Представления о распространенности элементов в земной коре

Распространенность редких и рассеянных элементов в земной коре определялась многими исследователями, и в первую очередь Ф.У.Кларком, В.М.Гольдшмидтом, В.И.Вернадским, А.Е.Ферсманом, С.Р.Тейлором, А.П.Виноградовым, Л.Г.Аренсом, К.Г.Ведеполем. Используя новейшие методы анализа (нейтронно-активационный, атомно-адсорбционный, люминесцентный, электроннопарамагнитного резонанса, микрозондового анализа и др.), из результатов многочисленных точных анализов минералов, пород и их смесей, а также из сопоставления распространенности отдельных пар элементов (например, Rb:k, Hf:Zr, Re:Mo, Cd:Zn) удалось определить содержание в земной коре почти всех элементов периодической системы. Эти цифры по предложению Ферсмана получили название кларков в честь Ф.У.Кларка, впервые, в 1924 году, достаточно полно и точно оценившего химический состав земной коры по 700 пробам пород.

В.И.Вернадский назвал рассеянными те элементы, которые, находясь в земной коре в значительных количествах, не дают высоких концентраций. Так, например, огромные массы Rb рассеяны в полевых шпатах, Ga - в алюминиевых минералах, Re - в молибденитах, Cd – в сфалеритах, Ag - в галенитах, Sc - в силикатах, Li - в слюдах и т.д. В отличие от рассеянных редкие элементы в земной коре находятся в значительно меньшем количестве, хотя образуют свои собственные минералы, дающие рудные скопления. Вернадский в связи с этим ввел понятие кларка концентрации элемента в минералах и месторождениях. Это отношение содержания в породе или минерале к кларку. Следовательно, доступность того или иного элемента прежде всего определяется его способностью давать высокие кларки концентрации, т.е. образовывать минералы, скопления которых могут давать экономически выгодные для использования месторождения.

Анализируя распространенность химических элементов в земной коре, можно сделать следующие выводы.

1. Содержание химических элементов в земной коре очень неодинаково, причем содержание кислорода в 1,5 × 10¹⁵ раз больше содержания полония - одного из наименее распространенных элементов (рис.2).

2. Наиболее распространенными являются элементы с небольшими порядковыми номерами (и соответственно малыми атомными весами). С увеличением порядкового номера распространенность убывает. Первые 26 элементов составляют 99,74% всей земной коры.

3. Очень легкие элементы - литий, бериллий, бор и отчасти углерод обладают очень малой распространенностью (в %): Li 0,0065; Be 0,00035; B 0,0003; C 0,0320. Это объясняется тем, что перечисленные элементы в космическую стадию послужили ядерным горючим. Из тяжелых элементов (атомный вес ≥ 119) повышенную распространенность имеют Ba, La, Ce, Nd, Gd, Pb.

4. Элементы с четными порядковыми номерами более распространены (86% по весу), чем с нечетными (14% по весу) (закон Оддо и Харкинса). Четные элементы обычно более распространены, чем их нечетные соседи. Это особенно хорошо проявлено в группе редкоземельных элементов. Однако на кривой кларков имеются исключения (порядковые номера в скобках): As(33) более распространен, чем Ge(32) и Se(34), Br(35) - чем Se(34) и Kr(36) и Li(3) более распространен, чем Не(2) и Ве(4).

5. Некоторые аномально повышенные кларки элементов объясняются их предысторией. Так например, относительно очень высокое содержание свинца объясняется тем, что он состоит не только из атомов "первозданного" свинца, но и из атомов свинца, образовавшихся в результате радиоактивного распада урана (свинец 206 и свинец 207) и тория (свинец 208).

Висмут, состоящий всего лишь из одного изотопа Bi²⁰⁹, содержит также атомы висмута, образовавшиеся в результате радиоактивного распада америция - нептуния - франция - астатина - скелеты вымерших элементов. На это указывает более высокий кларк висмута (2 × 10^-5 %), чем стоящих в его ряду золота, ртути и полония. Значительно более высокое содержание аргона, чем других инертных газов, объясняется тем, что большая часть аргона произошла за счет "К-захвата" при радиоактивном распаде К⁴⁰, тогда как за счет b-распада К⁴⁰ образовался кальций, присоединившийся к уже существовавшему кальцию. То же самое можно сказать и о Sr⁸⁷, образовавшемся при b-распаде Rb⁸⁷.

В заключение следует отметить, что в силу различной способности химических элементов к концентрации и рассеянию, к вхождению в виде изоморфной примеси в кристаллические решетки минералов более распространенных элементов - представления о "частоте" или редкости того или иного элемента явно не отвечают реальным цифрам. Так, ванадий распространен в 2 раза больше, чем медь; рубидий – во много раз больше, чем свинец; содержание скандия такое же, как свинца.

Соответственным образом, с применением новых усовершенствованных методов анализа и в результате изучения геохимии редких элементов изменились представления об их распространенности.

Особенно ярким примером является германий. Впервые в 1898 г. И.Г.Л.Фогт принял его распространенность равной n × 10^-10 %, в 1924 г. Кларк и Вашингтон оценивали ее в n × 10^-9, а в настоящее время кларк германия, принимается в 2 × 10^-4 %, т.е., грубо говоря, в миллион раз выше, чем в 1898 г.