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

Причины распределения химических элементов в земной коре

Теории космохимического и физико-химического характера.

«Химия и физика должны ответить на проблемы происхождения элементов, минералогия должна подбирать факты и критически их просматривать».

Ниггли. 1921.

§ 24. Совершенно понятно, что одновременно с выяснением вопроса о составе земной коры и одновременно с изучением метеоритов возникали попытки объяснить существующий химический порядок распределения элементов на нашей планете, часто выходя далеко за границы фактического материала и, к сожалению, теряясь в дебрях научной фантазии, космогонии и натурфилософии.

После того как в 1817 г. Dobereiner впервые наметил преобладание в земной коре элементов с малыми атомными весами, мы первое более стройное изложение основных проблем •химического состава земли встречаем в знаменитом мемуаре Elie-de-B е aumont (44). Уже здесь намечалась в неясной форме идея объяснения состава, связанная с представлением о электрических токах с возникающим от них перераспределением элементов в глубинах.

Значительно позднее, только в конце XIX века, получил большое развитие ряд идей о превращении элементов и их постепенной эволюции на космических телах. Эти идеи носили частью чисто спекулятивный характер, но, выдвинутые такими крупными авторитетами, как Crookes, Lockyer или Н. Морозов (45), они нашли себе позднее крупную поддержку в явлениях радиоактивного распада и ныне возрождаются уже на основе фактических завоеваний современной физики.

Когда с 1889 г. началось новое течение в вопросах химии земной коры и Clarke положил начало точному количественному подсчету, одновременно с этим им же была высказана идея, что различное распространение отдельных элементов должно быть связано с вопросом об их первичном генезисе (46); однако, сам он скоро оставил в стороне вопросы объяснения найденных им цифровых данных и посвятил себя улучшению и уточнению средних чисел распространенности отдельных эле' ментов.

Новое течение было выдвинуто D e-L a u п а у (47), которы й в ряде работ положил начало новым идеям распространения элементов, этим идеям подчинил свои взгляды на металлогенез земной коры и дал настолько стройное и полное изложение своих идей, несколько космогонического характера, что на много лет явился властителем дум и руководителем целой школы геологов и геохимиков. Оставаясь в рамках Канто- ЛапласовскОй теории, De-Launay связал распространение элементов и распределение их на разных расстояниях от центра охлаждающейся гуманности, обратных величине удельных весов, благодаря чему в наружных частях земной коры получились оболочки из более легких элементов, тогда как с глубиною намечалось преобладание более тяжелых.

Эта очень изящная и хорошо разработанная идея оставалась до 1916 г. единственною хорошею рабочею гипотезою, и на ее фоне была проделана огромная работа изучения рудных месторождений и выявления ряда геохимических законностей.

Между тем исподволь намечались и другие пути объяснения количественного состава земной коры в связи с вопросами чисто химического характера. Еще в 1884 г. была подмечена Т. Carnelley некоторая связь между элементами в земной коре и их положением в четных или нечетных рядах Менде- левской таблицы. К этим вопросам вернулся позднее О d d о (1914 г.), Wed dels (1914 г.) и автор настоящей статьи А. Ферсман (1921 г.) (48).

Все эти вопросы вновь приближались к старой идее о связи распространенности элементов не только с их положением в Менделеевской таблице, но и со строением самих атомов, типом их структур и их генетической связи. Те проблемы интеграции и дезинтеграции материи, которые в обобщениях Крукса и Локайера казались лишь интуитивными догадками, превратились в реальные картины совершенно определенной связи, и, если еще одни, подобно Schmidt'y (1917—1918 гг.), придерживались идеи интеграции материи в эволюционном порядке строительства, то в классических отныне, хотя и несколько смелых, работах Наг- kins'a (1916 —1921 гг.), еще более фантастических данных L о г i n g'a и в осторожных, но блестящих обобщениях Н е р н- ста (1921 г.) и Аррениуса (1922 г.) означенные проблемы получили совершенно новое и осмысленное течение (49).

Отныне эта идея широко разлилась в области геохимии, и новые идеи строения атомов у Зоммерфельда, Фаянса, Мейтнер, Резерфорда и Гаркинса наметили новый путь к разрешению таких проблем, которые раньше, казалось, лежали еще за пределами точного знания.

Таким образом, на основании сказанного, мы ниже остановимся на следующих двух основных путях исторической мысли:

1.         Идеи космогонического распределения атомов элементов.

2.         Идеи генетического распределения элементов.

В дальнейшем я намерен совершенно объективно изложить взгляды на эти вопросы у разных ученых, приводя и встречаемые ими затруднения и несогласия. Лично свою идею я изложу более детально в одной из следующих глав, причем определенно считаю нужным с самого начала высказать свою точку зрения.

Современное распределение элементов в пространстве мироздания вызывается сочетанием трех природных факторов:

1)        явлений образования и преобразования элементов во времени;

2)        явлений распределения уже готовых атомов элементов в пространстве под влиянием космических причин (тяготение, световое давление, излучение и др.);

3)        явлений физико-химического и химического перераспределения групп атомов и молекул.

Наблюдаемое н ами распределение не является стационарным: оно изменяется во времени под. влиянием тех же трех основных групп мировых факт о ров.

Из сказанного явствует, что только закономерное сочетание трех причин — атомистической, космической и физико-химической может объяснить строение как нашей земли, так и всего мироздания.

Первая причина связана со строением ядра—-это интра- атомная причина; космическая—связана с физическими свойствами самого атома, а химическая — с его химическими электронами и с группировкою атомов в „молекулы" и кристаллы.

Таким образом вся совокупность частей атома влияет на его распределение

Я отдельно изложу идеи распределения элементов в земной коре на основании данных астрофизических и физикохимиче- ских так, как они вырисовываются при современном обзоре различных теорий и идей по этому вопросу, а затем, посвящу отдельную главу обзору связи между распределением химических элементов, характером их атомов и Менделеевской таблицей.

К первым прежде всего относятся идеи De-Launay, V. М. Gol d schmidt'a и Prior'a, к краткому изложению которых я и перехожу.

§ 25. Идеи Де-Лонэ (47).

Идея связи распределения элементов с первичным их распределением во время формирования космического тела не могла не прийти в голову при самой первой концепции строения видимого мира. Поэтому неудивительно, что еЩе Демокрит говорил, что «при образовании земли тяжелые атомы (по его мнению и самые большие) должны были собраться в середине, а легкие снаружи, где они входят в общение» с наружным пустым пространством. Эта идея лежала в основе и концепции Канта-Лапласа, в которой концентрирование элементов в туманностях как раз подчинялось этому принципу, связфь ному с действием ньютоновских сил. Постепенно росла и кристаллизовалась эта идея во французской школе геологов и через De-la-Bfcche и Elie-d e-Beaumont она постепенно вылилась в цельную и стройную систему на пороге XX века у De-Launay.

Его основное положение гласило так: «в еще раскаленной земле до образования твердой коры химические элементы отделились от центра на расстояния, обратно пропорциональные атомному весу (позднее он вносит поправку—удельному весу), как если бы диссоциированные атомы, вне всяких соединений и при весьма высоких температурах, были подчинены исключительно действию мирового тяготения и центробежной силы.

Последовательно разбирая под этим углом зрения состав земной коры и идя от наружных оболочек к более глубоким зонам земной коры, он намечает отдельные глубинные зоны преобладания элементов соответственно следующим семи группам:.

I.          Первичная атмосфера: Н.

II.        Атмосфера: О, N, (A, Ne).

III.       Кремневая кора: Si, AI, Na, К, (Li, Be), Mg, Ca, (Ba, Sr)

IV.       Минерализаторы: CI, S, P, (B. F), C.

V.        Основные выделения глубин: Fe, Mn, Ni, Co, Cr, Ti, V.

VI.       Жилы, связанные с типом V: Си-

VII.      Рудные ЖИЛЫ: Zn и Pb, Sb и Ag, Hg, Bi, W, Au, U и Ra.

Сравнивая эту последовательность с атомными весами, D е- Launay находит несомненную параллелизацию в означенных рядах и повышение атомного веса с глубиною. Подробно отмечая все-отклонения от означенного закона, он объясняет их вторичным, чисто геохимическим переносом.

Эта идея у него сочетается с общими космогоническими соображениями. По De-Launay атомы элементов образовались в готовом виде еще до их конденсации в планетарную туманность, в огненно-жидкую космическую фазу распределились по своему удельному весу и, оставив раскаленную массу в центре с тяжелыми элементами, образовали наружную кору- окалину, образованную окислением газами шлаковых накоплений поверхности ядра. С этого момента началась геологическая история перегруппировки элементов и их дальнейшее перенакопление и рассеяние силами чисто химического характера.

Таковы основные черты этой теории, необычайно изящной и частично отвечающей наблюдаемым фактам.

Вышеприведенная группировка, с одной стороны, следует действительному увеличению элементов с глубиною, а с другой несомненно по своему порядку напоминает таблицу Клерка и Фохта распространенности элементов в земной коре. При этом III группа намечает собою вместе с IV группы гранитных, кислых пород, образующих зону Sal, сами минерализаторы IV группы нередко характеризуют собою юве- нильные воды и вулканические эманации этих же пород; группа V явно характеризует Nife, тогда как более редкие тяжелые металлы, связанные с жильными месторождениями, относятся к группе VII.

Еще большее сходство между таблицей Де-Лонэ и данными Клерка и Фохта получается, если мы примем во внимание мои пересчеты (1912 г.) на число атомов: при этом более легкие элементы занимают более высокое положение в таблице, более тяжелые — более низкое, благодаря чему таблица еще более напоминает порядок атомных весов или, вернее, удельных весов.

Сам De-Launay отмечал слабые места своего сопоставления, причем, однако, подчеркивал, что эруптивные и гидротермальные процессы вынесли в поверхностные зоны' земной коры часть глубинных элементов, чем нарушили правильность первичных соотношений. Поэтому в некоторых случаях элементы зон не вполне отвечают элементам соответственных групп De- Launay, и многие из них, как Ва или Fe, должны быть понижены при таком сопоставлении.

Такую не теоретическую, а отвечающую природным условиям таблицу рисует De-Launay в следующем виде, причем частично для стройности принужден сделать ряд совершенно неприемлемых и очень фантастических допущений

Нет никакого сомнения, что при всей своей заманчивости эта теория лишь частично освещает законности состава земной коры и вместе с тем носит частью очень гипотетический характер. В своей «Геохимии России» (1922 г.) я более детально разбираю как положительные, так и отрицательные стороны этой гипотезы и отмечаю:

«Приурочивание к поверхности элементов малых атомных весов (или вернее малых удельных весов) ограничивается лишь первыми 28 элементами Менделеевской таблицы. В пределах первых двух больших периодов таблицы Менделеева в грубых чертах схемы De-Launay мы действительно видим последовательность более легких элементов в зоне Sal (Na, Al, Н, Li, Be), более тяжелых в зоне Sima (Al, Si, Mg, Ca, Ti) и, наконец, еще более тяжелых в зоне Nife (Cr, V, Ti, Fe, Co, Ni). Но на этом схема обрывается; дальше следуют элементы, в которых никакой зависимости в духе этого закона нет и даже наоборот— далее следуют элементы именно более поверхностных зон Sal и более поверхностных жильных эманаций с тяжелыми металлами. Целый ряд более тяжелых элементов, как то Zr, Mo, W, U, Th, TR, На, связанных в своей геологической истории с зоною Sal, абсолютно противоречит основному закону концентрирования элементов от центра к периферии в порядке понижения их атомных или удельных весов. Этим наносится определенный удар распространительному толкованию той схемы распределения элементов, которая устанавливается фактами для первых двух больших рядов таблицы, резко отличных в своей геохимической истории от всех остальных».

Дальнейшее возражение против этой теории в ее широком толковании приводится изучением распространения радиоактивных элементов, содержание которых с глубиною несомненно падает и которые, таким образом, несмотря на свои высокие атомные веса, связаны с зоною Sal.

Таким образом на основании анализа этой гипотезы я при- хОжу к нижеследующим выводам:

1.         В общем теория De-Launay правильно устанавливает связь между распределением элементов и их удельными весами, т. е. подчиняясь закону мирового тяготения.

2.         Основные черты трех главных оболочек, Sal, Sima, Nife несомненно характеризуются элементами в порядке повышения удельных весов.

3.         Однако, общие соображения De-Launay применимы лишь к первым четырем горизонтальным рядам Менделеевской таблицы, т. е. к первым 28 элементам,

4.         Более широкое толкование идей De-Launay за пределами этой части Менделеевской таблицы не оправдывается фактами и наблюдениями.

§ 26. Идеи В. М. Гольдшмидта (50).

В дальнейшем идеи De-Launay стали видоизменяться, и разными авторами на их основе были даны новые построения.

Новая и вместе с тем весьма любопытная концепция о строении земного шара была выдвинута В. М. Гольдшмидтом, известным геологом из Христиании, который рассматривает землю, как единое физикохимическое тело, прежде всего в своей природе подчиненное закону всемирного тяготения. Отсюда неизбежно не только первичное распределение материи в земном шаре согласно законам удельного веса, но и позднейшее постоянное перемещение элементов из оболочки в оболочку, причем более тяжелые элементы постоянно стремятся книзу — в глубину, а более легкие — кверху. В этом отношении его взгляды напоминают идеи некоторых приверженцев планетези- мальной теории (напр. Schwarz'aB Южной Африке), допускавших перенесение в глубины приносимого на поверхность метеоритами железа.

Признавая первичную землю за многофазовую систему, Гольдшмидт устанавливает следующие зоны в земной коре.

В глубинах до 2900 клм. (от поверхности) центральное ядро из никкелистого железа с удельным весом около 8. Далее следует зона сульфидов и окислов тяжелых металлов до глубины 1200 клм. (от поверхности) с удельным весом 5—6. Верхняя граница этой зоны определяется результатами отражения сейсмических волн. Эта область по составу должна несколько напоминать состав метеоритов, быть богатою сульфидами, преимущественно железа, с большим содержанием кислородных соединений Fe, Cr, Ti (нечто вроде троилитовых масс в метеоритах). Еще выше идет третья зона, которую автор называет зклоги- товой и которая является в сущности прототипом базальтовой постели Daly. Она тянется до 120 клм. от поверхности, обладает удельным весом в 3,6 — 4, находится под большим давлением, и с ней автор связывает, напр., происхождение алмаза в ким- берлитовых воронках Южной Африки. Наконец, самая поверхностная пленка—-силикатная, — с удельным весом в 2,8, тянется до глубины 120 клм.

Эти идеи автор сравнивает с металлургическим процессом при обработке сернистых руд, где получаются именно три основные фазы: шлак, металл и сульфид—«штейн».

Сообразно с этим тяжелые металлы, как напр. платина, должны быть накоплены в глубоких частях земли.

Привожу схему В. М. Гольдшмидт а:

Наружная кора         0 — 120 клм. уд. вес 2,8 силикатная кора

(= Sal, Sima).

Промежут. зона 120 —1200 клм. уд. вес 3,6 —4 эклогитовая зона

(отчасти Nife).

Глубинная зона 1200 —2900 клм. уд. вес 5 —6 сульфидо окисная

зона.

Центральное ядро 2900 до центра уд. вес 8 металлическое

ядро(№, Fe, Со, Сг).

Таким образом из анализа этой теории мы можем вывести:

1.         Идеи Гольдшмидта близко примыкают к идеям Де-Лонэ, но выдвигают особенно существование особой глубинной сернистой зоны.

2.         Деление на оболочки отвечает тем границам упругости, кои намечаются современной теорией распространения сейсмических волн.

3.         Существование специальной сернистой зоны не оправдывается ни фактами изучения геохимии земли, ни анализом метеоритов, сходство с которыми и Гольдшмидт кладет в основу своей теории.

К содержанию книги: ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМЛИ И КОСМОСА