Химический состав земной коры как фактор биосферы

Первой количественной геохимической характеристикой земной коры стало среднее содержание химических элементов [3, с.197].

Эти величины впервые были определены в 1869 г. для десяти наиболее распространенных химических элементов Ф.У. Кларком:

O – 46,28; Si – 28,02; Al – 8,14; Fe – 5,58; Ca – 3,27; Mg – 2,77; K – 2,47;
Na – 2,43; Ti – 0,33; P – 0,10.

Позже, в 1908 г. он опубликовал более полную сводку. При этом в массу земной коры были включены гидросфера и атмосфера. Так как последние составляют в сумме чрезвычайно малую часть массы твердой коры, то установленные средние содержания практически и отражают состав именно земной коры(табл. 8).

Следовательно, в земной коре находится основной резерв химических элементов, которые вовлекаются в миграционные процессы под действием живого вещества. В.И. Вернадский отмечал: «… химический состав организмов теснейшим образом связан с химическим составом земной коры; организмы приноравливаются к нему». Данные спектроскопического анализа позволили В.И. Вернадскому сформулировать принцип «всюдности» всех химических элементов. К настоящему времени определено среднее содержание всех элементов в земной коре.

Таблица 8

Характеристика оболочек и ядра Земли

Элементы распространены в земной коре крайне неравномерно: одних в миллиард миллиардов раз (от n×10 до n×10^-16) больше, чем других.

На долю только O и Si приходится около 70 % массы земной коры. Если к ним добавить еще шесть – Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, то их суммарная масса составит около 98 % массы коры. Добавив к ним еще 29 наиболее распространенных элементов, получим прибавку всего более 1 %, при этом доля большей части всех оставшихся элементов составит лишь первые сотые доли процентов массы земной коры. Резко дефицитными являются инертные газы He, Ne, Kr, Xe, Ar, а также Li, Be, B. Малая распространенность благородных газов объясняется двумя гипотезами. Первая предполагает их постоянный отток от Земли – так называемое «гелиевое дыхание Земли». Эта гипотеза является более распространенной. По второй гипотезе еще при формировании планеты инертные газы оттеснялись от сгущавшихся частиц и были дефицитными на этой стадии. Низкое содержание Li, Be, B объясняется недостаточной устойчивостью их атомных ядер. Это подтверждается экспериментальными данными.

Ведущим химическим элементом земной коры является кислород. По имеющимся расчетам (И.Ф. Реймерс, 1990 г.) в настоящее время свободный кислород образуется со скоростью 1,55×10⁹ т/год, а расходуется со скоростью 2,16×10¹⁰ т/год. Таким образом, сейчас расход свободного кислорода более чем в 10 раз превышает его образование. Есть над чем задуматься экологам!

Еще одна особенность: в земной коре, 92 % объема которой приходится на долю кислорода, преобладают так называемые «бескислородные восстановительные обстановки». Это означает, что в большей части литосферы отсутствует свободный кислород.

В земной коре резко преобладают легкие элементы с четными порядковыми номерами и атомными массами, представленные изотопами типа 4 n с устойчивыми ядрами и удерживающиеся гравитационным полем Земли. Так, из шести элементов, составляющих 98 % объема коры, наибольший порядковый номер 20, а наибольшая атомная масса – 40 (Са). О резком преобладании легких элементов свидетельствует и средняя атомная масса земной коры, равная 17,25.

В биосфере, представляющей верхний слой земной коры с существенной ролью гидросферы и атмосферы, преобладание легких элементов выражено еще более контрастно.

В итоге общих усилий ученых разных стран в 20-х годах ХХ в. наметилась общая картина состава земной коры. А.Е. Ферсман ввел понятие «кларк» в честь ученого, который наметил путь к количественной оценке распространения химических элементов.

Укажите правильную формулировку «кларк»…

[1] распространение химических элементов в конкретной геохимической системе;

[2] определенная выборка в геохимической системе;

[3] средние значения относительного содержания химических элементов в земной коре и в других глобальных и космических системах;

[4] участки со значительно повышенным (или пониженным) по сравнению с фоном содержанием химических элементов (их соединений).

Недра

Недрами называют часть земной коры, в пределах которой возможна добыча полезных ископаемых [45, 88].

Очевидно, что недра не имеют определенной нижней границы,она зависит от уровня научно-технического прогресса. В настоящее время максимальное достижение геологической практики – Кольская сверхглубокая скважина глубиной 12,3 км. Можно эту цифру считать нижней границей недр, хотя вполне очевидно, что эта граница будет неуклонно увеличиваться. Результаты глубокого (3–7 км) и сверхглубокого (более 7 км) научного бурения на континентах заставляют пересмотреть многие геологические концепции.

Являясь естественным фундаментом земной поверхности, недра активно влияют на окружающую природную среду. В этом заключается их главная экологическая функция.

Основное природное богатство недр – минерально-сырьевые ресурсы, т.е. совокупность полезных ископаемых, заключенных в них. Добыча (извлечение) полезных ископаемых с целью их переработки – главная цель пользования недрами.

Месторождение полезных ископаемых – неординарное явление, необходимо было сочетание во времени и в пространстве значительного количества благоприятных природных факторов, обеспечивших концентрирование в одном месте того или иного вещества. Ясно, что подобные скопления нужного человеку продукта являются скорее исключением, чем правилом, и что количество месторождений не беспредельно. Кроме того, следует иметь в виду, что их распространение по земному шару хотя и подчиняется определенным закономерностям, но отличается неравномерностью.

По физическим свойствам полезные ископаемые бывают твердыми (уголь, рудные и нерудные полезные ископаемые), жидкими (нефть, минеральные воды), газообразными (горючие и инертные газы) (рис. 12).

Минеральные ресурсы относят к категории невозобновляемых природных ресурсов. Горючие ископаемые иногда считают восстановимыми ресурсами, поскольку в течение длительного геологического времени они способны возобновляться. Однако скорость их восстановления несоизмеримо мала по сравнению со скоростью их извлечения из недр и интенсивного использования человеком.

Все месторождения можно условно разделить на четыре группы (рис. 12.): рудные (металлические), нерудные (неметаллические), горючие (каустобиолиты), гидроминеральные. В первой группе промышленную ценность представляют рудные элементы, находящиеся в основном в минеральной и изоморфной формах, во второй – сами минералы, в третьей – сложные органические соединения элементов, находящихся в форме газовых смесей и минералов (твердых и жидких), в четвертой группе – водные растворы многих элементов.

Месторождение – это крупные скопления химических элементов, т.е. крупные природные геохимические аномалии, приуроченные к строго определенным типам горных пород.

Рис. 12. Классификация полезных ископаемых

Месторождения полезных ископаемых магматического происхождения встречаются в массивах ультраосновных и основных изверженных пород. Типичным примером являются медноникелевые месторождения Мончегорского района на Кольском полуострове. Крупные массы сульфидов благодаря своему большому весу сконцентрированы в нижней части массива изверженных пород.

Образование минералов из газовой фазы, главным образом в процессе возгонки, называется пневматолизом (от греч. pnevma – пар, дыхание). Эти минералы осаждаются на стенках кратеров вулканов и в трещинах окружающих горных пород. Намного интенсивнее происходит минералообразование в том случае, когда легколетучие соединения задерживаются в глубине. Эти минеральные образования, несмотря на значительно меньшую их массу по сравнению с магматическими горными породами, имеют весьма важное значение, так как с ними связано образование месторождений важнейших полезных ископаемых, главным образом руд цветных, благородных и редких металлов.

С корами выветривания связаны разнообразные месторождения полезных ископаемых, в том числе весьма крупных (выветриванием называется сумма физических, химических и физико-химических процессов преобразования горных пород и слагающих их минералов на поверхности суши под влиянием факторов и условий среды; ветровая деятельность имеет весьма отдаленное отношение к процессам выветривания). Так, известное железорудное месторождение Курской магнитной аномалии представляет собой в верхней, наиболее богатой части древнюю, раннепалеозойскую кору выветривания магнетитсодержащих кварцитов.

С аллювиальными отложениями связаны россыпные месторождения многих важных полезных ископаемых (все виды речных отложений называются аллювием). Россыпями называют скопления обломочного материала, содержащие ценные устойчивые минералы с большим удельным весом. Разрабатывают россыпи золота, платины, вольфрамита, алмазов и др.

Так, золото в россыпях присутствует в виде мелких пластинок разной формы. Встречаются самородки массой от нескольких граммов до 1–3 кг. Самый крупный самородок (в 35 кг) в нашей стране был обнаружен на Южном Урале.

Главная область осадочного рудообразования приурочена к прибрежной и шельфовой областям морей. По имеющимся данным, 68 % мировых запасов осадочных железных руд приходится на отложения докембрийского возраста, 10 % – на отложения палеозоя, 19 % – на отложения мезозоя, 3 % – на отложения кайнозоя. Древние осадочные железорудные отложения в дальнейшем подверглись интенсивному метаморфизму и превратились в осадочно-метаморфические. Большая часть месторождений марганца и бокситов также имеет осадочное происхождение.

Формирование осадочных пород сопровождается образованием скоплений органического вещества, их диагенетической и эпигенетической проработкой, в результате чего возникают залежи каменного угля, нефти, битуминозных сланцев и некоторых других осадочных пород, состоящих из органических соединений. Масса растительных организмов в сотни раз превышает массу животных организмов. Поэтому осадочные породы органического состава связаны преимущественно с осадконакоплением растительных остатков.

В результате преобразования горных пород при метаморфизме также происходит формирование месторождений полезных ископаемых (процессы изменения текстурно-структурных особенностей и минералогического состава горных пород в термодинамических условиях глубинных частей земной коры называются метаморфизмом). Так, в результате воздействия высоких температур на угольные пласты возникают залежи графита. Таково происхождение крупного Курейского графитового месторождения, расположенного в низовьях Енисея.

Анализируя классификацию полезных ископаемых, выделите горно-химическое сырье…

[1] апатиты, фосфориты, калийная, поваренная, магниевая соли, самородная сера, барий, минеральные краски, бром и йодсодержащие растворы;

[2] известняки, глины, пески и песчаники, кварц, кварциты, гипс, мел, мрамор, граниты;

[3] яшма, агат, горный хрусталь, гранат, корунд, алмазы и т.д.

[4] нефть, газ, уголь, горючие сланцы, торф, урановые руды и т.д.