Понятие о массовых и атомных кларках

Литосфера (от греч. литос – камень и sphấira – шар) – этот термин до последнего времени использовали как синоним термина земная кора. Сейчас в состав литосферы – наружной оболочки Земли – обычно включают наряду с земной корой и находящуюся под ней верхнюю часть мантии до начала астеносферы, то есть до глубины 70-75 км. Состоит из твёр­дого вещества – каменных горных пород.

Химический состав твёрдой оболочки Земли – литосферы – в силу её крайней неоднородности определить с той же степенью погрешности, что и для других геосфер, весьма трудно.

Наиболее достоверные факты накоплены в области исследования состава земной коры. Особая роль в этом принадлежит главному химику Геологической службы США Ф.У. Кларку.

Исходя из известного факта, что изверженные горные породы составляют около 95 % от массы земной коры, а осадочные породы — лишь 5 %, Кларк за 20 лет обобщил исследования более тысячи учёных и данные множества произвольно выбранных анализов изверженных пород. Он исходил из предположения о том, что наиболее часто встречающиеся в природе горные породы должны чаще по­падать на стол химиков для анализа. Сначала были учтены данные 1500 анализов, а позднее их число выросло до 5000. Полученные таким образом средние данные и были предло­жены Кларком в качестве меры распространения химиче­ских элементов в земной коре. Не всей, конечно, а лишь верхней части. Кларк условно провёл границу на глубине 16 км. Эта же цифра используется и в современных расчётах.

Сначала у метода Кларка нашлось много против­ников. Но когда были специально отобраны множество геологических проб в разных странах, произведённый анализ показал замечательное совпадение распространённости в них химических элементов с данными Кларка. Массовая доля каждого химического элемента в общей массе земной коры по пред­ложению А.Б. Ферсмана была названа кларком данного элемента.

Однако массовые кларки лишь относительно характери­зуют распространённость химических элементов. А. Е. Ферсман предложил пользоваться атомными кларками, показывающими долю атомов данного элемента от общего числа всех атомов земной коры. Эта мера позволяет срав­нивать распространённость химических элементов с разными атомными массами. Так, например, массовой кларк водорода равен 1, то есть на долю водорода приходится лишь 1 % от всей массы земной коры. Атомный же кларк водорода равен 16, то есть из каждых ста атомов земной коры на долю атомов водорода приходится 16.

Таблица 3

Среднее содержание наиболее распространённых в земной коре химических элементов

Данные табл. 3 показывают, что на долю наиболее распространённых 8, так называемых главных, химических элементов (величины их кларков больше 1) приходит­ся 99,03 % содержание остальных 79 природных химических элементов существенно меньше, около 1 %, по мнению из разнообразие служит источником богатства земных недр.

Элементы, кларки которых < 0,01 называют редкими. Если элементы обладают слабой способностью образовывать минералы, их называют рассеянными.

Наименее распространёнными химическими элемента­ми являются благородные (инертные) газы, содержание которых в земной коре составляет от 10^-12 до 10^-17 атомных кларков, а то и вовсе не поддаётся достоверной количественной оценке. Первоначальные запасы технеция Tc, полония Po, радона Rn, франция F, радия Ra, актиния Ac, протактиния Pa, существовавшие на планете в период её образования, давным-давно «съедены» радиоактивностью. Те же их количества, которые можно обнаружить в земных минералах, имеют второстепенное происхождение. Они полностью воспроизводятся благодаря распаду урана ₉₂U и тория ₉₀Th. От прочих радиоактивных элементов эти два отличаются гораздо большей продолжительностью «жизни» – она измеряется миллиардами лет.

Поэтому "первозданные" уран и торий до сих пор сохранились на Земле, и их открывали в природных минералах, как обычные стабильные элементы. Показатель распространённости у них средний. А вот порождённость или вторичность элементов в 16-километровой толще земной коры ничтожно мало – немногим более 1 млн. тонн.

Оценить состав не только земной коры, но и планеты в целом попытались учёные в 1966 г., основываясь на существующих гипотезахо внутренне строении Земли. Расчёты показали, это в первую десятку наиболее распространённых элементов планеты входят: железо (38,8 %), кислород (27,17 %), кремний (13,84%), магний (11,25 %), сера (2,74 %), никель (2,7 %), алюминий (1,07 %), кальций (1,07 %), натрий (0,51 %) и кобальт (0,2 %).

Кларки титана Ti и марганца Mn измеряются десятыми долями процента (10^-1). Кларки углерода C, фтора F, фосфора P, серы S, хлора Cl, рубидия Rb, стронция Sr, циркония Zr и бария Ba составляют сотые доли процента (10^-2). Тысячными долями процента (10^-3) измеряются 18 элементов: азот N, хром Cr, медь Cu, цинк Zn, свинец Pb и др. Редкие элементы (их 39) кларки, расположенные в интервале 10^-4-10^-8 %. Большинство из них находятся в 5-м и 6-м периодах периодической системы химических элементов.

Рис.. Схема Земли и состав земной коры

Отсюда следует главное заключение: химические элементы в земной коре встречаются крайне неравномерно. Кроме того, указанные в табл. 3 элементы располагаются только во 2, 3 и 4-м периодах Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева; из них наибольший порядковый (атомный) номер (26) имеет железо.