Хім склад земної кори

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Из каких химических элементов состоит Земля, вернее, доступная для исследования ее верхняя оболочка — земная кора? Здравый смысл подсказыва­ет, что из тех же элементов, которые известны в перио­дической системе Менделеева. Несколько десятилетий назад такой ответ был бы правильным, но сейчас он нуждается в дополнении: за это время было получено 16 искусственных химических элементов, неизвестных ранее в земной природе. Это технеций (№ 43), астат (№ 85), франций (№ 87) и 13 трансурановых элемен­тов с порядковым номером 93 и выше (нептуний, плу­тоний, америций, кюрий и т. д.). Ничтожные следы тех­неция, астата, франция, нептуния и плутония позднее были обнаружены и в земных минералах. Таким обра­зом, качественный элементарный состав земной коры из­вестен. Но каков количественный состав, сколько со­держится в земной коре отдельных элементов? Эту за­дачу поставил перед собой американский химик и мине­ралог Ф. Кларк (1847—1931), который в 1889 г. опубли­ковал подсчеты среднего состава земной коры (У Кларка были предшественники. Подобные расчеты произ­водил в 1815 г. для 10 элементов английский минералог В. Фил­липс, его работы были продолжены французскими учеными Эли-де-Бомоном и Г. Добрэ. Однако эти расчеты были приблизительными и не оказали значительного влияния на научную мысль того вре­мени).

Кларк был руководителем химической лаборатории Геологического комитета в Вашингтоне, через его ру­ки проходили многие анализы горных пород и минера­лов. Отобрав 880 наиболее авторитетных анализов гор­ных пород, Кларк вычислил среднее содержание для 10 химических элементов, полагая, что образцы горных пород дают представление о верхней оболочке Земли толщиной в 10 миль (16 км). Конечно, тогда, как и в ваше время, было невозможно непосредственно полу­чать образцы пород с такой глубины, однако предпола­галось, что при горообразовательных процессах при­мерно с такой глубины породы поступают на земную поверхность. Эту толщу Кларк считал твердой земной корой. Ее средний состав он и стремился определить. При этом Кларк исходил из предположения, что чем ча­ще горные породы анализируются, тем шире они рас­пространены в природе. Это положение, как показали дальнейшие исследования, не отвечало действительно­сти, однако ошибка была невелика и не отразилась на основных выводах.

В «земную кору» Кларк включал также всю гидро­сферу (Мировой океан) и атмосферу. Масса гидросфе­ры составляет лишь несколько процентов, а атмосфе­ры — сотые доли процента от массы твердой земной коры, в связи о чем числа Кларка отражали именно ее состав:

В первые годы труды Кларка не встретили понима­ния и поддержки.

Достойная оценка работ Кларка пришла гораздо позже и с другой стороны земного шара, из России, где в первом десятилетии XX века зарождалась новая нау­ка — геохимия.

Огромные успехи научной атомистики того време­ни — открытие электрона и радиоактивности, разра­ботка представлений о сложном строении атома — сде­лали этот «кирпич мироздания» объектом исследова­ния не только физики и химии, но и наук о Земле. Ре­волюция в естествознании затронула геологию. Одним из первых это понял заведующий кафедрой минерало­гии Московского университета профессор В. И. Вернад­ский.

До работ Вернадского среди ученых господствовало представление о минеральной форме нахождения химических элементов в литосфере. Считалось, что медь входит в состав халькопирита (CuFeS2) и других мед­ных минералов, цинк — сфалерита (ZnS) и т. д. Сколь­ко меди или цинка находится в гранитах или базаль­тах, т. е. породах, не содержащих минералы этих эле­ментов, было неизвестно и сама постановка вопроса ка­залась не очень актуальной. Методы анализа тоже не всегда позволяли решать подобные вопросы. Поэтому, когда Вернадский в первые десятилетия XX века стал с помощью спектрального анализа изучать содержа­ние в горных породах таких редких элементов, как це­зий, рубидий, индий, таллий, висмут, его работы оказа­лись новаторскими.

Философский склад ума ученого, замечательное уме­ние видеть в единичных фактах проявление общих за­конов природы позволили ему разработать представле­ние о «неминеральной», «рассеянной» форме нахожде­ния химических элементов. Вернадский пришел к вы­воду о всеобщем рассеянии химических элементов, о том, что «все элементы есть везде». Об этом ученый доложил в 1909 г. на XII съезде русских естествоиспы­тателей и врачей. Вернадский сказал: «В каждой кап­ле и пылинке вещества на земной поверхности, по ме­ре увеличения тонкости наших исследований, мы от­крываем все новые и новые элементы. Получается впе­чатление микрокосмического характера их рассеяния. В песчинке или капле, как в микрокосме, отражается общий состав космоса. В ней могут быть найдены все те же элементы, какие наблюдаются на земном шаре, в небесных пространствах. Вопрос связан лишь с улуч­шением и уточнением методов исследования. При их улучшении мы находим Na, Li, Sr там, где их раньше не видели; при их уточнении мы открываем их в мень­ших пробах, чем делали раньше. История Ni, V, Au, U, Не, иттроцеровой группы и т. д. приводит нас к оди­наковым выводам. Они находятся всюду и могут быть всюду констатированы; они собраны в состоянии вели­чайшего рассеяния…» Как видим, Вернадский преодо­лел «минералогическое мышление», объектом иссле­дования для него стал химический элемент. Так Вер­надский заложил основы науки об истории атомов Зем­ли — геохимии.

При геохимическом подходе к природе вопрос о среднем содержании химических элементов в земно» коре исключительно важен. Вернадский понял огромной теоретическое значение трудов Кларка для геохимии; «…числа Кларка — долгое время не оказывали влия­ния на научную мысль, встречали возражения и их ог­ромное значение оценено было лишь за последнее де­сятилетие» (Избранные сочинения. Т. I, 1954, с. 28),— писал Вернадский в 1927 г. И далее: «Кларк не ставил — резко и определенно — задачу геохимии как задачу изучения истории атомов плане­ты; это течение геохимии возникло позже и вне его мысли (в трудах Вернадского.— А. П.) Но благодаря тому реальному значению, какое возымели числа Клар­ка в новых учениях об атомах, тому влиянию, какое они оказывали на физическую и химическую мысль XX столетия, его работа целиком вошла впредставле­ния, слагавшиеся вне его кругозора» (Там же).

Проблема определения среднего состава земной коры стала одной из ведущих в геохимии, она увлек­ла многих выдающихся русских и зарубежных геохими­ков — Вернадского, Ферсмана, Гольдшмидта, Хевеши Панета и других.

Первая сводка Кларка 1889 г. содержала лишь 10 элементов, а в последней, опубликованной в 1924 г. (совместно с Г. Вашингтоном), были данные уже о 50 элементах. Отдавая должное научному подвигу Кларка, свыше 40 лет посвятившего определению состава зем­ной коры, А. Е. Ферсман в 1923 г. предложил терми­ном «кларк» обозначать среднее содержание химиче­ского элемента в земной коре, какой-либо ее части, Земле в целом, а также в планетах и других космиче­ских объектах. Мы говорим о кларках Мирового океа­на, живых организмов, Луны и т. д. Например, кларк железа в земной коре составляет 4,65%, а в Мировом океане — 1•10-6%, т. е. таково среднее содержание этого металла в горных породах и морской воде.

В начале своей работы Кларк интересовался преиму­щественно распределением главных элементов в зем­ной коре. В эти же годы (с 1898 г.) норвежский уче­ный И. Фохт пытался определить кларки меди, цинка, олова, свинца, никеля, марганца и других тяжелых металлов. Зная отношение марганца, никеля, кобальта к железу в различных минералах и породах и используя кларк железа, вычисленный Кларком, Фохт путем пере­счета определил и кларки тяжелых металлов. Для цветных металлов Фохт использовал еще более остро­умный прием. Оперируя данными о ценах различных металлов на мировом рынке, учитывая потребление этих металлов промышленностью, Фохт рассчитал клар­ки меди, цинка и других цветных металлов. Конечно, подобный метод не был точным, но в ряде случаев он дал приближенно удовлетворительные результаты. «Фохт, несомненно, явился одним из главнейших мине­ралогов, поддержавших значение начатой Кларком ра­боты, которую, в общем, долгое время мало ценили, а некоторые считали даже «совершенно лишней забавой», тогда как один Фохт на Западе и В. Вернадский в Союзе вводили это понятие не только в свою научную работу, но и в преподавание минералогии» (А. Е. Ферсман. Геохимия. Л., Госхимиздат, 1933, т. I, с. 139),— писал Ферсман в 1933 г.

В начале века накопление многих тысяч определе­ний для вычисления кларков редких элементов пред­ставляло большие трудности из-за несовершенства анализ ических методов. Поэтому изготовлялись смеси из 300—400 индивидуальных образцов и в них опреде­лялось количество редких элементов. Понятно, что в од­ной пробе можно было во всеоружии всех тонкостей химического анализа установить ничтожные количества элементов. При вычислении кларков радиоактивных элементов учитывалось, что радон, радий и другие ред­чайшие элементы образуются за счет распада сравни­тельно распространенного в литосфере урана (кларк 2,5•10-40%)). Зная содержание урана в породе, можно было рассчитать и количество равновесного с ним ра­дия. Таким путем был установлен кларк радия в лито­сфере, близкий к 2•10-10%.

Современные методы — радиометрия, радиоактива­ционный, рентгеновский, атомно-абсорбционный и дру­гие анализы позволяют с большой точностью и чувстви­тельностью определять содержание химических эле­ментов в горных породах и минералах. По сравнению с концом XIX века количество данных возросло во много раз, что привело к изменению представлений о кларках некоторых элементов. Например, И. Фохт в 1898 г. считал кларк германия очень низким — n•10-10% (n — числа от 1 до 9). Германий был еще слабо изучен, минералы его не были известны. Создавалось впечатление о край­нем рассеянии этого элемента. Практического значения германий не имел. Спустя четверть века, в 1924 г, Кларк и Вашингтон все еще оценивали кларк герма­ния в п•10-9%. Но вскоре Гольдшмидт и его помощни­ки обнаружили германий в углях (до 0•n%). Были усовершенствованы методы анализа, и что самое глав­ное — в середине XX века германий стал использо­ваться в промышленности. Он оказался прекрасным по­лупроводником, в 1948 г. появился первый германиевый транзистор. Редкий металл приобрел огромное значе­ние в радиотехнике и других отраслях. Встал вопрос о поисках сырья германия, началось детальное изуче­ние его геохимии. Анализировались самые различные горные породы и руды, был получен огромный новый фактический материал, который показал, что германий не так уж редок в земной коре. Его кларк в литосфе­ре равен 1,4•10-4%, т. е. почти такой же, как у мышьяка, олова, давно уже хорошо знакомых человечеству. Германия в земной коре много больше, чем золота, се­ребра, платины. По сравнению с рассчетами Фохта кларк германия вырос в миллион раз!

Установление кларка элемента — это в первую очередь огромный труд, сложности которого мы покажем на примере исследований советского ученого А. А. Саукова по геохимии ртути — элемента еще более редко­го, чем германий.

Ртуть известна с глубокой древности, ее знали егип­тяне еще в 3-м тысячелетии до нашей эры. Соединения ртути использовались и как краски, и как лекарства, а позднее «жидкое серебро» нашло применение во мно­гих отраслях техники.

Геологам были известны месторождения ртути, но ее содержание в горных породах практически не изуча­лось, так как для этого были необходимы очень точ­ные аналитические методы. Такой новый метод в 1938 г. разработал А. А. Сауков. В результате стало возмож­ным определять ртуть в любых горных породах. Были проанализированы многие сотни образцов горных по­род и в итоге уточнен кларк ртути. Оказалось, что ста­рые данные (1•10-4%) сильно завышены, кларк ртути понизился начти на 2 порядка и был установлен в раз­мере 7,7•10-6%.

В дальнейшем Сауков продолжал изучать геохимию ртути, и в 1942 г. в самый разгар Великой Отечествен­ной войны защитил докторскую диссертацию на тему «Геохимия ртути». Книга с таким названием была опуб­ликована Академией наук СССР в 1946 г., а в 1947 г. удостоена Государственной премии. Интерес к геохи­мии ртути Сауков привил своим ученикам и до послед­них лет жизни (он скончался в 1964 г.) продолжал ис­следования в этом направлении. В 1972 г. издательство «Наука» опубликовало книгу «Очерки геохимии рту­ти», ее авторы — А. А. Сауков и его ученики Н. X. Айдиньян и Н. А. Озерова. Большой новый фактический материал позволил уточнить кларк ртути, он стал еще ниже — 4,5•10-6%.

Не менее сложна и интересна история установления кларков других химических элементов: Среди ученых — «охотников за кларками» — следует отметить, кроме уже известных нам геохимиков, также. И. и В. Ноддаков, открывших в 1925 г. новый хлимический элемент ре­ний; венгерского геохимика Д. Хевеши вместе с Д. Костером открывшего в 1923 г. элемент крайнего рассея­ния — гафний (не известно ни одного собственного ми­нерала!).

Со дня опубликования первой таблицы Кларка про­шло почти 100 лет, проделана гигантская работа, мы располагаем более точными данными о кларках боль­шинства элементов. Но все еще не установлены кларки платины и платиноидов, инертных газов, других рас­сеянных элементов. Даже кларки многих распростра­ненных элементов нуждаются в уточнении. С этой целью в последние годы при подсчетах кларков стали учитывать объемы и массы отдельных типов пород, гео­логические и геофизические данные о строении различ­ных участков земной коры, например материков и океа­нов. Такой более точный метод был использован в 1956 г. американским геохимиком А. Полдервартом, а позднее развит в нашей стране А. Б. Роновым и А. А. Ярошевским (1967), А. А. Беусом (1972) и другими гео­химиками. Вычисление кларков, по-прежнему, одна из главных задач геохимии! (См. таблицу в конце книги).