Определение понятия «распространенность элементов (кларк)

Геохимическое поле – земное пространство, характеризуемое содержанием химических элементов или их соединений (Сх) в виде функции пространственных координат (x, y, z ) и времени (t):

Cx = f ( x, y, z, t) > 0 (1)

Для геохимического поля по В.И. Вернадскому характерно, что встречаемость (вероятность обнаружения) для любого химического элемента и в любой точке поля равна 100%. Необнаружение элемента при проведении конкретного анализа связано лишь с недостаточной чувствительностью применяемой методики анализа (1).

В преобладающей части пространства геохимического поля концентрации химических элементов примерно постоянны (для каждого элемента значение концентрации свое).Это фоновые концентрации (Сф) или кларки элементов (К).

Если в какой - то части геохимического поля фиксируется отклонение содержания элемента (Сх) от его кларка (в сторону понижения или увеличения), то такое явление называется геохимической аномалией.

Примером геохимических аномалий служат месторождения полезных ископаемых.

В геохимическом поле под воздействием различных по природе сил возникают миграционные потоки химических элементов или геохимические потоки рассеивания.

Многие процессы в геохимическом поле протекают в условиях подвижного равновесия или стремятся к регулярному режиму. Поэтому для конкретной геологической эпохи геохимическое поле, в целом,  не зависит от времени, но для отдельных частей геохимического поля временной параметр играет важную роль, в частности, при формировании техногенных геохимических аномалий.

Каждый из объектов биосферы Земли (литосфера, гидросфера, атмосфера и живое вещество) имеет свой, характерный только для этого объекта химический состав. Средние значения концентраций химических элементов в объектах биосферы носят название кларков (в честь американского ученого – геохимика Ф.У. Кларка, исследования которого положили начало изучению  химического состава земной коры).

Кларк элементаэто среднее содержание элемента в том или ином объекте биосферы.

По современным данным количественные оценки объектов биосферы следующие:

         литосфера (земная кора) - 28.46 × 1018 т;

         гидросфера - 1.41 × 1018 т;

         атмосфера - 5.2 ×1015 т;

         живое вещество - 2.44 ×1012 т.

Главными компонентами земной атмосферы являются газы, характеризуемые следующими постоянными содержаниями:

         азот N2 - 75.5%;

         кислород О2 - 23.1%;

         аргон Ar - 1.28 %;

         углекислый газ СО2 - 0.046%;

         гелий Нe - 0.0013%;

         неон Ne - 0.00029%;

         криптон Kr - 0.0000072%;              

         ксенон Хе - 0.0000036%.

В состав атмосферы входят также многочисленные второстепенные и редкие газы (пары воды, озон, метан, оксиды серы, оксиды азота, летучие соединения металлов, летучие органические и неорганические соединения и т.д.), которые присутствуют в незначительных и весьма переменных количествах, поэтому их кларки указать невозможно.

Литосфера является самой верхней твердой оболочкой земной поверхности, толщиной 16 км. В литосфере преобладают изверженные породы (граниты, диориты, габбро, базальты, сиениты, дуниты), на долю которых приходится около 95% массы литосферы. Оставшиеся 5% включают осадочные породы (сланцы, песчаники, известняки). При оценке среднего химического состава литосферы ее рассматривают как смесь базальтов и гранитов в соотношении 0.33 : 0.67.

Средний состав земной коры определяется, в основном, «легкими» химическими элементами, которые характеризуются относительно небольшими и четными атомными массами. Это химические элементы с атомными номерами до 30 (рис. 1).

Рис. 1. Кларки элементов в гидросфере (содержание в г/т)

На долю 8 самых распространенных элементов приходится 99,03% массы земной коры:

         кислород О – 47%;

         кальций Са – 2.96 %;

         кремний Si – 29,5 %;

         натрий Na – 2.5 %;

         алюминий Al  – 8,05 %;

         калий К – 2.5 %;

         железо Fe – 4,65 %;

         магний Mg  – 1.87 %.

В результате этого, минеральный состав литосферы на 96% представлен природными химическими соединениями (минералами) этих элементов:

полевыешпаты – (Na,K)[AlSi3O8];

кварц – SiO2;

слюды:KAl2(OH,F)[AlSi2O10] (мусковит),

K(Mg,Fe)3(OH,F)[Si2O10] (биотит);

железо-магнезиальные:

силикаты – (Mg,Fe)2[SiO4] (оливин);

карбонаты – (Mg,Ca)CO3.

На долю остальных химических элементов приходится менее 1% массы земной коры.

В гидросфере по массе абсолютно преобладают воды Мирового океана (80%), поэтому кларки гидросферы в основном определяются кларками элементов в океанической воде:

кислород О 85.7 %; магний Mg 0.13 %;

водород Н 10.8 %; кальций Са 0.04 %;

хлор Cl 1.93 %;  калий К 0.038 %;

натрий Na 1.03 %; сера S 0.09 %.

На долю этих элементов приходится 99.76 % массы всей гидросферы. В основном, по своему химическому составу гидросфера – это водный раствор хлорида натрия NaCl с концентрацией примерно 3 % (по массе).

Пресные воды – речной сток с континентов, на 99,99 % по массе состоят из кислорода О и водорода Н и представляют собой водный раствор солей с концентрацией 0,1 %. На долю наиболее распространенных примесей речной воды – натрия Na,  хлора Cl,  магния Mg, кальция Са , калия К и серы S приходится всего 0,004 % от массы пресных вод.

В целом в гидросфере наблюдаются иные, чем в литосфере количественные соотношения элементов.

Следует отметить очень низкий кларк в гидросфере таких характерных для литосферы элементов, как железо Fe (0,000001%), алюминий Al (0,000001%), кремний Si (0,0003%), что связано с крайне низкой растворимостью их соединений в условиях гидросферы.

Для гидросферы характерно увеличение содержания тех химических элементов (бор B, сера S, бром Br, хлор Cl, иод I), распространенность которых в литосфере невелика.