книги / Основы геохимии

1Является радиоактивным с большим периодом полураспада, Т = 1,39-10х* лет.

Приведенные значения позволяют говорить о том, что если бы в молодой Земле концентрация 244Ри, 247Сш, 1291, вместе взятых, была бы на два порядка ниже, чем концентрация урана, то и в этом случае атомная энергия их распада была бы соизмеримой с энергией распада самого урана. Однако пока мы еще не можем количественно вычислить первоначальное содержание вымерших изотопов в материа­ ле молодой Земли и производимый ими термический эффект. Не исключена возможность, что радиоактивный нагрев определялся распадом 10Ве и 2вА1, возникших в результате солнечного протонного облучения рассеянного вещества, из которого возникли планеты.

Таким образом, термическая история Земли и других тел солнеч­ ной системы связана не только с распадом U, Th, 40К, но также и с распадом вымерших радиоактивных изотопов. Следы былого сущест­ вования вымерших радиоактивных изотопов в веществе Земли, Лу­ ны и метеоритов только недавно стали самостоятельно и обстоятельно изучаться. Дальнейшее их изучение откроет нам много нового из истории формирования Земли.

Литература

Б у л л е н К. Е. Введение в теоретическую сейсмологию. М., «Мир», 1966. Б о тт М. Внутреннее строение Земли. М., «Мир», 1974.

В о й т к е в и ч Г. В. Проблемы радиогеологии. М., Госгеолтехиздат, 1961.

131

ЧАСТЬ II

ХИ М И Ч Е С К А Я Х А Р А К Т Е Р И С Т И К А

ГЕ О С Ф Е Р

Г л а в а V ЛИТОСФЕРА

ОСНОВНЫЕ ЧЕРТЫ СТРОЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Понятие земная корау получившее столь широкое распространение в геологических науках, тесным образом связано с представлениями о застывшей коре некогда расплавленной планеты. В настоящее время под этим названием подразумевают верхний твердый слой Земли, который располагается между поверхностью и сейсмической грани­ цей Мохоровичича. Земная кора представляет собой наиболее актив­ ный слой твердого тела Земли — сферу деятельности тектонических и магматических процессов.

Строение земной коры отражается в рельефе ее поверхности. Бро­ сается в глаза резкая асимметричность строения поверхности Земли, разделение ее рельефа на две основные части — океаническую и кон­ тинентальную. Океаническое полушарие занято Тихим океаном, площадь которого (165,2 млн. км2) превышает площадь всех матери­ ков, вместе взятых (148,9 млн. км2).

Вся сумма наших знаний по геологии и геофизике свидетельствует о том, что дно океанов и континенты — это структуры ведущего планетарного значения. Отличаются они друг от друга строением земной коры, ее составом (химическим и петрографическим) и ходом геологического развития. Асимметричный характер лика Земли поэ­ тому нельзя считать случайным.

Мощность земной, коры в области материков и океанического дна неодинакова. Под материками мощность земной коры в среднем 35— 40 км, местами она уменьшается до 20 км, а в горных складчатых районах возрастает до 75—80 км. Под океанами земная кора тонь­ ше и варьирует в пределах 10—20 км, включая слой воды.

Земная кора в общем имеет слоистое строение, и состоит она из "трех комплексов горных пород: осадочных, магматических и мета-

133

морфических. Геосферы, сложенные этими породами, имеют пре­ рывистый характер. Так, в области развития докембрийских щитов часто отсутствуют осадочные породы.

Наблюдаемая часть земной коры в пределах континентов по своему составу приближается к граниту, поэтому мы можем говорить о гранито-осадочно-метаморфическом слое земной коры как наибо­ лее изученном. У основания раздела Мохоровичича состав земной ко­ ры меняется и гранитный материал по сейсмическим данным заменяет­ ся более плотным материалом, соответствующим по составу базаль­ ту. Нижний слой земной коры прийято называть базальтовым. Н а­ звание «базальтовый слой» носит условный характер, поскольку в состав земной коры входят и другие породы основного характера —

Рис. 31. Строение земной коры. Переход от материкового типа коры к океаническому в районе Атлантического побережья Северной Амери­

ки (поданным сейсмики и гравиметрии):

;—вода, 2 —осадки, 3 —консолидированная континентальная кора, 4 —консо­ лидированная океаническая кора, 5 —мантия. Цифры —плотность материала

типа амфиболитов и габбро. Таким образом, земная кора состоит из двух основных слоев: гранитного (гранитно-метаморфического) и подстилающего его базальтового слоя. На дне океанов, за исключе­ нием краевых частей, прилегающих к материкам, гранитный слой полностью отсутствует, и земная кора состоит только из одного ба­ зальтового слоя. Переход от коры континентального типа к коре оке­ анического типа представлен на рис. 31.

Последние геофизические данные показывают, что существенные различия материковых и океанических областей простираются не только до сейсмической границы Мохоровичича (максимум 80 км), но и достигают глубин порядка нескольких сот километров.

Очевидно, что плотность горных пород дна океанических бассей­ нов в среднем превосходит плотность континентальных пород. Реаль­ ная разница в средней плотности должна существовать между колон­ ками под материками и под океанами до большой глубины. Измерения гравитационного поля на больших высотах с помощью искусственных спутников Земли показали, что в общем сила тяжести над материками такая же, как над океанами. Отсюда следует, что масса, приходящая­ ся на единицу площади под поверхностью океана, такая же, как и

134

под поверхностью суши, несмотря на большую разницу в плотности в пределах земной коры. Поэтому только различие плотностей глубоко погруженного материала может компенсировать наблюдаемое разли­ чие в плотности вблизи поверхности.

Геотермические измерения показали, что в среднем поверхност­ ные потоки тепла в континентальных областях равны тепловым пото­ кам через океаническое дно. Однако мощная континентальная кора содержит больше радиоактивных элементов, чем тонкая базальтовая океаническая кора. Поэтому равенство тепловых потоков дна океана и суши может быть связано только с различной радиоактивностью материала мантии под океанами и под континентами, т. е. верхняя мантия под океанами должна быть более радиоактивной, чем под континентами. По мнению Г. Мак-Дональда (1964), различие радио­ активности достигает глубин порядка сотен километров. Следует

Таким образом, данные гравиметрии, тепловых потоков и сейсмо­ логии указывают вполне определенно, что континентальные структу­ ры простираются до глубин порядка 500 — 800 км.

Равенство тепловых потоков суши и океанического дна приводит к очень важным геофизическим и геохимическим следствиям: конти­ нентальная кора сформировалась в результате дифференциации материала мантии в вертикальном направлении, крупный горизон­ тальный перенос вещества играл небольшую роль. В то же время лока­ лизация материковых масс в одном из полушарий планеты свиде­ тельствует о том, что сам процесс дифференциации мантии имел одно­ стороннюю направленность в пространстве. Следует считать, что асим­ метричный лик Земли в общем определился глубинными процессами, которые имели место на самых ранних этапах истории планеты.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Наиболее достоверные данные о химическом составе земной коры относятся к ее континентальной части. Хорошо изучен также хими­ ческий состав основных горных пород (габбро, базальтов), которые, естественно, рассматриваются как материал базальтового нижнего слоя земной коры.(При расчете среднего химического состава всей земной коры обычно принимают определенную пропорцию кислого

леит. Одсюда следует, что расчеты состава земной коры носят несколь­ ко приближенный характер, несмотря на хорошую информацию от­ носительно среднего химического состава горных пород различного типа. Чем более распространен элемент, тем более достоверные данные мы имеем'о его относительном содержании в горных породах.

135

раненность химических элементов в земной ко]

16

1

Первые обоснованные числа, характеризующие распространенность элементов земной коры, были даны Ф. Кларком, который провел огромное число анализов горных пород. В связи с этим по инициати­ ве А. Е. Ферсмана в геохимию было введено понятие о кларке — сред­ нем содержании какого-либо элемента в природной системе.

Различают кларки массовые, атомные и объемные. Массовые кларки — это числа среднего содержания элементов, выраженные в еди­ ницах массы, в массовых процентах или в граммах на грамм породы.

137

В зарубежной литературе для оценки распространенности элементов часто принимают единицу р. р. m. (parth per million) — одна часть Яа миллион, что соответствует 10”® г/г материала. Атомные кларкИ, впервые подсчитанные для земной коры А. Е. Ферсманом, выражает процентные количества числа атомов элементов. Объемные клар*и показывают, какой объем в процентах занимает данный элемент. ОЯи впервые были подсчитаны В. М. Гольдшмидтом. В основу подсчете® были положены размеры ионных радиусов важнейших породообрДзующих элементов.

В результате многолетней работы разных исследователей в настоя­ щее время собран огромный аналитический материал, характеризую­ щий состав земной коры. Установление средних содержаний элемеЯ-

Рис. 32. Логарифмы атомных кларков элементов земной коры

тов шло по двум направлениям: 1) путем отбора многочисленных ана­ лизов горных пород с учетом их распространения; по такому путЯ шли Ф. Кларк и Г. Вашингтон, а затем и другие исследователи; Кларк и Вашингтон считали, что верхний 16-километровый слой земной коры состоит на 95% из пород изверженных, 4% — метамор­ фических и 1 % — осадочных; 2) путем составления искусственны* смесей из горных пород соответственно их распространению в земной коре и их тщательного анализа. По второму пути определения средни* содержаний элементов шли И. и В. Ноддаки и Г. Хевеши.

В табл. 34 приведены наиболее существенные данные средней распространенности химических элементов в земной коре, получен­ ные в разное время Ф. Кларком и Г. Вашингтоном, А. Е. Ферсманом» А. П. Виноградовым и Р. Тейлором. Следует отметить, что данный Ф. Кларка и Г. Вашингтона относятся к верхнему 16-километрово­ му слою земной коры, данные А. П. Виноградова и Р. Тейлора — Я

138

составу всей земной коры в современном понимании. Данные послед­ них двух авторов следует считать более достоверными, особенно в отношении редких элементов.

Для более наглядного изображения особенностей распространения элементов А. Е. Ферсман построил полулогарифмический график, на котором на оси абсцисс отложены порядковые номера элементов Z, а на оси ординат логарифмы их атомных кларков (рис. 32). Анализ графика, а также данных табл. 39 позволяет выявить главные законо­ мерности средней распространенности элементов в земной коре. Они сводятся к следующему:

1.Распространенность химических элементов в земной коре ха­ рактеризуется большими контрастами, причем если сравнить кларки наиболее и наименее распространенных элементов, не считая элемен­ тов радиоактивных, то увидим, что колебания в распространении достигают 1010.

2.Преобладают в земной коре немногие элементы. Всего восемь элементов являются главными строителями литосферы: О, Si, Al, Fe, Са, Na, К, Mg.

3.Ведущий химический элемент литосферы — кислород, состав­ ляющий едва ли не половину ее массы. Массовый кларк кислорода оценивается в пределах 46,4 — 49%. Его атомный кларк по А. Ферс­

ману — 53,3%, а объемный кларк по В. Гольдшмидту — 92%. Эти

положением в периодической системе показывает, что с увеличением порядкового номера Z распространенность элемента неравномерно убывает. Преобладающее значение в земной коре имеют элементы легкие с низкими атомными весами и небольшими порядковыми но­ мерами. Эта особенность состава коры была отмечена еще Д. И. Мен­ делеевым, который указал на большую относительную распростра­ ненность элементов начальных периодов своей таблицы. Наиболее

обнаруживают особые контрасты распространения. Следуя А. Е. Фер­ сману, их можно разделить на избыточные — дающие пики вверх на полулогарифмической кривой кларков, и элементы недостаточные, дающие пики вниз. К избыточным можно отнести О, Si, А1, К, Са, Fe, Sr, Zr, Sn, Ba, Pb, к недостаточным — инертные газы Не, Ne, Аг, Кг, Хе, затем Li, Be, В, Sc, Ge, Se, Ra, Rh, Pd, Те, Re, Os, Ir, P t, Au.

6. В распространении элементов земной коры отчетливо высту­ пает значение четности как по величине порядкового номера Z, так и по значению массового числа ведущего изотопа. Как известно, эта зависимость была сформулирована как правило Гаркинса — Оддо: четный элемент в периодической системе более распространен, чем соседний нечетный. Однако эта зависимость среди элементов земной коры выражена менее резко, чем в метеоритном материале.

7. Среди изокточных элементов земной коры особенно преобладают те, доминирующий изотоп которых построен по типу 4п, например: 160 ,

139

24Mg, 28Si, 40Ca, seFe, 88Sr £0Zr, 120Sn, 138Ba, 208Pb. БольШинеГ60 из этих изотопов являются магическими. Вне значения магическ,1Х

пространения элементов в земной коре в общем повторяют заков0' мерности, установленные для космического вещества нашей Галак" тики. Однако имеются и некоторые отчетливо выраженные различивТак, по сравнению с каменными метеоритами, наиболее близкими Iю составу к Земле телами (в частности, эвкриты), в земной коре относи­ тельно больше О, Si, Al, Na, К и меньше S, Fe, Ni, Сг, Mg. В земной

N, Ne.

Отмеченные различия в составе земной коры и ближайших косми­ ческих тел солнечной системы связаны с разной их историей. В пе­ риод своего образования наша планета либо потеряла легкие газЫ> либо сформировалась из вещества, лишенного их значительных коли­ честв.

Земная кора — наиболее легкая оболочка твердого тела планетЫ, продукт дифференциации ее мантии с ведущим значением кислорода как главного аниона, способствующего концентрации наиболее типичных оксифильных (литофильных) элементов. Последнее глав­ ным образом и определило повышенную концентрацию в земной коре таких нечетных элементов, как Na, К, А1, по сравнению с мантией

иметеоритным веществом.

Вобщем, несколько перефразируя формулировку А. Ферсмана,

можно заключить, что в земной коре преобладают легкие элементы четных порядковых номеров, почти все без исключения составляю­ щие первые четыре периода системы Д . Менделеева, нерадиоактив­ ные и представленные изотопами, построенными преимущественно по типу 4п и реже по типу 4п + 3.

ФОРМЫ НАХОЖДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИЗОМОРФИЗМ

Поведение различных химических элементов в разных термодина­ мических условиях земной коры существенно зависит от формы их нахождения. Форма нахождения определяется состоянием атома дан­ ного элемента в природных растворах, включениях, кристалли­ ческой решетке минералов и т. д.

В. И. Вернадский выделил четыре формы нахождения химических элементов в земной коре: 1) горные породы и минералы, 2) магмы, 3) рассеяние и 4) живое вещество. Каждая из этих форм отличается особым состоянием их атомов.

140