Кристаллическое вещество земной коры

В.И. Вернадский указывал, что минералогия представляет собой химию земной коры. Строгие законы кристаллохимии определяют состав и строение минералов, слагающих земную кору. Минералы состоят в основном из ограниченного числа химических элементов, но это не означает простоту их кристаллохимической структуры.

В ионной структуре положительно заряженный атом окружен отрицательно заряженными. Число ионов, приходящееся на противоположно заряженный ион, называется его координационным числом.

Представим себе сферы действия ионов в виде твердых шаров, размеры которых пропорциональны ионным радиусам. С этими шарами мы можем моделировать различные кристаллохимические структуры. Условие моделирования следующее: шары-ионы должны прочно примыкать друг к другу, это необходимое условие устойчивости структуры. Должна выглядеть как каменная стена, где каждый камень прочно поддерживает соседние.

Три соприкасающихся шара составляют внутри меньшее пространство, чем четыре или шесть. (рис.)

Поэтому, если радиус катиона значительно меньше радиуса аниона, то координационное число будет 4, а если отличие радиусов не такое резкое, то могут возникнуть группировки с координационными числами 6 и 8.

Возможность вхождения элемента в ионную структуру определяется размером радиусов его ионов. Но вместе с тем структура д.б. уравновешена отношением положительных и отрицательных зарядов, т.е. валентностями.

Поэтому для понимания закономерностей геохимии земной коры имеет значение:

1. 
   размер радиуса ионов,
   
2. 
   заряд (валентность) ионов.
   

Силикаты составляют около 80 % массы земной коры. А если к этому классу прибавить кварц (SiO₂), то можно сказать, что кремнекислородные соединения образуют примерно 92 % земной коры по массе и практически полностью слагают ее объем.

Кристаллические структуры силикатов многообразны, но основу составляют комбинации самых распространенных ионов – кремния и кислорода. По данным советского кристаллохимика Белова, радиус О – 0,136 нм, радиус Si – 0, 039 нм, и число координационное кремния равно 4. Таким образом каждый ион кремния находится в окружении 4 ионов кислорода. Если соединить центры ионов кислорода, то образуется фигура тетраэдра. И называют ее кремнекислородный тетраэдр.

Заряд иона кремния +4, сумма зарядов четырех двухвалентных ионов кислорода -8. Четыре отрицательные валентности кремнекислородного тетраэдра тем или иным способом уравновесятся, прежде всего за счет дополнительных катионов. Так образуется островной тип силикатов.

Кристаллическое вещество в земной коре в любой точке содержит ограниченное число минералов, которые, состоят из немногочисленных элементов. Например, гранит, 99% его массы составляют 8 элементов: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg. Элементы образуют минералы, слагающие гранит – кварц, полевые шпаты, слюды и роговая обманка. Но если провести точный анализ при помощи высокочувствительных приборов обнаружится, что в граните присутствует еще Ti, P, Mn, S, F, Cl, Ba, Li, Cr, V, Ni, Cu, Zn и другие элементы, составляющие в сумме меньше 1 %. Некоторые из них образуют самостоятельные минералы. Правда, эти минералы присутствуют в столь незначительных количествах, что не влияют на состав гранита. Их называют акцессорные минералы или минералы-примеси. Значительная часть малораспространенных элементов входит в кристаллохимические структуры породообразующих минералов в виде изоморфной примеси. В таком состоянии в полевых шпатах находится барий и стронций, а в слюдах литий. (изоморфизм - способность элементов замещать друг друга в кристаллических структурах, не нарушая их строение). Однако при анализах породообразующих минералов встречаются и такие, которые по законам изоморфизма не должны быть в этих минералах, а они присутствуют. Например, содержание свинца и цинка в минералах, слагающих гранит.

При достаточно большой концентрации атомы образуют кристаллохимические структуры со строго упорядоченным расположением. При очень низкой концентрации химического элемента его атомы не могут образовывать самостоятельные соединения. Если размер радиусов этих атомов соответствует имеющимся кристаллохимическим структурам, то атомы могут в них войти по законам изоморфизма. Если же такого соответствия нет, атомы остаются в твердом кристаллическом веществе в неупорядоченном рассеянном состоянии.

Разные состояния атомов в твердом веществе земной коры Вернадский назвал формами нахождения элементов. Кристаллическое и рассеянное состояния являются двумя важнейшими формами нахождения атомов в земной коре. Преобладание той или другой формы зависит от Кларка элемента.

Концентрация – процесс прямо противоположный рассеянию. Способность концентрироваться в земной коре – важнейшее свойство элементов.

Каких атомов малораспространенных химических элементов больше: находящихся в упорядоченном или рассеянном состоянии?

Зная Кларки химических элементов в земной коре можно рассчитать количество металлов, находящихся в состоянии рассеяния. Производя расчеты ученые обнаружили, что только в верхней части земной коры в пределах континентов содержаться такие количества металлов, по сравнению с которыми в месторождениях руд имеются всего лишь тысячные доли процента. Вывод: основная масса металлов в земной коре находится в состоянии рассеяния.

В результате рассеяния и концентрации химические элементы распределены в земной коре неравномерно. Вы хорошо знаете, что при образовании горных пород из магмы происходит сортировка главных элементов, а также тех, которые могут войти в кристаллическое вещество в виде изоморфных примесей. Этот процесс характерен и для элементов, находящихся в состоянии рассеяния.

Многочисленные геохимические исследования показали, что магматические горные породы одного и того же состава содержат неодинаковое количество рассеянных элементов. На Кольском полуострове обнаружено, что в горных породах, содержащих медно-никелевые руды, рассеянных никеля и меди вдвое больше, чем в таких же породах, где этой руды нет. Чтобы количественно оценить неоднородность распределения химических элементов в земной коре, Вернадский ввел особую геохимическую величину – кларк концентрации. Эта величина показывает степень отклонения содержания химического элемента от его Кларка.

Кк = А/К, где А – содержание химического элемента в горной породе, руде и т.д., К – Кларк элемента в земной коре. Если Кларк концентрации больше 1 – повышенное содержание элемента, меньше 1 – среднее значение ниже его среднего значения.

В результате многочисленных исследований геохимиков и геологов установлено, что существуют территории, различающиеся уровнем содержания металлов и составом руд. Такие территории называют геохимическими провинциями. Например, для кристаллических горных пород Уральской геохимической провинции характерно повышенное содержание меди, хрома, никеля, кобальта, титана и некоторых других элементов. В пределах провинций имеются различные типы горных пород, которые также различаются содержанием рассеянных элементов. Это так называемый геохимический фон.

Приблизительно 50 % всей массы атмосферы сосредоточено в нижнем 5-км ее слое, 75% - в 10-ти км. и 90 % - в 16-км. Выше 3000 км плотность атмосферы уже мало отличается от плотности межпланетного пространства. Чистый и сухой воздух на уровне моря представляет собой механическую смесь нескольких газов: азот – 78,09%, кислород – 20,95 %, аргон (Ar) – 0,93%, углекислый газ – 0,03 %. Содержание остальных газов: неона, гелия, метана, ксенона, водорода, озона – ничтожно мало (менее 0,1%). Соотношение между главными составными частями атмосферы – азотом и кислородом – постоянно.

До высоты 100-120 км вследствие полного перемешивания воздуха состав атмосферы однороден. Этот слой называют гомосферой. Следующий слой гетеросфера. Состав ее меняется: до высоты 200-250 км преобладают азот и кислород, от 200-250 км до 500-700 км – атомарный кислород, выше гелий и водород.

Количество важных составляющих атмосферы – водяной пар, озон, углекислый газ изменяются во времени и в пространстве в широких пределах. Особенно заметны изменения в содержании водяного пара, зависящие от температуры воздуха. В полярных районах приземный воздух содержит всего 0,2 % влаги, в экваториальных – около 3%. Чем больше в воздухе водяного пара, тем меньше других газов. С высотой количество водяного пара убывает: на высоте около 2 км в 2 раза, на высоте 8 км в 100 раз, выше 10 км воздух содержит очень мало водяного пара.

В слое атмосферы от поверхности Земли до 70 км присутствует озон (О₃) – трехатомный кислород, возникающий в результате расщепления молекул обычного кислорода и перераспределения его атомов. В нижних слоя атмосферы озон появляется под влиянием случайных факторов (грозовые разряды, окисление некоторых органических веществ), в более высоких слоях образуется под воздействием ультрафиолетовой радиации Солнца, которую поглощает. Максимальная концентрация озона – на высоте 22-25 км. Здесь располагается озоновый экран «фильтр» поглощающий ультрафиолетовую радиацию, губительную для животных и растений. Содержание озона в воздухе меняется по сезонам: весной увеличивается, осенью и зимой уменьшается.

Углекислого газа в атмосфере значительно меньше. Чем водяного пара и озона. Сжигание угля, нефти, газа и другие процессы вызванные деятельностью людей, приводят к заметному увеличению количества этого газа в атмосфере.

Кроме газообразных составных частей в атмосфере всегда находятся во взвешенном состоянии мельчайшие частицы различного происхождения – аэрозольные примеси. С подстилающей поверхности в атмосферу попадают частицы почвы, продукты выветривания горных пород, вулканическая пыль, дым, органические частицы (микроорганизмы, пыльца растений). При атомных взрывах появляются аэрозольные частицы, содержащие радиоактивные вещества. Из межпланетного пространства в земную атмосферу попадают космическая пыль.

По характеру изменения температуры атмосферу делят на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Тропосфера содержит более 80 % массы атмосферы.

Средний химический состав тропосферы: азот – 75,51 %, кислород – 23,01%, аргон (Ar)– 1,28%, углек. газ – 0,04 %, неон (Ne) – 0,0012%, криптон (Kr) – 0,0003 %, ксенона (Хe) – 0,00004 %. Кроме этого, в тропосфере, особенно в нижних слоях, присутствуют в незначительных количествах пары воды, жидкая и твердая вода в виде капель дождя и кристаллов снега, земная и космическая пыль, озон, аммиак, окислы азота, водород, различные органические летучие вещества, выделяемые растениями (фитонциды) и др.

Хотя число находящихся в атмосфере элементов сравнительно невелико, роль ее в геохимии ландшафта огромна. Она содержит свободный кислород и углерод. Не менее важны водород и кислород, связанные в воде, составляющей главную по весу часть тела почти всех организмов и являющейся основной средой, в которой протекают химические реакции в ландшафте. Через атмосферу в ландшафт поступает солнечное излучение – основная энергия, обуславливающая миграцию химических элементов на

Обыкновенная вода – химическое соединение, замечательное во многих отношениях. Именно вода обуславливает движение значительных масс химических элементов на поверхности Земли. Переход атомов и ионов из твердого кристаллического вещества в водный раствор и дальнейшее перемещение раствора является одним из основных видов миграции химических элементов в зоне выветривания.

Все природные воды без исключения являются растворами. Известны законы, по которым можно точно определить, когда химический элемент в виде иона будет находиться в растворе, а когда образует нерастворимое соединение и выпадет в осадок. Но эти законы не объясняют механизма перемещения некоторых отдельных атомов и ионов из твердого вещества в раствор. Для этого нужно оценить роль воды на молекулярном уровне.

Вода – соединение водорода и кислорода. Для всех элементов главной подгруппы VI группы периодической таблицы Менделеева соединения с водородом отвечают формуле Н₂R, где вместо R можно подставить кислород, серу, селен, теллур. Но среди них вода резко выделяется своими свойствами. Если нанести температуры плавления всех соединений этой подгруппы на график, то можно увидеть, что точки плавления будут закономерно понижаться с уменьшением порядкового номера элементов от Н₂Те до Н₂S.

Формула воды проста, но строение ее молекулы совсем не простое. Кислород двухвалентен. Для завершения внешнего слоя ему не хватает двух электронов. Два атома водорода вносят по одному электрону. Связь, основанная на совместном использовании электронов – ковалентная связь, используется в природе очень широко Н -------- О --------- Н

Атом водорода имеет очень небольшой радиус, значительно меньший, чем у всех других химических элементов. Поэтому соседняя молекула воды может подойти настолько близко к этому атому, что начнут проявляться силы взаимодействия. Кислород сильно электроотрицательный элемент, а ион водорода заряжен положительно, то он взаимодействует с другой парой электронов кислорода. Такая связь получила название водородной, которая намного слабее ковалентной. О и Н связанные водородной связью, располагаются на расстоянии почти в два раза больше, чем внутри молекулы воды. Водородная связь придает жидкой воде определенную структуру, характерную для кристаллических веществ. Каждая молекула воды связана водородной связью с четырьмя соседними. Такие группировки образуют общую структуру. Не все молекулы входят в общий каркас, некоторые располагаются в его пустотах. Водородная связь может образоваться только с сильно электроотрицательным элементом. Поэтому из элементов главной подгруппы 4 группы водородная связь может образовываться только с кислородом.

Со структурными особенностями воды связана ее способность образовывать ионные растворы. Переход иона в раствор зависит от силы его взаимодействия с молекулами воды. Если эти силы больше сил, удерживающих ион на поверхности твердого вещества, то он открывается и поступает в раствор. В воде два равные, но противоположно заряженные ионы в 80 раз слабее притягиваются, чем в воздухе. Сила взаимодействия молекул воды с ионами минеральных частиц увеличивается с ростом удельной их поверхности. Когда размер твердых частиц минералов достигает 0,001 мм и меньше, сила воздействия молекул воды превышает силу связи между ионами и кристаллическая структура минералов разрушается. Таким образом, в воде растворяются самые устойчивые глубинные минералы, например кварц. Твердые минералы, обладающие особо высокой устойчивостью в крупных обломках, при измельчении до определенного размера оказываются неустойчивыми.

Оценивая значение воды Вернадский писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геохимических процессов».
ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛАНДШАФТАХ

Миграция элемента определяется:

1. 
   химическими свойствами,
   
2. 
   величиной Кларка
   

Кларк концентрации (Кк) – это соотношение содержания элемента в изучаемой системе к его Кларку в литосфере А/К. Зная Кларк элемента и максимальное значение Кк, можно установить те пределы, в которых данный элемент будет встречаться в ландшафте. Если Кк меньше 1, то для получения большей контрастности вычисляют обратные величины – Кларки рассеяния (Кр) – отношение Кларка элемента в литосфере к его содержанию в данном объекте (К/А).

Cl – одновалентен, образует всего 97 минералов.

Разнообразие миграции зависит от Кларка: из двух химически сходных элементов миграция менее разнообразна у элемента с меньшим Кларком.

О разнообразии миграции можно судить по числу минералов у элементов с близкими Кларками. Например, Кларки Мо, Тi и Hf в литосфере почти одинаковы, а число минералов различно – 15, 5, 0. Соответственно, Мо мигрирует более разнообразно, менее разнообразно мигрирует титан и гафний практически не мигрирует.

1. 
   механическая – подчиняется законам механики, зависит преимущественно от величины частиц минералов и пород, их плотности, скорости движения вод, ветра. При таком виде миграции химические свойства элементов часто не имеют значения, (например, такие различные элементы, как K, Si, Al, входя в состав переносимой ветром песчинки ортоклаза мигрируют с одинаковой скоростью.
   
2. 
   физико-химическая – определяется законами физики и химии – диффузией, растворением, осаждением, сорбцией и т.д.
   
3. 
   биогенная – связана с деятельностью организмов,
   
4. 
   техногенная – связана с общественными процессами и определяется социальными закономерностями.
   

1. абиогенные ландшафты – характерна только механическая и физико-химическая миграция.

2. биогенные ландшафты с ведущим значением биогенной миграции и подчиненной ролью физико-химических и механических процессов.

3. техногенные (антропогенные), культурные ландшафты, своеобразие которых определяется техногенной миграцией, социальными процессами, хотя в них развиваются и все остальные виды миграции.

Пример, в дельтах, зона смешения пресных речных вод и соленых морских представляет собой макробарьер шириной в сотни и тысячи метров.

К мезобарьерам относятся краевые зоны болот, где накапливаются многие элементы, выщелоченные из почв водоразделов и склонов.

Ортзанды в почвах мощностью в несколько см и мм относятся к микробарьерам.

На геохимических барьерах образуются руды большинства месторождений, различные геохимические аномалии, приводящие к загрязнению окружающей среды.

При совмещении в одном месте различных геохимических процессов формируются комплексные барьеры, образующиеся в результате наложения двух или нескольких взаимосвязанных геохимических процессов.

При движении различных элементов к барьеру с разных сторон формируются двусторонние барьеры.

Геохимические дыры – понятие противоположное геохимическому барьеру. Связано с зонами, в которых на коротком расстоянии резко изменяются гидрогеохимические условия, усиливается подвижность элементов вплоть до их исчезновения в зоне «дыры».

Пример: техногенная резковосстановительная газовая геохимическая дыра, возникшая в кислородных подземных водах на участке их загрязнения органическими соединениями. В результате возникает восстановительная среда, развиваются анаэробные бактерии, разлагающие растворенные соединения и продуцирующие метан, углекислый газ , водород, сероводород, окислы азота и др. газы. Таким образом, вещества в твердом и жидком состоянии превращаются в газы, мигрирующие из водоносного горизонта.

МЕХАНИЧЕСКАЯ МИГРАЦИЯ

Механическая миграция обусловлена работой рек, ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и др. факторов. Характерной чертой механической дифференциации пород и минералов является раздробление горных пород и минералов, ведущее к увеличению их дисперсности, развитию сорбции и других поверхностных явлений.

В результате механической миграции образуются делювий, пролювий, аллювий, морена и др. отложения. Процессы, основными агентами которых служат сила тяжести, текучая вода, ветер, лед, подчиняются законам механики и не зависят непосредственно от химических свойств элементов, основное значение приобретает величина, плотность и форма частиц (частицы близкого размера и близкой плотности осаждаются вместе).

Чем дальше участок от вершины склона, чем меньше его крутизна, тем более тонкий материал накапливается на склоне. Поэтому в горных и холмистых районах, сложенных скальными породами, в верхней части склона накапливаются более грубые, а в нижних – более тонкие по гранулометрическому составу делювиальные осадки.

В речных долинах русловые отложения часто представлены галечниками, гравийниками, песками, а пойменные – суглинками и глинами. Данные процессы называются механической дифференциаций. Они приводят и к изменению и химического состава отложений, т.к. глинистые фракции почв и пород по сравнению с песчаными обычно содержат больше Fe, Al, Mn, Mg, K, V, Cr, Ni, Co, Cu и меньше SiO². Это объясняется тем, что при выветривании соединения Fe, Al, Mg, K участвуют в образовании глинистых минералов, которые сорбируют V, Cr, Ni, Co, Cu и др. элементы.

В местах резкого уменьшения скорости механической миграции возникают механические барьеры, на которых концентрируются различные минералы. Примерами которых могут служить золотые, платиновые, оловянные, алмазные, титановые и прочие россыпи.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МИГРАЦИЯ

Физико-химическая миграция осуществляется путем диффузии, конвекции или их сочетаний (конвективной диффузии). Диффузия – это самопроизвольный и необратимый перенос вещества, приводящий к установлению равновесных концентраций в результате беспорядочного движения атомов, ионов, молекул и коллоидных частиц. Процесс ведет к уменьшению разнообразия, дифференциации и не требует затраты энергии извне. Но, также диффузия возможна и при действии внешних факторов, создающих градиенты температуры, давления, электрического потенциала. Скорость диффузии растет с температурой. Диффузия имеет место в застойных или очень мало подвижных водах (болотные и иловые воды). Диффузионные процессы особенно характерны для глин, они нередко приводят к их обессоливанию (диффузное выщелачивание), при этом ионы мигрируют с различной скоростью (например, хлориды диффундируют быстрее сульфатов).

Конвекция – это миграция массовых потоков газа или жидкости. При этом в отличие от диффузии мигрируют не только растворенные частицы (атомы, ионы, молекулы и т.д.), но и сам растворитель. В пористой среде конвекция называется фильтрацией, которая значительно быстрее диффузии и особенно характерна для ландшафтов; скорость фильтрации зависит от многих факторов и сильно колеблется. При фильтрации воды взаимодействуют с почвами и породами, в которых развиваются явления выщелачивания, сорбции, ионного обмена, осаждения элементов на геохимических барьерах.