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

Законы распределения элементов на разных глубинах

§ 16. Теперь мы можем перейти к рассмотрению основных вопросов связи элементов с теми или иными частями земной коры. И в этой главе, как и в предыдущих, мы будем весьма кратки, резюмируя лишь основные достижения современной геохимии и не останавливаясь на деталях или на объяснении самого фактического материала.

Наблюдается ли какое-либо закономерное изменение среднего состава земной коры с глубиною?

На этот вопрос совершенно очевидно приходится ответить положительно: уже существование основных трех оболочек, которые Вернадский называет фазовыми, наводит на эту мысль: атмосфера, гидросфера и литосфера.

Первый элемент в них — кислород, один из важнейших элементов земной поверхности, входящий в состав воздуха и обусловливающий жизнь на земле (атмосферу).

Первый и второй, вместе взятые, дают воду, т. е. основное вещество второй зоны — гидросферы.

Первые четыре элемента вместе представляют глину, т. е. один из обычных продуктов поверхностных зон разрушения {зоны выветривания — гипергенеза).

Первые десять элементов дают нам представление о всей зоне катаморфизма и цементации, т. е. о наиболее внешних зонах литосферы.

Иначе говоря, в самых первых элементах нашей таблицы отражается вертикальная зональность геохимических процессов земли, и по мере присоединения все новых, и новых элементов последовательно с самой крайней зоны земли—атмосферы,— мы опускаемся в более глубокие зоны: сначала в гидросферу, потом в отдельные оболочки литосферы.

Основные черты изменения состава с глубиною могут быть сведены к следующим пунктам:

В пределах доступной нам земной коры мы наблюдаем накопления более легких элементов во внешних оболочках и увеличение удельного веса их — в более внутренних. Это повышение значения более тяжелых элементов с глубиною захватывает лишь первые 28 — 30 элементов, причем эта законность для более тяжелых элементов с атомными весами выше 60 не наблюдается.

С глубиною мы наблюдаем уменьшение 0 и Si, увеличение Fe, Cr, Ni и Mg.

Только что намеченные нами законности охватывают лишь главнейшйе элементы таблиц VII и VIII. Имеются ли какие- либо данныя по этому вопросу и для других элементов? Как только что было указано, в общем для тяжелых элементов мы не наблюдаем законности увеличения содержания их с повышением глубины. Наоборот, как это будет отмечено ниже, большая часть элементов нижней части Менделеевской таблицы оказывается связанною с такими процессами, особенно глубинное происхождение коих мы должны совершенно определенно отвергать. Так, напр., такие элементы, как Nb, Та, Zr, Mo, W, Th

или U (порядковые номера 41, 73, 40, 42, 74, 90, 92), определенно связаны с кислыми магмами, положение которых в идеальном разрезе земной коры несомненно должно быть отнесено к более наружным частям силикатной -магматической коры земли.

Это особенно поучительно по отношению к радиоактивным элементам, которые с глубиною определенно уменьшаются, как это можно видеть из среднего содержания радия в породах разного типа: так в ультраосновных глубинных породах количество радия в 6 раз меньше, чем в кислых (гранитах).

§ 17. Пока мы только качественно характеризовали изменение нашей земной коры с глубиной. Перейдем теперь к более тонным подсчетам, которые в настоящее время, благодаря работам Вашингтона, Дэли, Осанна и других, возможны с большой детальностью. И в данном случае все тот же метод определения среднего состава земной коры, выдвинутый Clarke, приводит к выдающимся результатам (36).

В нашем анализе цифрового материала мы будем исходить из точных цифровых данных о среднем составе трех типов пород: гранитов, базальтов (габбро) и перидотитов. Эти три типа, несомненно, в общих чертах характеризуют наши основные оболочки Sal, Sima, Nife, и, если в средний состав пород не входят многочисленные жильные элементы, свойственные этим зонам, то все же сами породы в достаточно яркой степени характеризуют количественное изменение магматических пород с глубиною (35).

Из таблицы XVI мы видим, что порядок элементов с глубиною меняется, а именно:

Граниты:

О, Si, Al, Na, Н, К, Fe, Со, Mg, Ti, Р, Мп, Ва, Sr.

Перидотиты:

О, Si, Mg, Н, Fe, Са, Al, Na, К, Ti, Мп, P.

Иначе говоря, кверху, к наружной оболочке, увеличивается содержание элементов:

О, Si, Al, Na, К, Р, Ва, Sr. уменьшается: Mg, Са, Fe, Ti.

Эти подсчеты вполне согласуются с теми общими замечаниями которые мы вывели выше.

Перейдем теперь, далее, к более углубленному анализу наших взаимоотношений между поверхностными и глубинными породами с точки зрения строения атома.

Для рассмотрения этих законностей ограничимся первыми 28 порядковыми номерами, т. е. наиболее легкими элементами, кончая Ni. Мы уже видели, что в сущности из них, составляющих первые четыре ряда Менделеевской таблицы, состоит земная кора и метеориты, ибо на остальные элементы приходится только несколько сотых по весу (или по числу атомов) коры. Поэтому мы остановимся только на анализе этих первых 28 элементов, образующих доступное нашему исследованию вещество.

Эти элементы с их изотопами могут быть разбиты на четыре группы, исходя из общепринятого выражения их атомных весов, в виде общей формулы 4 q + а, где а больше 0 и меньше 4, а под q подразумеваются порядковые числа от 1 до 15. Это распределение дано на таблице XVII.

Рассмотрение этой таблицы приводит нас к любопытному выводу, что поверхностная оболочка земной коры отличается от более глубоких зон значительным увеличением типа 4 q-j-З на счет типа 4 q —j— 0.

Если мы вместе с Daubr6e, V. М. GoIdschmidt'OM, Wie- chert'oM, Prior'oM, Farrington'oM, П. Чирвинским и другими примем наиболее вероятное предположение, что центральные части земной коры по составу близки к составу метеоритов1), то мы должны будем сказать, что в общем от поверхности к центру идет увеличение элементов наиболее устойчивого ряда 4q+0 и обратно—убывает менее устойчивая группа 4q + 3.

§ 18. Эта зависимость сделаетСя еще более очевидною, если мы от количественных подсчетов перейдем к качественному анализу таблицы XVII.

В ней бросаются в глаза первый и последний столбцы этой таблицы. Их интересно сравнить с списками элементов, характерных для кислых с одной стороны и основных магм с другой, так, как они намечены в работах De-Launay и Vogt'a (см. выше § 12).

Привожу для сравнения две таблицы для этих двух групп пород, причем группу ультраосновных пород земной коры можно' параллелизовать с составом метеоритов (см. табл. на стр.39).

В третий столбец мною помещены элементы с соответственным изотопическим числом, а в четвертом—отмечены те элементы, кои распадаются под влиянием а-частиц в условиях опыта Резер- форда. В скобки поставлены элементы, играющие меньшую роль.

Не входя в детальное рассмотрение и объяснение этих таблиц, я только подчеркну несомненный, резко выраженный параллелизм в обоих таблицах между элементами вертикальных столбцов, а именно:

В ультраосновных (глубинных) магмах (и метеоритах) в общем преобладают элементы, построенные по типу 4 q, очень устойчивые, с изотопическим числом равным нулю или числу кратному 4, не распадающиеся от действия а-лучей в условиях опытов Резерфорда.

г) К этому вопросу мы перейдем в следующей главе.

Таким образом, более глубокие и, может быть, глубинные части земной коры характеризуются большею устойчивостью входящих в них химических элементов, к каковому выводу мы пришли и при подсчете количественных соотношений (см. таблицу XVIII).

В противоположность ультраосновным породам, кислые породы, связанные с более поверхностными оболочками земной коры, содержат в своем составе в значительном количестве элементы менее устойчивые, построенные по типу 4 q + 3 (частью 4 q + 2), иногда способные распадаться при действии а-лучей.

Если взять по порядку список элементов типа 4 q + 3, то получается полная аналогия с теми элементарными телами, которые характерны для гранитных пегматитоз, на основе, однако, Si и 0.

Эта картина обогащения наружной силикатной коры менее устойчивыми элементами, по взглядам Harkins'a, или более склонными к рассеиванию, по идеям Вернадского, еще может быть дополнена тем, что и неустойчивые атомы конца Менделеевской таблицы, т. е. радиоактивные, по преимуществу связаны с породами кислыми.

Объяснение этих законностей не может быть сейчас дано: оно лежит в более глубоких соотношениях между природою атомов и их распределением в природе.

§ 19. Таким образом, на основании полученных выше данных, мы можем нарисовать следующую схему распределения элементов в земной коре, принимая с одной стороны во внимание отличие тихоокеанских и атлантических магм, с другой стороны различие в химическом- составе кислых и основных магм.

В этой схеме группы элементов относятся к классификации элементов на стр. 29, по большим четырем полям.

Во времени эта схема намечает изменения закономерного характера и притом в нескольких направлениях: в первые геологические эпохи преобладали магмы pacific и в значительной степени магмы Sal; в виде древних гранитов и гранито - гнейсов они нам хорошо известны. Из жильных элементов, можно думать вместе со Spurr'OM, благодаря эрозии верхних частей древних образований, сохранились только более глубокие части, чем и объясняется обилие в них элементов гранитно - пегматитового типа, золота и меди.

По мере хода геологической истории процессы перемещались слева направо; в новейшее время магмы атлантики стали преобладать (более глубокие), в других местах эрозия обнажила более глубокие зоны Nife ранее застывших массивов, а жильные процессы третичной эпохи принесли с собою металлы вышележащих зон жильного поля с Zn, Pb и т. д.

Такова та схема, которая, согласно с наблюдениями, в основных чертах объясняет главные черты геологических особенностей земной коры. Другие подходы к решению этого вопроса см. ниже.

§ 20. Резюмирую вкратце основные черты распределения элементов на разных глубинах:

1.         Наблюдается совершенно определенное и закономерное изменение состава земной коры с глубиною.

2.         С геохимической точки зрения мы в ней различаем три оболочки по характеру аггрегатного состояния: атмосферу с преобладанием газов — кислорода и азота, гидросферу с преобладанием кислорода и водорода, и твердую земную кору — литосферу.

3.         Литосфера делится в самом первом схематическом подходе на три зоны: Sal, Sima, Nife; представителем первой могут явиться граниты, переходные формы к Nife образуют перидотиты.

4.         С углублением идет увеличение элементов: Mg, Са, Fe и Ti.

5.         Наружные оболочки по сравнению с более глубокими отличаются присутствием элементов, ядро которых построено по типу 4 q + 3, хотя и в них вообще преобладают элементы типа 4 q.

6.         С точки зрения современных теорий строения атома и гипотез Гаркинса, преобладание в земной коре 4q показывает преимущественное распространение элементов устойчивых, долговечных, неразрушаемых.

7.         Так называемые щелочные магмы атлантического типа связаны с несколько большими глубинами, чем им соответствующие щелочноземельные.

К содержанию книги: ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМЛИ И КОСМОСА