«Принцы» и «нищие» в царстве минералов - Лев Абрамович Барский
На дно морей и озер выпадают мел и известняк (минералы кальция), соли калия, натрия и магния, окислы железа, частички глины. Из них формируются руды солей, известняка, огнеупоров, железа и алюминия. Погребенные под слоем земли остатки растений и животных образуют пласты угля и нефти.
Все эти месторождения могут вновь опуститься в недра Земли и там подвергнуться новым воздействиям магмы, а могут подняться на вершины гор.
Родные и знакомые
Распространенность элементов в земной коре в некотором роде характеризует их «дефицитность». Главными считают химические элементы, присутствующие в природных образованиях в количестве свыше 1 %, второстепенными — 0,1–1 %, микроэлементами — прочие, распространенность которых менее 0,1 %.
Существует классификация элементов по химическому сродству. Наибольшее число элементов литосферы, имеющих химическое сродство к кислороду, образует группу оксифильных. Эта группа включает главные элементы литосферы, являясь основой вещества земной коры (подгруппа литофильных элементов): О, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, К. Часть оксифилов, имеющих тенденцию накапливаться вместе с железом, выделяется в подгруппу сидерофильных элементов: Fe, Ni, V.
Группа сульфофильных объединяет элементы, имеющие повышенное химическое сродство к сере: Си, Zn, As, Mo, Pb, Bi. Эти элементы присутствуют главным образом в виде сульфидов, имея тенденцию накапливаться вместе с серой в сульфидных месторождениях. Отдельную группу составляют благородные металлы, включающие платиноиды, серебро и золото, которые встречаются в природе преимущественно в самородном виде.
Распространенность элементов в земной коре
Микроэлементы трех перечисленных групп делятся на минералогеипые и рассеянные. Минералогенпые элементы (например, тантал, бериллий, селен, теллур и др.) даже в случае ничтожного среднего содержания их в земной коре образуют большое число собственных минералов. Часть атомов минералогенных микроэлементов находится и в рассеянном состоянии, присутствуя в виде примесей в кристаллических структурах других минералов.
Рассеянные элементы либо совсем не образуют собственных минералов, присутствуя в структурах минералов других элементов в виде изоморфной примеси, либо образуют минералы, встречающиеся в природе чрезвычайно редко. Рассеянное состояние является следствием близости размеров и химических свойств их атомов и ионов к какому-либо из широко распространенных элементов, Типичными парами являются алюминий — галлий, калий-рубидий, кремний — германий, цирконий — гафний. Некоторые рассеянные элементы благодаря особенностям строения их атомов имеют двойственную природу и могут рассеиваться как в кислородных соединениях, так и в сульфидах (галлий, германий и таллий).
Гидрофильные элементы характерны для гидросферах и в большинстве своем составляют анионную часть химических соединений, присутствующих в водных растворах. Элементы атмосферы и газовой составляющей твердой литосферы образуют группу атмофильных элементов, большая часть которой представлена благородными газами.
Химические элементы в горных породах распределены неравномерно. Отклонения содержания от среднего в сторону уменьшения характеризуют рассеяние элемента, а отклонения в сторону увеличения — его концентрации Процессы рассеяния и концентрации химических элементов в земной коре осуществляются в результате миграции атомов под воздействием внутренних сил Земли, определяющих формирование коры земного шара, — эндогенные процессы миграции, или внешних сил, возникающих на поверхности Земли при взаимодействии литосферы, атмосферы и гидросферы, — экзогенные и гипергенные процессы миграции.
В геохимии существует понятие «кларк» — среднее содержание элемента в земной коре (кларк кислорода 46,60; кремния — 27,72). В. И. Вернадский ввел понятие «кларк концентрации» — отношение среднего содержания элемента в отдельном месторождении к кларку этого элемента в земной коре. Пользуясь этими понятиями, руду можно определить как образование, в котором кларк концентрации некоторого элемента достигает числа, достаточного для рентабельного его извлечения (см. таблицу).
Природные геохимические аномалии с концентрацией отдельных химических элементов или минералов, достаточной для экономически выгодного использования, являются месторождениями полезных ископаемых. Концентрации химических элементов в промышленных месторождениях обычно превышают их среднее содержание в земной коре в десятки и сотни тысяч раз.
Некоторые элементы, которые играют важную роль в экономике и давно известны, в действительности достаточно редки. Например, медь менее распространена, чем цирконий, распространенность свинца сравнима с распространенностью галлия, а ртуть встречается реже, чем любой из редкоземельных элементов. Вместе с тем относительно распространенными являются некоторые малоиспользуемые элементы: рубидия в природе больше, чем никеля, ванадий значительно более распространен, чем олово, скандий — чем мышьяк, а гафний, один из последних открытых элементов, более распространен в природе, чем йод.
Доступность элемента для извлечения в значительной степени зависит от его способности образовывать индивидуальные минералы. Наиболее трудно извлекаются рассеянные элементы: индий, рубидий, галлий, гафний, рений и др. Рассеянных элементов гораздо больше, чем концентрирующихся в рудных месторождениях.
Магний извлекают из морской воды, где его концентрация 0,13 %, и соляных отложений карналлита, выпавшего в осадок из морской воды, хотя имеются громадные по запасам месторождения оливина, содержащего около 13 % магния, но извлечение магния из оливина гораздо труднее и дороже. Иногда использование определенных редких элементов обусловлено не только их Полезными свойствами, но и возможностью их попутного получения при добыче более распространенных элементов.
В земной коре в настоящее время установлено около 2500 самостоятельных минеральных видов и более 7000 разновидностей. По распространенности минералы делятся на пять групп:
1. Очень распространенные, основные составные части большинства горных пород (полевые шпаты, кварц, слюды, кальцит и др.).
2. Распространенные, существенные составные части редких горных пород или входящие в большинство горных пород в незначительных количествах (апатит, нефелин, лейцит и др.).
3. Среднераспространенные, непородообразующие, но встречающиеся в большинстве месторождений полезных ископаемых в составе руд (пирит, халькопирит, галенит, ильменит и др.).
4. Редкие, встречающиеся в сравнительно небольшом количестве месторождений или в небольших концентрациях (самородное золото, серебро, сильвин, витерит, минералы бериллия, тантала и др.).
5. Очень редкие, известные лишь в единичных точках земного шара и в небольших количествах (криолит, германит и др.).
Химические элементы в процессах геохимической миграции подчиняются закономерностям химических равновесий.
Широко распространена изоморфная форма геохимического распределения элементов. Изоморфией называется способность атомов и ионов химических элементов замещать друг друга в кристаллических решетках при условиях близости размеров составляющих кристаллическую решетку атомов, ионов и их групп, тождества знака заряда и относительно близких величин их поляризации. Изоморфия природных соединений определяет сходство химической формулы, близость геометрического типа структуры решетки и типа химической связи. Состав даже самых простых бинарных соединений по
