книги / Основы геохимии

Дополнительно можно привести пример распада изоморфной сме­ си в оливинах. Оливины при высоких температурах обладают широ­ кими возможностями изоморфизма и насыщены примесями двухва­ лентных металлов Fe, Ni, Со, Мп, которые замещают Mg. В гиперген­ ных условиях эти элементы окисляются, меняют свою валентность на более высокую (а следовательно, меняют и свои ионные радиусы) и не дают совершенного изоморфизма с магнием.

Большое практическое значение имеет явление самоочистки пла­ тины от изоморфных примесей железа, меди и никеля во вторичных месторождениях.

Подводя итоги сказанному выше о зависимости изоморфизма от температуры, можно сделать следующий вывод: определенному ин­ тервалу температур соответствует определенная интенсивность изо­ морфизма. Разным температурам соответствует изоморфизм разной интенсивности. Из этого правила вытекает очень важное следствие: растворимость одного элемента (соединения) в другом является функ­ цией температуры. Следовательно, определив аналитическим путем количество изоморфной примеси в том или ином минерале, оказывает­ ся принципиально возможным определить температуру образования этого минерала. Совершенно очевидно, что использование изоморф­ ных смесей в качестве геологических термометров откроет широкие перспективы перед геологическими науками. Некоторые шаги в этом направлении были предприняты Бартом, Каллрудом и др. Т. Барт (1956) предложил определять температуры от 200 до 800°С по содержа­ нию натриевого компонента в сосуществующих ортоклазе и анортите.

Таким образом, зависимость изоморфизма от температуры можно представить себе в виде приспосабливаемое™ кристаллических по­ строек к новым термодинамическим условиям. При этом непрерывным изменениям свойств кристаллической постройки соответствует не­ прерывное изменение ее состава, происходящее в различных звеньях постройки на различных этапах с разной степенью интенсивности. На одних этапах одни звенья оказываются наименеее устойчивыми и подвергаются изоморфным замещениям, на других — другие. Ины­ ми словами, в кристаллических решетках при изменении термодина­ мических условий происходит дифференциальная приспосабливаемость элементов (звеньев постройки) к новым внешним условиям. В качест­ ве примера рассмотрим поведение амфиболов при метаморфизме.

Известно, что амфиболы при метаморфизме устойчивы в очень ши­ роком интервале температур и давлений: от низкотемпературной об­ ласти фации зеленых сланцев (актинолит) до амфиболитовой (обык­ новенная роговая обманка) и даже гранулитовой фации ( гастингсит). Весьма примечательно, что каждой метаморфической фации (т. е. определенному интервалу температур и давлений) присущи амфиболы определенного состава, т. е. амфиболы, претерпевшие в своей эво­ люции от актинолита до гастингсита определенные изоморфные за­ мещения. Дифференциальная приспособляемость кристаллических построек амфиболов проявляется в этом случае в том, что не все эле­ менты одновременно реагируют на смену термодинамических условий. Наибольшей стабильностью и перманентностью отличается гетерова­

151

152

ло и конец изоморфизма каждого из рассмотренных элементов схемати­ чески представлены в табл. 40.

Рассмотренный изоморфизм амфиболов при метаморфизме не явля­ ется исключительным примером дифференциального изоморфизма. Подобный изоморфизм происходит в биотитах, пироксенах и многих других минералах.

Роль давления как внешнего фактора изоморфизма еще оконча­ тельно не выяснена. Существующие точки зрения по этому поводу

153

левым (1965) был освещен один из аспектов этой проблемы и выве­ дена определенная закономерность: повышение давления способ­ ствует изоморфизму, при котором повышается координационное числоЭто положение’ хорошо аргументировано и базируется на большом фактическом материале.

В заключение следует упомянуть изоморфные ряды В. И. Вернад­ ского. Хотя со времени их создания прошло около 60 лет и наука за это время достигла больших успехов и некоторые из открытых за это шестидесятилетие новые факты частично не укладываются в пред­ ложенную Вернадским схему, тем не менее эмпирически выведенные изоморфные ряды до сих пор не утратили своего значения. Ряды В. И. Вернадского представляют собой обобщение по изоморфизму различных элементов в условиях коры выветривания, метаморфизма и магматических процессов (табл. 41).

МИНЕРАЛЫ В ЗЕМНОЙ КОРЕ

Рассматривая минералы как твердые химические соединения, образующие все известные типы горных пород земной коры, мы в первую очередь должны отметить их ограниченное число по сравнению с огромным количеством синтетических искусственных соединений, полученных в химических лабораториях. Минерал— главная форма нахождения элементов в земной коре и поэтому главные особенности минерального царства литосферы — число минералов, их количест­ венные соотношения и роль в фомировании горных пород — должны определяться глубокими геохимическими причинами, связанными с распространенностью элементов, их химическими свойствами и раз­ мерами их атомов и ионов.

Всего лишь три элементарные частицы (протон, нейтрон, электрон) составляют атомы химических элементов. В условиях Земли они соз­ дают 90 типов химических элементов и 340 изотопов, которые образу­ ют всего лишь 2000 минеральных видов. Последнее число свидетель­ ствует о резкой ограниченности известных минералов земной коры, оно представляет собой резкий контраст по сравнению с известным числом видов растений и животных, которых, несомненно, в несколь­ ко сот раз больше. Таким образом, перед нами выступает особая за­ кономерность неорганического минерального мира земной коры. Она определяется рядом причин, из которых три являются главными.

Во-первых, максимальной устойчивостью минералов как хими­ ческих систем в термодинамических условиях земной коры. При дан­ ных условиях в любом участке литосферы из всех возможных сочета­ ний атомов и ионов создаются только те, которые оптимально устой­ чивы.

Во-вторых, ограниченными возможностями самих термодинами­ ческих условий в земной коре (строго определенные границы темпе­ ратур и давлений). В этом, собственно, заключается коренное разли­ чие между результатами экспериментов в лаборатории и изучаемой природой земной коры. Экспериментальные возможности значительно

154

Согласно этим данным, только такие кислородсодержащие мине­ ралы, как кварц и силикаты, составляют 87% массы земной коры.

Однако среди большого количества известных силикатов и окис­ лов в земной коре резко повышенным распространением отличаются лишь очень немногие из них, относящиеся к так называемым породо­ образующим минералам, число которых ограничивается уже несколь­ кими десятками минеральных видов. Используя кларки элементов земной коры, можно рассчитать составляющие ее важнейшие минералы. Расчеты такого рода производились Г. Бергом и А. ^Ферсманом. Ре­ зультаты расчетов отражают количественный минералогический сос­ тав земной коры (табл. 42).

Т абли ц а 42 Средний минералогический состав земной коры (в массовых процентах)

*Пирит, халькопирит, апатит, гранат, титанит, циркон.

**Пирит, пиролюзит, гранат, апатит, циркон.

Между данными Берга и Ферсмана нет существенных расхожде­ ний, если не считать воды, которая в полной мере учтена у А. Ферсма­ на и совершенно не учтена у Г. Берга. За счет воды пропорции неко, торых минералов у Берга несколько завышены. Табл. 42 наглядно показывает, что подавляющая масса земной коры сложена немногим^ минералами, которые состоят из наиболее распространенных элемен­ тов литосферы — О, Si, Al, Fe, Са, Na, К, Mg. Эти элементы в разных

156

сочетаниях могут образовывать и действительно образуют свыше тысячи минеральных видов, но с преобладанием немногих силикатов и окислов по массе.

Резкое преобладание в земной коре минералов, состоящих из на­ иболее распространенных химических элементов, натолкнуло на мысль, что вообще существует определенная прямая зависимость меж­ ду кларками элементов и количеством минералов. Эта зависимость была изучена П. П. Пилипенко и представлена в виде таблицы, при­

Данные таблицы свидетельствуют в общем о прямой зависимости между атомными кларками элементов и числом минералов. Однако эта зависимость довольно часто и резко нарушается, особенно в области редких, преимущественно халькофильных, элементов. На­ пример, такой малораспространенный элемент, как мышьяк, образует 198 минеральных видов, медь—220, свинец— 199, в то время как не­ сравненно более распространенный барий дает всего лишь 71 мине­ ральный вид и еще более распространенный титан, по современным данным, — 76. Щелочной металл рубидий совершенно не образует никаких минеральных видов. Следовательно, общее число минераль­ ных видов в земной коре для данного элемента определяется не одной причиной, а целым рядом факторов. Главные из них мы уже отметили

вобщей форме.

А.С. Поваренных (1966), занимавшийся проблемой минерального вида, выделил следующие факторы, определяющие формирование минералов с данным химическим элементом:

1. Распространенность минералобразующих элементов в земной коре (это мы уже рассмотрели выше).

2. Кристаллохимические свойства минералобразующих химичес­ ких элементов.

3. Изоморфная «емкость» минеральных видов.

4. Разнообразие концентраций элементов и пределы температу­ ры и давления в различных минералобразующих процессах.

157

Т аб л и ц а 44

Систематика элементов по их количественной роли в составе минералов

(по А. С. Поваренных, 1972)

Число Характеристика элементов образуемых Перечень элементов*

минеральных

видов

• Цифры в скобках —число собственных минеральных видов.

158

5.Наличие линий «скрещивания» различных геохимических про­ цессов.

6.Устойчивость минеральных видов по отношению к изменяю­ щимся условиям внешней среды.

Основной причиной, определяющей склонность элемента к образо­ ванию минералов, является степень его кристаллохимической обособ­ ленности, которая заключается в отсутствии большого сходства с другими элементами по главным кристаллохимическим параметрам. Это приводит к тому, что такие сравнительно малораспространенные элементы, как Си, В, Be, Pb, As, Sb, Bi, Se, U, Ag, оказываются весь­ ма продуктивными в отношении минералообразования.

Взависимости от способности химических элементов входить в состав минералов или формировать собственные минеральные виды

А.С. Поваренных выделяет рассеянные (изоморфные) и видообразу­ ющие элементы. По степени участия в образовании минералов все хи­ мические элементы можно разделить на следующие группы:

1.Основные, являющиеся составными частями более половины минеральных видов.

2.Глазные, участвующие в составе не менее 10% общего числа минеральных видов.

3.Ведущие, входящие в состав большого числа минеральных ви­ дов (от 50 до 150).

4.Редкие, число собственных минеральных видов у которых выше 10, но не более 50.

5.Очень редкие, дающие меньше 10 собственных минеральных видов, большинство из которых — единичные находки в двух-трех точках земного шара.

Систематика всех химических элементов земной коры по их коли­ чественной роли в составе минералов в соответствии с выделенными выше признаками представлена в табл. 44. В ней учтено 2000 мине­ ральных вида.

Литература

Бе у с А. А. Геохимия литосферы. М., «Недра», 1972.

Ви н о г р а д о в А. П. Среднее содержание химических элементов в главных

Р о н о в А. Б., Я р о ш е в с к и й А. А. Химическое строение земной коры.— «Геохимия», 1967, №11.

Со б о л е в В. С. Введение в минералогию силикатов. Львов, Изд-во Львовск. ун-та, 1948.

R in g w o o d A. E. The principles governing trace element distribution during magmatic crystalisation. Geochimica et Cosmochimica Acta v. 7, 189, 242, 1955.

159

Г л а в а VI

ГИДРОСФЕРА

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОДЫ НА ЗЕМЛЕ И ЕЕ СВОЙСТВА

Вьщающаяся роль воды на нашей планете общеизвестна. Вся со­ вокупность природных вод у поверхности Земли образует водную ободочку, или гидросферу. Большую часть гидросферы составляет моря и океаны, меньшую часть — воды суши и подземные воды гор­ ных пород. Общая масса гидросферы оценивается внушительной циф­ рой — 1644 • 101Б т, тем не менее она составляет едва ли 0,025% общей массы Земли. Распределение водных масс в пределах гидросферы Земли по данным А. Полдерварта (1955) приведена в табл. 45.

Значение воды как мощного геологического агента и первостепен­ ного геохимического фактора миграции многих химических элементов в общем хорошо изучено. Оно в первую очередь связано с ее физико­ химическими свойствами. Решающее значение имеет способность воды находиться в пределах биосферы Земли в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном — и способность растворять в себе многие вещества. С геохимической точки зрения вода относится к химически активному веществу. Она соединяется со многими окисла­ ми металлов и неметаллов. Энергично взаимодействует с наиболее активными металлами и может вступать в реакции с многочисленными веществами. Наконец, с помощью только воды происходит обмен ве­ ществ между всеми живыми организмами и неорганическими, косными телами нашей планеты.

160