Глава 2. Закон кларка-вернадского. Закономерности распределения химических элементов в оболочках Земли

Закон Кларка-Вернадского. Каждая планета с момента зарождения получила в свое распоряжение примерно одинаковый набор химических элементов. Под действием космогенных, эндогенных, экзогенных и других процессов происходит перераспределение химического вещества, поэтому каждая планета несмотря на общность первичной материальной основы обладает своеобразными химическими особенностями. Они фиксируются прежде всего в определенном элементном и минеральном составе оболочек планет – в их твердой, жидкой и газовой составляющих. Такое явление оказалось характерным и для Земли. Американский ученый Р. Кларк и российский – В.И. Вернадский независимо друг от друга рассчитали среднее содержание химических элементов в верхней части земной коры до глубины 16 км. Академик А.Е. Ферсман предложил эти значения называть кларками в честь одного из первооткрывателей главного геохимического закона Земли, а сам закон получил название по фамилиям его основоположников Кларка-Вернадского. Основные его принципы отражены в следующих положениях:

1) На атомарном уровне химические элементы распространены повсеместно. Современные методы химического анализа пока не позволяют подтвердить этот факт. Их чувствительности пока не хватает для определения присутствия многих химических элементов.

2) В природе происходят никогда не прерывающиеся процессы рассеяния и концентрирования вещества. Первый из них ведет к образованию ореолов и потоков рассеяния, в результате которых происходит разрушение месторождений полезных ископаемых, уменьшение содержания химических элементов по сравнению с первоначальным. Второй процесс ведет к локализации вещества, его аккумуляции и, как следствие, образованию месторождений полезных ископаемых.

3) Перераспределение химических элементов, которое происходило непрерывно на протяжении всей истории нашей планеты, привело к тому, что каждая оболочка Земли (литосфера, атмосфера, биосфера, гидросфера) характеризуется свойственным только ей средним содержанием этих элементов и соответствующими значениями их кларков.

Одной из целей геохимических исследований является выявление геохимических аномалий. Они могут быть положительными, если обнаруженная в изучаемом районе концентрация вещества превышает его кларк, или отрицательными, если обнаруженная концентрация вещества меньше его кларка. В первом случае можно говорить об аккумуляции (накоплении) вещества, во втором – о его разубоживании (рассеянии). Для проведения таких сравнений используется показатель, который называется кларком концентрации (КК):

, где:

С_i - обнаруженная концентрация вещества в пробе;

С_к - кларковая концентрация.

Для разбраковки ореолов и потоков рассеяния используют обычно другой показатель-коэффициент концентрации (К_к). Запись формулы такова:

, где С_ф – фоновая концентрация элемента.

Для расчета фоновой концентрации элемента проводится статистическая обработка материалов исследований. По изучаемому объекту (участку, минерализованной зоне) должно быть получено не менее 25-30 проб. Эти данные наносятся на график логнормальной зависимости (рис.1), с помощью которого и определяются фоновые концентрации элемента.

По аналогии с формой записи химического анализа воды, принятой в гидрогеологии и предложенной М.Г. Курловым, в геохимии разработана своя форма записи степени контрастности и состава ореолов рассеяния. Она предложена Е.М. Квятковским и выглядит следующим образом: в начале пишется аббревиатура коэффициента контрастности (К_к). Далее пишется цифра, характеризующая его величину для изучаемого объекта. Затем записывается дробь: числитель – индексы компонентов, составляющие 25 и более процентов от величины К_к. В знаменателе – индексы компонентов, составляющие 25-5 % от величины К_к.. А за дробью фиксируются компоненты, которые в сумме К_к имеют менее 5 %, но обладают собственным К_к более 1. Приведем пример такой записи:

Из приведенной выше записи видно, что контрастность ореола весьма высока (50), а его состав преимущественно свинцово-цинковый. Важную роль в его составе играют также олово и медь и отмечается присутствие молибдена и мышьяка.

Распределение химических элементов в оболочках Земли. Переходим к геохимической характеристике главных оболочек Земли.

Литосфера. Элементный состав земной коры приведен во многих научных работах и справочных руководствах. Его количественные оценки, опубликованные в разных источниках, мало отличаются друг от друга. Наблюдаемые различия в значениях кларков элементов связаны с разной расчетной глубиной литосферы или разной формой выражения химического анализа (весовой, атомной или объемных %). Необходимые сведения о распределении химических элементов в верхней части земной коры приведены в таблице 1.

Таблица1

Кларки элементов в литосфере (по А.П. Виноградову, 1960) в весовых %

Как следует из рассмотрения таблицы, распределение химических элементов неравномерно. Первые три наиболее распространенных элемента литосферы – кислород, кремний, алюминий составляют 84,55 % от ее веса. Первые девять элементов из этого перечня дают по весу уже 98,69 %, а первые двенадцать – 99,54 %. Наиболее широко распространенные элементы относятся к началу периодической таблицы Д.И. Менделеева. С удалением от ее начала кларки элементов уменьшаются. Обратим особое внимание на выдающуюся роль атомов кислорода, который составляет 53,8 % от количества атомов земной коры. Кислородные соединения литосферы (силикаты и алюмосиликаты) образуют более 98 % ее объема.

Атмосфера. Внешняя оболочка Земли называется наземной атмосферой. Благодаря газообразному состоянию атомы атмосферы находятся в непрерывном и интенсивном взаимодействии с атомами других оболочек Земли. Вес атмосферы равен 5 ∙ 10¹⁵ тонн или 0,05 % от веса земной коры. Нижняя часть атмосферы примерно до высоты 7-18 км называется тропосферой. Ее состав за вычетом паров воды следующий:

В эволюции состава атмосферного воздуха выделяются следующие этапы его изменения: 1) Изменение восстановительной обстановки на окислительную. Эти процессы произошли в протерозое; 2) Образование озонового слоя примерно 0,7 млрд лет тому назад, который позволил перейти живым организмам из моря на сушу; 3) Поглощение растительным покровом углекислоты, образование свободного кислорода обеспечили такое соотношение кислорода и углекислого газа, благодаря которому возникли многие проявления жизни на планете; 4) Испарение воды с водной поверхности приводит к образованию атмосферных осадков, которые являются основным источником питания подземных вод. Этим питанием объясняется образование зоны пресных вод.

На современное состояние и состав атмосферы оказывают наибольшее влияние вулканическая деятельность и техногенные процессы. Интенсивные извержения вулканов, происходившие несколько миллионов лет тому назад, оказались главной причиной четвертичного оледенения. Новые оледенения, связанные с проявлением современного вулканизма, наблюдались и в последнее тысячелетие. Деятельность человека стала также оказывать влияние на климат (состояние и состав атмосферы) в связи с испытанием ядерного оружия, массовыми выбросами промышленных газов, добычей и сжиганием нефти и газа, ростом мегаполисов, вырубкой лесов, сельскохозяйственным земледелием, разработкой полезных ископаемых, промышленным и гражданским строительством. В результате преимущественно этих действий человека увеличилась среднегодовая температура воздуха на планете за последние сто лет на 0,4 ^оС, возросло содержание углекислого газа на 0,01 %, увеличилась площадь опустынивания земель, обусловленная аридизацией климата в одних районах; в других районах наблюдается значительный рост количества катастрофических явлений, связанный с движением воздушно-водяных масс (ураганами, смерчами, наводнениями и другими событиями). Ежегодно в воздушное пространство планеты выбрасываются сотни тысяч тонн пыли, в которых значительное место занимают ядовитые вещества, металлы, радиоактивные образования и др. Все это приводит к проявлению парникового эффекта и ухудшению климата на нашей планете.

Наряду с наземной атмосферой существует подземная ее составляющая. В верхней части земной коры между поверхностью зоны насыщения (а это обычно грунтовые воды) и поверхностью Земли расположена зона аэрации. В пустотном пространстве этой зоны превалируют преимущественно газы воздушного происхождения. В зоне насыщения с глубиной их роль постепенно уменьшается, и главное значение приобретают газы биогенного, метаморфогенного, магматогенного и другого происхождения. Благодаря этому в верхней части разреза создается окислительная обстановка, а главными газами являются азот, кислород и углекислый газ. С глубиной окислительная обстановка сменяется восстановительной, в которой главными газами являются азот, метан, сероводород, углекислый газ, водород и др.

Наземная гидросфера. Ее основу образует Мировой океан, площадь которого превышает 360 млн км², а средняя глубина равна 3,7 км. Общий объем воды в нем достигает 1,37 ∙ 10⁹ км³. В таблице 2 приведены сведения о кларках элементов в Мировом океане.

Таблица 2