных по составу месторождений полезных ископаемых, которые, подчиняясь общим законам минералообразования, возникают в результате тех же геологических процессов. Эти месторождения, особенно месторождения металлических полезных ископаемых, по своим размерам хотя и очень сильно уступают массивам горных пород, но по своему химическому составу и экономическому значению столь резко отличаются от них что безусловно должны рассматриваться как самостоятельные геологические тела, участвующие в общем строении земной коры наряду с масссивами горных пород.

Именно с этим связано принятое деление всех химических элементов на петрогенные (породообразующие) и металлогенные (рудообразующие). Первые в менделеевской таблице химических элементов, построенной по длинным периодам (рис. 370), располагаются в левой части, а вторые-в правой части и в самом низу таблицы. Эта главная особенность пространственного распределения в земной коре химических элементов обусловлена, как известно, свойствами самих элементов и, в частности, строением их атомов. Действительно, характернейшие химические элементы горных пород (Na, К, Mg, Са, Al, Si) в природных условиях образуют ионы с 8-электронной внешней оболочкой, а для типичных металлогенных элементов, обладающих высокими атомными весами, характерны ионы с 18-электронной внешней оболочкой, отчасти менее симметричные по конфигурации внутренних электронных сфер (ионы средней части таблицы: триады VIII группы, затем Mn, Cr, V, Mo, W, Nb Та, U, Th).