Классификации химических элементов Гольдшмидта и Вернадского

Расхождение состава коры и Земли в целом обусловлено «выплавлением» из недр легких алюминия и кремния, а также длительной работой живого вещества. Кора Земли обогащается калием, натрием, кальцием, обедняется железом, никелем, серой.

Чем меньше масса ядра и чем проще его устройство, тем больше доля элемента в земной коре. Впервые такую зависимость представил наш замечательный геохимик, прямой ученик В.И Вернадского – Александр Евгеньевич Ферсман (1883–1945). По правилу Оддо – Гаркинса, из двух соседних элементов системы Менделеева содержание в земной коре четного элемента обычно выше. Среди них О, Si, Ca, Fe и некоторые другие имеют еще более высокие концентрации, являются как бы «избыточными». Благородные газы (Не, Ne и др.), Se, Те – напротив, дефицитны. Среди нечетных элементов «избыточны» Na, Al, К, а «дефицитны» Li, В, Тс, Rb, Re. Причиной дефицита элементов может быть их исходная неустойчивость в реакциях синтеза и распада ядер как за счет усложнения более простых, так и за счет распада тяжелых ядер. Возможно, в большей степени это справедливо для атомных, а не весовых кларков и для Земли в целом, а не для ее коры, где закономерности распределения химических элементов осложнены и другими факторами. Главный из них – элементы в природных условиях крайне редко встречаются в чистом виде, но в абсолютном большинстве в форме сложных по составу минералов и их смесей.

По массе 55 % коры приходится на базальт, 35 — на гранит и 10 % составляют осадочные породы. Состав гранита можно представить суммой оксидов кремния (70 %), алюминия (14—15 %), калия (4 %), натрия (3,5 %) и железа (3,3 %). Понятно, что закономерности распределения в коре элементов находятся в сложной зависимости от их индивидуальных свойств.

Установление этих закономерностей потребовало развития специальной отрасли науки – геохимии, и значительный вклад в нее внес Ф.У. Кларк (1847–1931). Став в 1883 г. главным химиком геологической службы США, он провел по единой методике анализ огромного количества пород из планируемых по карте точек и уже в 1889 г. выпустил в свет книгу «Распространение химических элементов». В последнем переиздании [1924] она содержала сведения уже не о 10, как ранее, а о 50 элементах (Это очень много, так как масса земной коры более чем на 95 % складывается всего из 8 элементов). Картина литосферного мироздания стала проясняться.

В.М. Гольдшмидт (1888-1947) в 1911 г. опубликовал свою геохимическую классификацию, в которой все элементы в зависимости от их преобладания, разделены на атмофилы, тяготеющие к атмосфере; сидерофилы, тяготеющие к большим глубинам планеты, родственные с входящим в эту группу железом – (металлическое ядро), халькофилы, тяготеющих к меньшим глубинам, чем сидерофилы (сульфидметаллическое ядро) и литофилы, связанные с сиалической оболочкой Земли.

В 1934 В.И. Вернадский предложил классификацию элементов по их отношению к живому веществу и на основе их способности включаться в биосферный круговорот.

Элементы, тяготеющие к атмосфере – атмофилы и наоборот, к большим глубинам планеты, родственные с входящим в эту группу железом – сидерофилы – 8 и 14 элементов соответственно (из 78 приведенных в таблице). В них более половины — благородные газы и металлы, слабореагирующие с другими элементами (неон, золото и др.). Среди них преобладают элементы, способные лишь к слабой и отчасти к обычной по интенсивности миграции в водах. Конечно, азот и кислород очень важны для жизни, но других элементов, концентрируемых живым веществом, или биофилов (по В.И. Вернадскому), в этих группах немного. В то же время, в этих двух группах мало и элементов, опасных для жизни, или биоцидов (Со, Мо), подчас нужных организмам, но при малейшем повышении концентрации оказывающихся для них опасными.

Именно в последнем отношении выделяется третья группа халькофилов, тяготеющих к меньшим глубинам, чем сидерофилы. Некоторые халькофилы могут подниматься к поверхности и циркулировать в форме растворов. Их 20, т.е. группа довольно обширная, реакционноспособная, но содержит всего один биофил – серу. А вот биоцидов – 7, или 42 %. В их числе мышьяк, ртуть, свинец. Часть элементов группы, по В.И. Вернадскому, может быть отнесена к категории так называемых циклических элементов, т.е. легко участвующих в сложных круговоротах биогеоценосистем. В целом элементы–халькофилы легче, чем члены других двух групп, входят в биогеоценосистемы, но в определенных ситуациях могут сильно их нарушить, в первую очередь через биоту.

Последняя группа элементов, по В.М. Гольдшмидту, литофилы, связанные именно с сиалической оболочкой Земли. Число элементов в этой группе максимально – 36 из 78. Группа эта не только наибольшая, но и самая реакционноспособная. Все ее члены цикличны, инертных нет, а 40 % биофильны (от углерода до кальция) и почти все энергично поглощаются биотой. Биоцидов, напротив, мало (Сr, Mn, Sr, Zr), но как раз они имеют малую водную подвижность, а по В.И. Вернадскому, еще принадлежат к категории рассеянных элементов.

Следуя В.И. Вернадскому, из литофилов В.М. Гольдшмидта нужно выделить группу шести сильно радиоактивных элементов: Fr, Ra, Ac, Th, Pa иU.

Вопрос 13