Большая Советская Энциклопедия (ГЕ)
Шрифт:
Геохимические эпохи
Геохими'ческие эпо'хи, промежутки времени, характеризующиеся появлением месторождений определённого состава либо осадков и горных пород, обогащенных определённым элементом или целой ассоциацией элементов. Так, в геологической истории Земли отмечается железорудная эпоха, связанная с началом нижнего протерозоя (около 2500 млн. лет назад), эпоха свинцовых месторождений (1700— 400 млн. лет) и др.
Каждая Г. э. характеризуется совокупностью внешних данных, определявших условия концентрации данного металла. Например, интенсивное глобальное проявление железорудных месторождений и железистых фаций — итабиритов, железистых кварцитов — было вызвано, вероятно, первыми проявлениями жизни, обогащением атмосферы Земли свободным кислородом и, как следствие этого, существенным изменением характера водной среды Мирового океана. В результате происшедшего окисления двухвалентного железа в трёхвалентное произошла садка железа, до этого накапливавшегося в океане в виде бикарбонатных соединений. Этот процесс продолжался около 200—300 млн. лет и создал железорудные формации [Кривой Рог (СССР), озеро Верхнее (США), Минас-Жерайс (Бразилия) и др.] с запасами, превышающими все остальные железные руды. Накопление свинца связано с карбонатными осадками, характеризующимися высокими средними содержаниями свинца. Массовое выпадение первых карбонатов, а вместе с ними рассеянного свинца относится к эпохе свинцовых месторождений, когда в результате метасоматических процессов свинец карбонатов был мобилизован и переотложен в виде рудных залежей. К этой эпохе относится образование месторождений Салливан (Канада), Брокен-Хилл (Австралия), Завар (Индия) и др. Существуют также золоторудная эпоха архея; эпоха накопления урана, ванадия и никеля, связанная с массовым осаждением этих металлов в начале палеозоя на территории Евразии; широко известна карбоновая эпоха угленосных формаций, обусловленная расцветом на Земле пышной флоры и последующим её захоронением и превращением в угольные залежи.
Лит.: Страхов Н. М., Основы теории литогенеза, т. 1, М., 1962; Тугаринов А. И., Войткевич Г. В., Докембрийская геохронология материков, 2 изд., М., 1970; Тугаринов А. И., Шилов Л. И., Изотопы свинца в докембрии, М., 1968.
А. И. Тугаринов.
Геохимический баланс
Геохими'ческий бала'нс, баланс между массой химических элементов, поступивших в океан при выветривании изверженных годных пород (пропорционально их кларкам) за время существования Земли, и массой химических элементов, слагающих осадочные горные породы (с учетом воды и углекислого газа) в совокупности с массой химических элементов, сохранившихся в морской воде Согласно В. М. Гольтшмидту, который ввёл (1933) понятие Г. б., за всё время существования Земли с каждого см2 ее поверхности было смыто 160 кг изверженных пород: из них (за счёт гидратации, окисления и карбонатизации) на каждый см2 поверхности получилось 169,6 кг осадочных пород. Зная кларки гидросферы и средний состав осадочных пород, можно для каждого элемента составить его Г. б. Эмпирические данные показывают, что Г. б. не всегда соблюдается и для ряда элементов (в частности, для хлора, серы, бора и кальция) он нарушен.
Лит.: Гольдшмидт В. М., Основы количественной геохимии, пер. С нем., «Успехи химии», 1944, т. 3, в. 3; Ронов А. Б., Ярошевский А. А., Химическое строение земной коры, «Геохимия», 1967, № 11.
В. В. Щербина.
Геохимия
Геохи'мия (от гео… и химия), наука о химическом составе Земли, законах распространённости и распределения в ней химических элементов, способах сочетания и миграции атомов в ходе природных процессов. Г. — часть космохимии. Единицами сравнения в Г. являются атомы и ионы.
Одна из важнейших задач Г. — изучение на основе распространённости химических элементов химической эволюции Земли, стремление объяснить на химической основе происхождение и историю Земли, дифференциацию её на оболочки (геосферы). Наибольшее внимание в Г. уделяется проблемам распространённости и распределения химических элементов.
Распространённость химических элементов. Распространённость различных химических элементов определяется синтезом их ядер, происходящим по разным термоядерным реакциям в недрах звёзд. Стадия эволюции звезды (её температура) определяет характер этого синтеза. Согласно наиболее распространённым космогоническим гипотезам (см.Космогония), при образовании Солнца из сжимающейся и вращающейся туманности на заключительной стадии сжатия от центрального сгущения отделилась значительная масса горячей плазмы, которая образовала вокруг него протопланетное облако в виде диска. Облако быстро охлаждалось, и в нём возникла спонтанная конденсация вещества. В результате многостадийных реакций (конденсационный рост ядер, их коагуляция, процессы аккреции и агломерации) газовое облако превратилось в газопылевое. Одновременно происходила потеря облаком газов в космическое пространство. Холодное газопылевое облако в силу ротационной неустойчивости разбилось на ряд сгущений — протопланет, которые адиабатически сжимались. Благодаря этому процессу из холодного вещества протопланетного облака образовались планеты земного типа и астероидный пояс с астероидами и метеоритами. Наконец, на периферии протопланетного облака происходила при очень низких абсолютных температурах конденсация отлетевших газов (Н, Не, NH3, CH4 и др.), образовавших большие планеты — Юпитер, Сатурн, Нептун, Уран.
Непосредственное определение общего состава планеты невозможно, однако астрономические (спектральные) данные о составе Солнца и данные о химическом составе каменных метеоритов (наиболее распространённых — хондритов) позволяют судить о распространенности химических элементов на Земле и на др. планетах. Из табл. 1 видно, что распространенность элементов на Солнце и в метеоритах совпадают.
Табл. 1. — Распространенность химических элементов на Солнце и в каменных метеоритах (хондритах) (SMg — число атомов данного элемента на 106 атомов магния).
| Элементы | Солнце | Метеориты | |||
| lg SMg | S Mg | lg SMg | S Mg | ||
| 1 | H | 10,64 | 4,4·1010 | – | |
| 3 | Li | <-0,46 | <3,4·10– 1 | 1,54 | 3,5·101 |
| 4 | Be | 0,98 | 9,55 | – 0,14 | 7,19·10– 1 |
| 5 | B | 2,24 | 1,7·102 | 1,18 | 1,50·101 |
| 6 | C | 7,15 | 1,4·107 | 4,30 | 2,02·104 |
| 7 | N | 6,70 | 5,0·106 | 2,54 | 3,47·102 |
| 8 | O | 7,47 | 3,0·107 | 6,55 | 3,54·106 |
| 9 | F | – | – | 3,01 | 1,02·103 |
| 11 | Na | 4,94 | 8,7·104 | 4,69 | 4,93·104 |
| 12 | Mg | 6,00 | 1,0·106 | 6,00 | 1,00·106 |
| 13 | Al | 4,84 | 6,9·104 | 4,89 | 7,81·104 |
| 14 | Si | 6,34 | 2,2·106 | 6,01 | 1,04·106 |
| 5,88 | 7,6·105 | ||||
| 15 | P | 3,98 | 9,6·103 | 3,72 | 5,23·103 |
| 16 | S | 5,94 | 8,7·105 | 5,00 | 1,01·105 |
| 17 | Cl | – | – | 2,50 | 3,20·102 |
| 19 | K | 3,34 | 2,2·103 | 3,55 | 3,52·103 |
| 20 | Ca | 4,68 | 4,8·104 | 4,75 | 5,66·104 |
| 21 | Sc | 1,49 | 3,1·101 | 1,46 | 2,88·101 |
| 22 | Ti | 3,45 | 2,8·103 | 3,34 | 2,20·103 |
| 3,27 | 1,9·103 | ||||
| 23 | V | 2,81 | 6,5·102 | 2,35 | 2,23·102 |
| 24 | Cr | 3,76 | 5,8·103 | ||
| 3,65 | 4,5·103 | 3,97 | 9,35·103 | ||
| 25 | Mn | 3,49 | 3,1·103 | 3,87 | 7,37·103 |
| 26 | Fe | 5,44 | 2,8·105 | 5,84 | 6,96·105 |
| 27 | Co | 3,34 | 2,2·103 | 3,28 | 1,92·103 |
| 28 | Ni | 4,41 | 2,6·104 | 4,60 | 4,00·104 |
| 29 | Cu | 3,09 | 1,2·103 | 2,49 | 3,06·102 |
| 30 | Zn | 2,16 | 1,4·102 | 2,09 | 1,24·102 |
| 31 | Ga | 1,36 | 2,3·101 | 1,06 | 1,16·101 |
| 32 | Ge | 1,13 | 1,3·101 | 1,35 | 2,23·101 |
| 33 | As | – | – | 0,64 | 4,32 |
| 34 | Sc | – | – | 1,31 | 2,05·101 |
| 35 | Br | – | – | 1,78 | 6,08·10– 1 |
| 37 | Rb | 1,12 | 1,3·101 | 0,75 | 5,69 |
| 38 | Sr | 1,66 | 4,6·101 | 1,27 | 1,85·101 |
| 39 | Y | 1,84 | 6,9·101 | 0,56 | 3,64 |
| 40 | Zr | 1,29 | 2,0·101 | 1,09 | 1,24·101 |
| 41 | Nb | 0,94 | 8,7 | – 0,28 | 5,23·10– 1 |
| 42 | Mo | 0,94 | 8,7 | 0,40 | 2,53 |
| 44 | Ru | 0,46 | 2,9 | 0,20 | 1,60 |
| 45 | Rh | 0,01 | 1,0 | – 0,51 | 3,15·10– 1 |
| 46 | Pd | 0,21 | 1,6 | 0,18 | 1,52 |
| 47 | Ag | – 0,61 | 2,4·10– 1 | 0,82 | 1,50·10– 1 |
| 48 | Cd | 0,18 | 1,5 | 1,14 | 7,21·10– 2 |
| 49 | In | 0,09 | 1,2 | 2,85 | 1,41·10– 3 |
| 50 | Sn | 0,18 | 1,5 | 0,83 | 6,83 |
| 0,69 | 4,9 | ||||
| 51 | Sb | 0,58 | 3,8 | ||
| – 0,94 | 1,1·10– 1 | – 0,88 | 1,33·10– 1 | ||
| 52 | Te | – | – | 0,28 | 1,90 |
| 53 | I | – | – | – 1,71 | 5,11·10– 1 |
| 55 | Cs | – | – | – 0,91 | 1,22·10– 1 |
| 56 | Ba | 0,74 | 5,5 | 0,85 | 7,08 |
| 57 | La | 0,67 | 4,7 | – 0,46 | 3,50·10– 1 |
| 58 | Ce | 0,42 | 2,6 | – 0,24 | 5,78·10– 1 |
| 59 | Pr | 0,09 | 1,2 | – 0,94 | 1,15·10– 1 |
| 60 | Nd | 0,57 | 3,7 | – 0,17 | 6,74·10– 1 |
| 62 | Sm | 0,26 | 1,8 | – 0,67 | 2,16·10– 1 |
| 63 | Eu | – 0,40 | 4,0·10– 1 | – 1,07 | 8,53·10– 2 |
| 64 | Gd | – 0,23 | 5,9·10– 1 | – 0,39 | 4,12·10– 1 |
| 65 | Tb | – | – | – 1,29 | 5,10·10– 2 |
| 66 | Dy | 0,36 | 4,4·10– 1 | – 0,46 | 3,49·10– 1 |
| 67 | Ho | – | – | – 1,16 | 6,88·10– 2 |
| 68 | Er | – | – | – 0,71 | 1,94·10– 1 |
| 69 | Tm | – | – 1,5 | – 1,42 | 3,84·10– 2 |
| 70 | Yb | 0,17 | – | – 0,73 | 1,87·10– 1 |
| 71 | Lu | 1,49 | – | – 1,49 | 3,24·10– 2 |
| 72 | Hf | – | – | – 0,74 | 1,82·10– 1 |
| 73 | Ta | – | – | – 0,75 | 1,79·10– 1 |
| 74 | W | – | – | – 0,58 | 2,64·10– 1 |
| 75 | Re | – | – | – 0,76 | 1,74·10– 1 |
| 76 | Os | – | – | – 0,22 | 5,96·10– 1 |
| 77 | Ir | – | – | – 0,38 | 4,22·10– 1 |
| 78 | Pt | – | – | 0,22 | 1,66 |
| 79 | Au | – | – | – 0,79 | 1,65·10– 1 |
| 80 | Hg | – | – | – 0,09 | 8,08·10– 1 |
| 81 | Tl | – | – | – 2,63 | 2,38·10– 3 |
| 82 | Pb | 0,27 | 1,9 | – 0,81 | 1,56·10– 1 |
| 83 | Bi | – | – | – 1,63 | 2,33·10– 2 |
| 90 | Th | – | – | – 1,55 | 2,79·10– 2 |
| 92 | U | – | – | – 1,99 | 1,02·10– 2 |
Наиболее распространённые элементы (изотопы) имеют четные по протонам и четные по нейтронам ядра:
и многие др. Элементы с чётно-нечётным числом протонов или нейтронов занимают среднее место. Элементы с нечётным числом протонов и нейтронов имеют очень малую распространённость, например
Распространенность элементов с четными порядковыми номерами больше соседних с нечетными номерами (рис. 1). Лёгкие элементы Li, Be, B находятся в дефиците, т. к. «горают» в реакциях с протонами. Ядра элементов конца Менделеевской системы имеют огромный избыток нейтронов и потому неустойчивы. Эти элементы претерпевают радиоактивный распад (U, Th, Ra и др.) и спонтанное деление (U, Th, некоторые актиниды).
Из данных о химическом составе оболочек Земли следует, что Земля имеет метеоритный состав. Метеориты разделяются на каменные (хондриты и более редкие ахондриты), железные (из Fe — Ni сплава) и смешанные. Хондриты потеряли все летучие вещества, кроме тех, которые прочно вошли в соединение с твёрдым веществом метеоритов — H2O, FeS, С, NH3 и др. Т. о., их твёрдое вещество по распространённости элементов отвечает солнечному составу; Mg, Si, Fe, О занимают первые места (по числу атомов Si/Mg = 1), затем S, Al, Са и др. Силикатная фаза хондритов состоит преимущественно из мета- и ортосиликатов (см. Силикаты) — пироксенов (MgSiO3) и оливинов [(Mg, Fe)2SiO4], т. е. является тройной системой MgO, SiO2, FeO. Каменные метеориты — многофазные системы; помимо главных фаз — силикатной и металлической (сплав Fe — Ni), они имеют ещё сульфидную, хромитную, карбидную, фосфидную фазы. Отношение силикатной и металлической фаз в разных метеоритах варьирует. Многие учёные, исходя из аналогии с метеоритами, считают, что планеты земного типа имеют также силикатную фазу и металлическое ядро, причём отношения между этими фазами у разных планет различны. По этой гипотезе, Земля имеет около 31% металлической фазы, или около 40% Fe (включая окисленное).
Распределение химических элементов. Земля, как и др. планеты земного типа и Луна, имеет оболочечное строение; она состоит из ряда геосфер: ядра, мантии, земной коры, гидросферы и атмосферы (см. Земля). Твёрдые оболочки Земли, слагающие их горные породы, парагенетические ассоциации минералов и т. п., как правило, — сложные многокомпонентные силикатные системы. Процессы, при которых они образуются, идут с конечными скоростями и являются необратимыми. В Г. мы встречаемся с неравновесными системами, которые характеризуются массой, объёмом, энтропией, давлением, температурой, химическими потенциалами. Для применения термодинамики в Г. необходимо знать поведение конкретных фаз, компонентов и систем в условиях геологической обстановки, в частности в большом диапазоне давлений и температур. Так, например, общее представление о направлении геохимического процесса даёт Ле Шателье — Брауна принцип, согласно которому в любой системе, находящейся под действием внешних сил, изменение какого-либо внешнего фактора вызывает превращение, направленное на компенсацию действия этого фактора. По действующих масс закону изменение активности одного из компонентов системы смещает равновесие. Например, в реакции
равновесие смещается вправо, т. к. ангидрит выпадает из раствора. В реакции
начинающейся при температуре выше 350 °С, равновесие сдвигается вправо, т. к. одновременно с отложением минерала волластонита CaCO3 образуется углекислота, удаляющаяся из системы. С повышением температуры в реакциях с участием газовой фазы равновесие смещается в сторону меньшего объёма газовых компонентов. Например, в реакции
равновесие сдвигается вправо. Высокое давление (газовое и литостатическое) изменяет направление и характер кристаллизации магмы.
Условия равновесия подчиняются также правилу фаз Гиббса (см.Фаз правило), согласно которому число термодинамических степеней свободы системы f = k — n + 2, где n — число фаз в системе, k — число компонентов. Поскольку в закрытой системе число степеней свободы f lb 2 (давление и температура), то число фаз n ³ k. Это минералогическое правило фаз, впервые в Г. примененное В. М. Гольдшмидтом, оправдывается для разнообразных горных пород.