Геохимическая классификация элементов

Классификация в любой науке обобщает и отражает современные взгляды и свидетельствует о развитии данного научного направления. Цель классификации объектов – суммирование знаний на определенном этапе развития науки, выявление взаимосвязей между объектами, отражение эволюции и на основе этого объединение изучаемых объектов по определенным критериям в таксоны.

В основе любой геохимической классификации элементов лежит Периодическая система Д. И. Менделеева. Положение элемента в таблице указывает на его геохимические свойства, т. е. на способность мигрировать, рассеиваться или концентрироваться в определенных усло­виях ландшафта.

В настоящее время в геохимии известны следующие классификации химических элементов: В. М. Гольдшмидта, А. Е. Ферсмана, В. И.Вернадского, А. Н. Заварицкого, а в геохимии ландшафта А. И. Перельмана, Е. В. Склярова. Классификации А. Е. Ферсмана (рис. 10) и А. Н. Заварицкого основаны на поведении химических элементов в гипогенных условиях (магматических, метаморфических); В. М. Гольдшмидта и В. И. Вернадского отражают поведение элеме­нтов в гипо- и гипергенных условиях.

Согласно А. Н. Заварицкому, в соответствии с Периодической системой Д. И. Менделеева выделено 10 блоков, в которые входят близкие в геохимическом отношении химические элементы: благородные газы; горных пород (Na, Mg, Si, Al, Ca,Li, Be, Rb, Sr, Cs, Ba ); магматических эманаций (B, F, Cl, S, P, O, C, N); группы железа (Fe, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni); редкие (Nb, Ta, Sc, Y, Mo, Hf, W); радиоактивные; металлических руд (Cu, Zn, Sn, Hg, Ag, Au, Ga, Cd, In, Pb); металлоидные и металлогенные (As, Sb, Bi, Te, Se); группы платины; тяжелые галоиды (Br, J).

По способности создавать определенные химические соединения в природе и концентрироваться в среде В. М. Гольдшмидт (1924) разделил элементы на пять групп: литофилы (оксифилы), халькофилы, сидерофилы, атмофилы, биофилы. Литофилы образуют кислородные соединения, их ионы имеют 8-электронную оболочку. К ним относятся всего 54 элемента (Si, Fe, Ti, Cl, Br, В, Al, Ca, Mg и др.). Для халькофилов характерно взаи­модействие с серой и ее аналогами – селеном, теллуром. Внешняя оболочка катионов имеет 18-электронную конфигурацию (Сu, Zn, Pb, Cd, Fe, Co и др.). Природные соединения образуют сульфиды. Сидерофилы (Ni, Mo, Ni, Со, Os, Pd, Ir, Pt, Au Та и др.) в расплавах соединяются с железом. Они представлены атомами, которые образуют переходные ионы с внешней оболочкой 9–17-электронной конфигурации. Атмофилы характерны для атмосферы, их атомы имеют электронную конфигурацию инертных газов (2- и 8-электронную). Биофилы (С, Н, О, N, Р, S, Cl, Na, Ca, Mg, Fe и др.) концентрируются в живых организмах с образованием различных соединений. Однако в классификации В. М. Гольдшмидта некоторые элементы сочетают в себе свойства сидерофилов и халькофилов (Со), халькофилов и литофилов (Fe).

В основу геохимической классификации В. И. Вернадский положил историю поведения химического элемента в земной коре. В соответствии с этим он все элементы разделил на шесть групп: 1) благородные газы Не, Ne, Ar, Кг, Хе; 2) благородные металлы Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt; 3) циклические элементы Н, Be, В, С, N, О, F, Na, Mg и др. (всего 44); 4) рассеянные Li, Sc, Ga, Br, Rb, Y, In, I, Cs; 5) сильно радиоактивные Ро, Nt, Ra, Ac, Th, Pa, U; 6) редкие земли La, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu.

Классификация элементов, составленная А. И. Перельманом, соответствует их поведению в условиях зоны гипергенеза. В классификации учитывалась интенсивность, контрастность, виды миграции элементов в различных геохимических обстановках, а также их свойства и кларки. Химические элементы разделены по форме миграции на две основные группы: воздушные и водные. Из активных воздушных мигрантов в основном состоят живое вещество, природные воды. Воздушные мигранты в значительной степени определяют рН и Eh природных вод. Пассивные воздушные мигранты не играют существенной роли в ландшафте. Водные мигранты делятся на анионогенные и катионогенные, поведение которых в ландшафте определяется свойствами самих элементов и геохимическими условиями среды (Eh и pH). Каждая выделенная группа представляет собой парагенную ассоциацию элементов, осаждающихся на геохимических барьерах. В пределах групп химические элементы расположены по убыванию кларка. При сходных химических свойствах чем выше кларк, тем больше геохимическая роль элемента. Особенности миграции отражены в приведенной ниже схеме:

Примечание: выделены элементы, для которых характерна биогенная аккумуляция.

Химические элементы с близкими ионными радиусами и зарядами, как правило, одинаково ведут себя при воздействии геохимических процессов. Для практических целей (Е. В. Скляров и др., 2001) выделены четыре группы элементов:

1. Главные элементы – Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P; летучие компоненты – H₂O, CO₂, H₂S, SO₂.

2. Радиогенные изотопы – K-Ar, Ar-Ar, Rb-Sr, Sm-Nd, U-Pb-Th.

3. Стабильные основные изотопы – H, O, C, S – индикаторы процессов;

4. Элементы- примеси (содержание меньше 0,1%):

• крупноионные литофилы, наиболее подвижные в геологических системах (Cs, Rb, K, Ba, Sr);

• транзитные, слабо подвижные элементы (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn);

• благородные металлы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au, Cu, Ni);

• высокозарядные и наименее подвижые элементы (Sc, Y, Th, U, Pb, Zr, Hf, Nb, Ta, редкоземельные элементы); редкоземельные элементы наиболее стабильны с четными номерами, их кларк более высокий, и они делятся на три группы: легкие (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu), промежуточные (Gd, Tb, Dy, Ho), тяжелые (Er, Tm, Yb, Lu).