Первичная дифференциация элементов

3.2. Первичная дифференциация элементов

В табл. 6 приведено последовательное убывание 14 элементов из которых практически полностью построена Земля, доля других составляет лишь 0,1% от массы планеты. В других объектах Вселенной эти же элементы также ведущие, за исключением Н и Не на Солнце, хотя последовательность по содержанию несколько другая. Обычно Fe, Si, Mg являются лидерами, за ними следуют Ni, Na, Ca, Al. Ни один элемент с номером более 30 не появляется в объектах, за исключением Ва в литосфере. Основные различия валового состава Земли и литосферы в том, что Fe и Mg менее распространены в литосфере, нет среди ведущих Ni и S, но увеличена доля Al, Ca, Na. Это позволяет предположить, что дифференциация Земли привела к концентрации относительно легких и легкоплавких алюмосиликатов щелочных металлов на поверхности.

Первичная дифференциация элементов Земли представляется следующим образом. Если хондриты рассматривать как планетезимали, сохранившиеся со времен допланетной стадии существования Солнечной системы, то Земля образовалась в результате постепенного слипания твердых планетезималей, что подтверждается табл. 6. по сходству и расположению в них ведущих элементов. Хондритовые метеориты состоят из трех групп твердой фазы: металла в виде никелистого железа, что соответствует ядру Земли, сульфидов с преобладанием железа (состав мантии) и силикатов в виде оливина и пироксена (преобладают в литосфере). Другие элементы распределяются между этими группами в соответствии с их относительным сродством к металлу, сульфиду или силикату. Состав этих групп в метеоритах по существу определяется равновесием в системе Fe–Mg–Si–O–S, в которой кислорода больше, чем серы, но их вместе недостаточно, чтобы связать электроположительные элементы. Поскольку Fe имеет большую распространенность, чем Mg и Si, легче восстанавливается до металла и обладает большим сродством к сере, то система сводится к равновесию несмешивающихся фаз – железо-магниевого силиката, сульфида железа и свободного железа, а количество связанного Fe зависит от количества О и S. Распределение остальных электроположительных элементов контролируется реакциями типа:

М + Fe-силикат ↔ М-силикат + Fe;

М + Fe-сульфид ↔ М- сульфид + Fe;

т.е. соотношениями свободных энергий соответствующих силикатов и сульфидов со свободной энергией сульфида и силиката железа.

Железо присутствует во всех трех конденсированных фазах, где металлическая фаза богата свободными электронами, а в сульфидной – полуметаллическая или ковалентная связь. Поэтому менее электроположительные элементы концентрируются в металлической фазе, будучи вытесненными железом из ионных соединений. Сульфидная фаза концентрирует элементы, которые образуют существенно гомеополярные соединения с серой и неметаллами и неустойчивы в ионных соединениях в присутствии заметных количеств ионов неметаллов (главные элементы сульфидов). Из силикатной фазы железо вытесняется более электроположительными элементами.

Таким образом, распределение элементов в гравитационном поле Земли контролируется их сродством с основными охарактеризованными фазами. Это сродство, в сою очередь, контролируется строением электронных оболочек атомов. Например, уран и торий, хотя и имеют высокую плотность, сильно электроположительны и поэтому концентрируются в форме оксидов и силикатов. Золото и платина не имеют тенденции к образованию оксидов и силикатов, но легко образуют сплавы с железом, медью. Поэтому они концентрируются ближе к ядру Земли. Гравитация в этих случаях лишь косвенно контролирует положение трех твердых фаз (железо, сульфиды, силикаты). Распределение элементов по фазам зависит от химических потенциалов. В итоге, Земля состоит из железо-никелевого ядра, довольно однородной силикатно-сульфидной мантии и неоднородной силикатной литосферы.

Общая картина о строении и составе Земли будет неполной, если не рассмотреть дифференциацию элементов еще в трех геосферах: атмосфере, гидросфере и биосфере. Все эти сферы, имеющие важное геохимическое значение, составляют менее 0,03% всей массы Земли.

Атмосфера представляет собой газовое образование, создающее мощную самостоятельную оболочку вокруг поверхности литосферы. Формирование химического состава ее имеет свою геологическую историю. Поэтому современный состав атмосферы (N₂, O₂, H₂O, CO₂, инертные газы и другие газообразные соединения) коренным образом отличается от первоначальной метано-углекислой с обилием паров воды, что создавало высокий парниковый эффект. Восстановительная геохимическая обстановка сменилась на окислительную, что привело к формированию гидросферы (конденсация паров воды) и биосферы (появление живых организмов). Происходит постоянный газообмен между литосферой и атмосферой. Кислород окисляет восстановленные соединения и определяет миграцию элементов. Углекислый газ служит источником формирования карбонатных пород и выступает как катализатор многих геохимических процессов. В целом атмосфера активно участвует в геохимических циклах химических элементов.

Гидросфера – прерывистая водная оболочка на поверхности литосферы с пресной или соленой водой рек, озер, морей и океанов. Она активно участвует в двух противоположных процессах: в гидролизе по выщелачиванию элементов и трансформации исходных изверженных пород; в переносе и аккумуляции на дне водоемов отмершего органического вещества и минеральных соединений и засолении литосферы.

Вода выступает мощным геохимическим фактором по распределению, концентрации и рассеиванию химических элементов в пределах атмосферы, литосферы, мантии и ядра. Состав гидросферы по преимуществу гидрокарбонатно-кальциевый для рек и некоторых озер на платформах и хлоридно-натриевый повышенной минерализации в озерах аридной зоны, морях и океанах, в гидротермальных условиях и подземных водах.

В дальнейшем геохимия этих геосфер будет рассмотрена более детально.