Связь кларка с геохимическим поведением элементов

5.2.Связь кларка с геохимическим поведением элементов

Величина кларка определяет геохимию элемента в земной коре по закону Гольдшмидта: геохимия элемента в земной коре определяется как его химическими свойствами, так и величиной его кларка. Например, элементы с одинаковыми кларками ведут себя в земной коре по-разному (Ga, Ni, Co, Sn, U), а с разными имеют сходство (S и Se, Cu и Sr).

Таблица 7

Атомные и массовые кларки элементов

Легкие элементы			Тяжелые элементы
Элемент	Массовый кларк	Атомный кларк	Элемент	Массовый кларк	Атомный кларк
O	47	58	U	2,5·10-4	2·10-5
Li	3,2·10-3	1,9·10-2	Au	4,3·10-7	5·10-8
Be	3,8·10-4	1,2·10-3	Ra	2·10-10	9·10-12

У легких элементов количество атомов большее при малой массе, у тяжелых – большие массы при малом количестве атомов. Близкие по химическим свойствам элементы резко различаются по кларкам: Na–2,50%; Rb–1,5·10^-2; Li–3,2·10^-3; Cs–3,7·10^-4%. Разные по свойствам элементы имеют близкие кларки: Mn–0,1 и Р–0,093; Rb–1,5·10^-2 и Cl–·10^-2. В земной коре преобладают легкие элементы до железа включительно. Доминируют элементы с четными номерами по атомной массе (86,43%) как наиболее устойчивые, и очень мало их с нечетными номерами (13,53%). Особенно большие кларки имеют те элементы, атомная масса которых делится на четыре: O, Mg, S, Ca и т.д. (рис. 6).

Среди атомов одного и того же элемента преобладают изотопы с массовым числом кратным четырем, например: ¹⁶О – 99,76%; ¹⁷О – 0,04; ¹⁸О – 0,2; ³²S – 95,01; ³³S – 0,75; ³⁴S – 4,22; ³⁶S – 0,02. Элементы с четными порядковыми номерами имеют большее число изотопов, чем с нечетными: № 50 Sn – 10 изотопов; № 9 F – 1 изотоп. В зависимости от генезиса элемента соотношение между изотопами в природе будет разным и отличаться атомная масса. Это используется в геологии как индикатор происхождения пород, например, атомная масса Pb 207,21, в урановых рудах – 206,1, в ториевых – 207,97. При этом химические свойства всех видов свинца одинаковые. Химический элемент устанавливают не по массе изотопа, а по совокупности атомов с одинаковым положительным зарядом ядра. Среди четных элементов, начиная с № 2 Не, наибольшим кларком обладает каждый шестой: №8 – О; №14 – Si; №20 – Ca; №26 – Fe; № 32 – Ge; № 38 – Sr и т.д. Аналогичное правило среди нечетных элементов, начиная с № 1 – Н: № 7 – N; № 13 – Al; № 19 – K; № 25 – Mg; № 31 – Ga; № 37 – Rb и т.д.

Редкие элементы мигрируют интенсивнее, чем близкие им по химическим свойствам более распространенные. Поэтому редкие анионы (CrO₄^2-, SeO₄^2-) соединяются с распространенными катионами (Ca, Mg, Fe) и наоборот. «Химическое» поведение элемента отличается от «геохимического». Например, S и Se сходны по химическим свойствам, а в геохимии отличаются: S – ведущий элемент многих процессов, образует руды, сульфиды, другие минеральные формы, для Se это нехарактерно.

Кларк влияет на способность элементов образовывать минералы. Число минеральных видов элемента уменьшается с уменьшением его кларка. Например, при величине кларка от 1 до 10 % элемент может образовывать до 239 соединений, при кларке 10^-5–10^-6% – всего до 23 минеральных видов. С уменьшением кларков отсутствуют условия для концентрации элементов, труднее достигаются произведение растворимости и выпадение самостоятельной фазы из расплава.

Способность элементов к минералообразованию (М) определяются отношением числа минералов (n) данного элемента к его кларку (К) в земной коре (табл. 8):

М=n / К

По Е.М. Квятковскому, элементы с большой способностью к минералообразованию называются минералофильными (Si, C, Fe, Bi, Te, Se, U, S), с малой – минералофобными (Mg, Ba, Ga, Rb, Sr, In, Tl, TR).

Таблица 8

Минералообразование элементов (по А.С. Поваренных)

Число минеральных видов ограничивает смещение обменных равновесий, подчиняющихся кристаллохимическим и термодинамическим законам, поэтому широко распространены одни и отсутствуют другие виды. Влияет изоморфизм, так как близость ионных радиусов при замещении не всегда образует изоморфные смеси в случае большого различия электроотрицательности (они не должны превышать разницы более 0,4). Например ионные радиусы Na и Cu почти одинаковые, но велико различие по ЭО: Na⁺ (r_o=95 пм, ЭО=0,9), Cu⁺ (r_o=96 пм, ЭО=1,9), т.е. разница между элементами по ЭО составляет 1,0. Однако пределы взаимной смесимости резко возрастают, если повышается температура и давление, что соответствует гипогенным условиям. Часть элементов не образует собственные минеральные виды и входят в кристаллы распространенных «идеальных изоморфных партнеров»: Rb→K; Hf→Zn, Re→Mo. Почти 1/3 всех стабильных элементов либо не образуют собственных минералов, либо образуют очень редкие минералы в специфических условиях (высокое давление и температура и др.): Ge, Ga, Sc, Ta, Nb, Cd, In, Tl, Y, платиноиды, редкие земли, т.е. чем тяжелее элемент, тем меньше его минеральных видов.

Некоторые космические системы имеют близкие спектры по атомным кларкам (рис. 7). У каменных метеоритов и Солнца кларки по большинству элементов сходны, за исключением резких различий по N, In, Re, B, C. Атомные кларки кислых пород Земли представлены в виде плавной ниспадающей кривой от водорода до палладия. Во всех трех геохимических системах атомные кларки совпадают по Si, Ti, отчасти V.