Химический состав земной коры

А.Е. Ферсман

Смотрите также:

Ферсман. Рассказы о самоцветах

ФЕРСМАН. ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ МИНЕРАЛОГИЯ

Ферсман. Путешествия за камнем

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Ферсман. Геохимия - химия земли

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

Связь распределения химических элементов с периодическою системою и строением атома

Одновременно с геохимическим изучением распространения элементов на земле намечались попытки дать и объяснения этому явлению с точки зрения теории строения атома или эволюции элементов.

В этом направлении мы можем совершенно определенно наметить три основных течения. Первое намечало чисто формальную связь распределения с Менделеевской системой и зависимость тех или иных геохимических проблем от таблицы Менделеева. Второе течение, возникшее лишь в самые последние годы, намечало связь распределения элементов со строением атома (Harkins, Meitner и др.). Наконец третье — пыталось построить общую картину происхождения элементов, связывая их в генетическую цепь рядом чисто спекулятивных,, иногда весьма интересных, идей (Crookes, Морозов, С. Schmidt и др.).

Последний путь, как не опирающийся непосредственно на факты, я пока оставляю без внимания и остановлюсь лишь на первых двух.

Распределение элементов и периодическая система

§ 30. Связь с Менделеевской таблицей намечалась лишь постепенно , одновременно с расширением наших понятий о природе атомов и элементов.

Первым сам Clarke в 1890 г. уже подметал ряд законностей в количественном составе земной коры, причем, указывая на несомненную связь распространенности с атомными весами и на редкость элементов более тяжелых, чем железо, указал, правда в весьма осторожной форме, на возможность зависимости этого явления от генетического ряда образования атомов, но не пытался тогда связывать свои подсчеты с Менделеевской системой (46). Только в 1902 г. Акроид в весьма любопытной заметке обратил внимание на некоторые законности в распределении элементов, особенно если их рассматривать по отдельным вертикальным группам Менделеевской таблицы, и расчислил все элементы на абсолютное число атомов (аналогично принятому мною в 1912 г. методу). Основываясь на идеях К руке а и Л о к а й е р а, он, с одной стороны, связывает распространение элементов с их формированием из первичного протила, с другой,— отмечает, что самые легкие атомы как раз отсутствуют или значительно уступают атомам с более высокими атомными весами, благодаря чему в каждой группе Менделеевской таблицы распространенность элемента не вполне отвечает повышению атомных весов. Объяснение недостатка более легких элементов он связывает с тем, что они должны преобладать на других, более легких космических телах (и планетах). Он думает, что формирование тяжелых атомов, преобладавшее раньше, позднее сменилось возникновением более легких элементов.

Подмеченная Акроидом связь с вертикальными группами была более определенно выявлена Wad dels'ом, который в 1914 г. отметил, что в каждой вертикальной группе Менделеевской таблицы распространенность элемента сначала повышается с увеличением атомного веса, а затем быстро падает.

Еще гораздо раньше в 1884 г. СагпеИеу подметил ряд любопытных законностей между распространением элементов и их положением в Менделеевской таблице. В сущности он впервые подметил те соотношения, которые у меня и у Вашингтона (см. ниже) вылились в форму совершенного разделения элементов на несколько групп. Cam el ley обратил внимание на особенности четных и нечетных малых периодов (см. таблицу элементов XXX по Ферсману1921 г.) и установил, что элементы нечетных рядов по большей части легко восстанавливаются, встречаются в самородном виде или образуют устойчивые соединения с S или другими металлоидами тоже нечетного ряда. Наоборот, элементы четных периодов в самородном состоянии встречаются очень редко и обычно образуют устойчивые окислы (48).

Постепенно из этих работ вытекало стремление более глубоко связать таблицу Менделеева с проблемами геохимического характера. На помощь на этом пути пришли, с одной стороны, те работы (Oddо, Harkins'a, Meitner, Вернадского), которые пытались связать распространение с рядом своеобразных черт строения ядра, с другой — работы чисто геохимического характера, в которых намечались законности наблюдательного характера. К последним принадлежат прежде всего работы Вашингтона и мои, и на них я остановлю свое внимание, тогда как к вопросам интраатомистического характера перейду позднее, в следующих параграфах.

§ 31. Работы Вашингтона (53).

В 1920 г. Вашингтон дал новую классификацию элементов в связи с Менделеевской таблицей. По его мнению, все элементы делятся на две группы, из коих одна обнимает более легкие наиболее распространенные элементы, образующие горные породы, а вторая состоит из более редких тяжелых металлов, по преимуществу образующих рудные скопления. В то время как верхние ряды Менделеевской таблицы сплошь состоят из элементов первой группы—петрогенических, элементы второй группы—металлогенические—целиком составляют нижние ряды таблицы. По середине есть область, где эти элементы взаимно смешиваются, но все же настолько закономерно, что если их отделить друг от друга жирной линией, то мы получим картину, вполне симметричную, приводимую ниже на таблице XXIX. Вашингтон склонен видеть в этом делении весьма существенный природный процесс: петрогенические элементы встречаются обычно в первичных минералах, образующих окислы, силикаты, флюориды и хлориды, никогда или очень редко образуют сульфиды, селениды, теллуриды, арсениды, антимониды, бромиды или иодйды. За исключением железа и никкеля они никогда не встречаются в самородном виде. Металлогенические элементы, с другой стороны, обычно в качестве природных первичных тел образуют как раз те формы соединений, которые выше отмечены как несуществующие для петрогенических элементов. Они очень часто встречаются в виде самородных тел; по мнению Вашингтона, и вполне справедливому, эти положения выдерживаются не вполне точно, но в общем намечают собою определенную природную законность.

Привожу ниже таблицу Вашингтона с некоторыми изменениями, согласно новым данным. В виду того, что в настоящее время, благодаря работам Coster'a и Hevesy, выяснилось, зто все редкие земли должны быть помещены в одну клетку под Y, тогда как клетка перед вольфрамом должна быть занята новым элементом — гафнием, аналогом циркония, два ряда старых систем сокращаются и получается более стройная картина, изображенная на таблице. Сохраняя положение жирной линии по Вашингтону, мы оставляем Та и W среди металлических элементов, тогда как по геохимической природе было бы правильнее их отнести к верхней группе, благодаря чему получается еще большая симметрия. Предлагаемое изменение мною отмечено в таблице пунктиром.

Ниггли продолжает и углубляет теорию Вашингтона, причем пытается дать объяснение двойственной природе элементов; он отмечает, что элементы металлогенического ряда построены по более конденсированной системе, благодаря чему и должны накапливаться в ббльших глубинах.

Конечно идеи Вашингтона вполне правильны, но им можно дать и иную внешнюю форму, и иное толкование.

Совершенно независимо от Вашингтона мною была дана схема геохимической таблицы на фоне закона Менделеева, и эта схема, только в другом внешнем построении, намечает ту же законность. К моим работам, изложенным во Введении к «Геохимии России», я и перейду в дальнейшем.

§ 32. Работы А. Е. Ферсмана (54).

Мои идеи были изложены в «Геохимии России», причем я исходил в своих взглядах из представлений, весьма близких к идеям Вашингтона. Чтобы яснее выразить эти законности, необходимо более определенно связать их с Менделеевской таблицей. Для этой цели я помещаю ниже таблицу Менделеева приблизительно в том виде, как она была дана ее автором в одном из первых мемуаров о периодических свойствах элементов, т. е. где соединены четные и нечетные ряды в длинные периоды.

В основу таблицы я беру последние известные мне данные о природе элементов и их взаимных отношениях. В моей таблице в горизонтальном ряде 1 —2 расположены элементы порядковых номеров 1—10; в рядах 3 — 4 порядковые номера 11—28; в рядах 5— 6 порядковые номера 29 — 46; в рядах 7 — 9 порядковые номера 47 — 78; причем на долю редких земель приходятся номера 57 — 71; наконец, на долю радиоактивных элементов приходятся номера 81 — 92, оканчивающиеся ураном. Неизвестными остаются четыре элемента с порядковыми номерами 43, 75, 85, 87.

Значительное число элементарных ячеек включает в себя серию изотопов.

В таком виде эта таблица дается мною на стр. 69, причем в ней элементы безразличного характера не отмечены ничем, элементы кислых магм набраны жирно, а в клетках элементов основных пород поставлена наверху черта, причем двойная линия включает элементы ультраосновных магм.

Анализ полученного в таблице распределения элементов весьма характерен и позволяет наметить ряд законностей, которые до сих пор не подмечались при изучении этих явлений и которые лишь вскользь, в неясной форме, подметил Саг- п el ley в 1884 г. или частью, одновременно со мною, были высказаны совершенно независимо HarkinsoM (1917 г.) и Clarke (1920 г.).

Вся таблица разбита мною жирными линиями на три больших поля, которые я условно называю полями: обычным (верхнее), жильным (нижнее левое) и кислым (нижнее правое).

Каждое из этих наименований основывается на следующих соображениях:

Обычное поле, кончающееся никкелем, кобальтом и железом, характеризуется тремя типами элементов, начинаясь с элементов кислого типа совместно с биохимическими, после Na переходит к элементам по преимуществу зоны Sima, а начиная с Ti—- к элементам переходных областей зоны Sima и Nife.

В это поле входят почти исключительно очень распространенные элементы, и, если исключить благородные газы и скандий, то только) для Со среднее содержание будет ниже'ЗЛО-3. Наоборот среди элементов, не принадлежащих к этому полю, мы находим только В г, Sr и В а, которые несколько сближаются количественно с содержанием кобальта; все остальные встречаются во мнОго раз меньших количествах.

Этим положением вполне оправдывается наименование этого поля обычным.

Очень любопытным является то, что подавляющее большинство элементов типа средних и основных пород принадлежат как раз к обычному полю, и, таким образом, как общее правило может быть принято, что элементы зоны Si та с переходом к Nife (а не Sal) отвечают ближе всего картине распространенности элементов в земной коре.

Два нижний поля резко противоположны друг другу, состоя одинаково из элементов, принимающих малую роль в геохимических процессах земли; они отличаются тем, что левое состоит из металлов резко выраженного электроположительного характера, образующих устойчивые соединения с серою, а правое— из металлов кислотного характера, не образующих соединений с серою (или образующих, но редко) и -устойчивых в форме кислородных соединений. Теплоты соединений являются максимальными для первых с серою, для вторых—с кислородом.

Только сравнительно немногие элементы в каждом из этих полей нарушают эти типичные свойства, что особенно характерно для VII и VIII групп. В общем, однако, исключений не много.

Левое поле отвечает тем химическим элементам, которые мы знаем в земной коре в виде сернистых соединений, обычно приуроченных к жильным процессам, дислокациям, выделениям сернистых фущарол и т. д. Связь этих элементов с определенным типом магм не может быть намечена; скорее они носят безразличный характер, хотя одни из них, напр., Au, As, Bi, Sn, Си более обычны для кислых пород, другие, как Ag, Pb, Zn, — для пород средней кислотности. В общем, однако, не смотря на большую растворимость сернистых соединений в магмах основного типа, мы должны, согласно De-Launay, скорее связывать всю эту группу химических элементов с кислыми или средними породами, чем с глубинно-основными.

Не менее замкнутую группу в самих себе составляют элементы правого кислого поля. За немногими исключениями перед нами типичные элементы кислых щелочно-земельных гранитных магм. Подчеркнутые элементы всей правой половины нашей таблицы дают нам типичную картину гранитных пегматитов, и потому это поле еще более характерно обнимает собою элементы одного и того же парагенетического ряда.

Таким образом при наблюдении Менделеевской таблицы мы устанавливаем известную закономерность распределения в ней четырех (или пяти, если выделить ультраосновную) групп.элементов, т. е. тех типических геохимических ассоциаций, которые мы установили на основании суммирования отдельных наблюдений, и анализа минеральных ассоциаций в породах различной кислотности.

Если посмотреть глубже на природу моих трех полей, то не трудно будет видеть огромное сходство, а в некоторых частях и тождество с идеями Вашингтона и лишь форма их оказалась различной.

Почти вполне совпадает мое металлическое поле с группою металлогенических элементов Вашингтона; различие лишь в Та и W, которые я отношу не к металлической группе, что у меня несомненно правильнее, чем у Вашингтона, так как у него два элемента, постоянно встречающиеся вместе, оказались разделенными (Та и Nb, отчасти W и Мо). Вся группа петро- генических элементов совершенно отвечает моих полям: обыкновенному и кислому вместе; разница заключается лишь в том, что всю эту группу элементов я подразделяю на элементы, связанные с кислыми магмами и с основными; последние целиком легли в поле обычное.

Исходя из этих данных, мы можем свести связь между распределением элементов и периодическою системою Менделеева к следующим основным пунктам:

1. Таблица Менделеева дает выражение ряду законностей в распределении элементов в земной коре и вероятно на всей земле и в метеоритах.

2.         Преобладающая роль на земле и в метеоритах принадлежит только первым двум большим периодам таблицы, составляющим как бы поля наиболее распространенных, наиболее обычных элементарных тел.

3.         В общем среднее распространение элементов в каждой вертикальной группе сначала быстро растет, потом, достигнув максимума в третьем или четвертом малом периоде, быстро спадает.

4.         Элементы после 28 номера могут быть с геохимической точки зрения разбиты на два поля.

5.         Поле из металлических элементов включает в себе почти все тяжелые металлы, носит определенно характер электроположительный и, занимая в Менделеевской таблице строго определенное место, вполне отвечает особой группе — «металлогени- ческой» в идеях Вашингтона.

' 6. Поле тяжелых электроотрицательных элементов занимает в Менделеевской таблице вполне замкнутое место и характеристично для кислых пород.

7.         Если поле кислое характерно для более поверхностных зон, особенно Sal, то положение поля металлического менее определенно в ^емных оболочках и лишь с некоторою вероятностью может быть отнесено к сульфидной оболочке Гольдшмидта.

8.         Поле обычное самою последовательностью элементов от № 1 до № 28 как бы намечает собою постепенное увеличение элемента с глубиною, начиная с атмосферы и конча^ группою средних и основных пород с металлическим ядром из Fe и Ni.

9.         Последние элементы обычного поля определяют собою типичный валовой состав метеоритов.

10.       Помимо вышеперечисленных законностей, связывающих геохимическое распределение элементов на земле и в метеоритах с Менделеевской таблицей, есть еще ряд других, основывающих ту же связь на сравнительном изучении строения атомов (чему посвящается следующая глава).

К содержанию книги: ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМЛИ И КОСМОСА