Закон кларка вернадского кратко

Обновлено: 02.07.2024

Закон биогенной миграции атомов (В.И. Вернадского). Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или протекает в среде, геохимические особенности которой (Ог, СО2, Н2 и т.д.) обусловлены живым веществом — как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое было на Земле в течение всей геологической истории.[ . ]

Закон физико-химического единства живого вещества (В.И. Вернадского). Все живое вещество Земли физико-химически едино. Из Закона естественно вытекает следствие: вредное для одной части живого вещества не может быть безразлично для другой его части, или: вредное для одних видов существ вредно и для других. Отсюда — любые физико-химические агенты, смертельные для одних организмов (например, средства борьбы с вредителями), не могут не оказывать вредного влияния на другие организмы. Вся разница состоит лишь в степени устойчивости видов к агенту. Поскольку в любой многочисленной популяции всегда находятся разнокачественные особи, в том числе менее или более устойчивые к физикохимическим влияниям, скорость отбора по выносливости популяций к вредному агенту прямо пропорциональна скорости размножения организмов, быстроте чередования поколений. Исходя из этого, при растущем воздействии физико-химического фактора, к которому организм с относительно медленной сменой поколений устойчив, на менее устойчивый, но быстрее размножающийся вид их способность противостоять рассматриваемому фактору уравнивается. Именно поэтому длительное применение химических методов борьбы с вредителями растений и возбудителями болезней человека и теплокровных животных экологически неприемлемо. С отбором устойчивых особей быстро размножающихся членистоногих нормы обработки приходится увеличивать. Однако и эти увеличенные концентрации оказываются малоэффективными, но тяжело отражаются на здоровье людей и позвоночных животных.[ . ]

Закон константности (В.И. Вернадского). Количество живого вещества природы (для данного геологического периода) есть константа. Любое изменение количества живого вещества в одном из регионов биосферы неминуемо влечет за собой такую же по размеру его перемену в каком-либо регионе, но с обратным знаком. Полярные изменения могут быть использованы в процессах управления природой, но следует учитывать, что не всегда происходит адекватная замена. Обычно высокоразвитые виды и экосистемы вытесняются другими, стоящими на относительно эволюционно более низком уровне (крупные организмы — более мелкими), а полезные для человека формы — менее полезными, нейтральным или даже вредными.[ . ]

Вернадский пришел к выводу, что жизнь может существовать только в форме гигантской системы — биосферы. Изменяются виды живых организмов, изменяется и биосфера. Их развитие связано между собой и подчиняется определенным законам.[ . ]

Закон максимума биогенной энергии (энтропии) В.И. Вернадского—Э.С. Бауэра: любая биологическая или биокосная система, находясь в состоянии динамического подвижного равновесия с окружающей средой и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду, если этому не препятствуют внешние факторы.[ . ]

Закон физико-химического единства живого вещества (В.И. Вернадского): все живое вещество Земли физико-химически едино, что не исключает биогеохимических различий.[ . ]

В.И.Вернадский сформулировал закон единства организма и среды: жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов. Форма существования организма всегда соответствует условиям его жизни.[ . ]

В.И.Вернадский в другой своей работе обращает внимание на необходимость познания энергетических свойств биоты. Не только в климатологии и метеорологии, но и в геохимии и минералогии явления изменений - химические процессы - связаны не с энергией глубоких слоев земной коры или Земли, а вызываются энергией Солнца, космической энергией, приходимой на Землю извне. Источником изменений является богатая жизнью поверхностная пленка планеты. Аккумулятором космической энергии, распределителем ее в минералогических и геохимических процессах является сосредоточенное в ней живое вещество. Очевидно, чем больше и точнее мы будем знать его энергетические свойства, тем яснее станет нам весь процесс химических изменений земной коры, доступных нашему изучению" (Вернадский, 1970, с.99). Раскрытие энер-гетическай роли живого вещества в природной среде требует обстоятельного разговора и о других его функциях.[ . ]

В.И. Вернадский развивал материалистическое представление о ноосфере, понимая под ноосферой не нечто внешнее по отношению к биосфере, а новый этап в ее развитии, заключающийся в разумном регулировании отношений человека и природы. Развивая учение о биосфере, необходимо придавать понятию ноосферы глубоко научное содержание, которое должно учитываться в процессе перестройки среды и общества. В этом отношении ноосферу следует рассматривать как высшую стадию развития биосферы, связанную с появлением и развитием в ней человеческого общества, которое, познавая законы природы и развивая технику до самого высокого уровня ее возможностей, становится крупной планетарной силой, превышающей по своим масштабам все известные геологические процессы вместе взятые. При этом человечество оказывает решающее влияние на протекание всех процессов в биосфере, глубоко изменяя ее своим трудом.[ . ]

В. И. Вернадский считал, что обязательно должно наступить время, когда человечество станет более разумно относиться к окружающей его природной среде, и эволюция биосферы будет происходить как по природным законам, так и под сильным влиянием просвещенного человеческого разума.[ . ]

В. И. Вернадский впервые сформулировал закон о неизбежности перехода биосферы в высшую стадию — ноосферу, сферу разума, т.е. разумно и гармонично организованную жизнь. Современных ученых интересует проблема интеллектуальных ресурсов научно-технического прогресса, когда интеллект, обусловленный человеческим мозгом, рассматривается в качестве решающего природного ресурса.[ . ]

В 1940 г. В.И. Вернадский открыл фундаментальные законы (принципы) геохимической деятельности живых организмов в биосфере (биогеохимические принципы).[ . ]

Трудами В. И. Вернадского и Б. Б. Полынова, их учеников — М. А. Глазовской, В. В. Добровольского, Л. И. Лукашова, А. И. Перельмана и многих других — в середине текущего столетия были заложены основы новой науки — геохимии ландшафта. Законы общей геохимии в ней преломлены применительно к ландшафтной сфере Земли. Геохимия ландшафта — это наука о химическом составе компонентов ландшафта и процессах миграции химических элементов, связывающих их компоненты в природно-территориальные комплексы и определяющих индивидуальность последних.[ . ]

Поскольку, по закону биогенной миграции атомов В. И. Вернадского, миграция химических элементов в биосфере осуществляется при непосредственном участии живого вещества (разд. 3.10), существующее экологическое равновесие определяет как нынешнюю геохимическую ситуацию, так и ту, что сложится в будущем. При этом законы сложения геохимической картины ближайшей и более отдаленной перспективы известны очень мало, если вообще мы что-то знаем с достаточной для практики степенью подробности.[ . ]

Академик В. И. Вернадский, разрабатывая новое направление — биогеохимию, создал комплексное учение о биосфере, представляющее собой замечательный пример вскрытия законов взаимозависимости и взаимообусловленности живой и неживой природы как неразрывного комплекса явлений.[ . ]

Это связано с забвением закона В. И. Вернадского о физико-химическом единстве всего живого вещества на планете, по которому вредный компонент для какой-то части живого вещества не может быть нейтральным для другой части, или: вредное для одних видов существ вредно и для других.[ . ]

В соответствии с учением В.И. Вернадского под ноосферой понимается высшая стадия эволюции биосферы, когда главным определяющим фактором ее развития становится разумная человеческая деятельность. На этой стадии человечество, познавая законы природы и совершенствуя технику, начинает оказывать решающее влияние на ход природных (включая космические) процессов. На ноосферной стадии развития биосферы подразумевается разумная, отвечающая потребностям развивающегося человечества организация взаимодействия общества и природы в противоположность стихийному, хищническому отношению к ней, приводящему к ухудшению окружающей среды.[ . ]

Анализируя представления В.И. Вернадского о ноосфере, Э.В. Гирусов (1986) высказал мнение, что ломка развития человеческой деятельности должна идти не вопреки, а в унисон с организованностью биосферы, ибо человечество, образуя ноосферу, всеми своими корнями связано с биосферой. Ноосфера — естественное и необходимое следствие человеческих усилий. Это преобразованная людьми биосфера соответственно познанным и практически освоенным законам ее строения и развития.[ . ]

Несколько слов об общих принципах и законах мироздания. Физике известно большое число полей: акустические, аэродинамические, гравитационные, ионные, радиационные, температурные, электромагнитные и т.д. Современные данные свидетельствуют о том, что все физические поля имеют единую электродинамическую природу. С более общих, естественно-научных позиций учения В.И. Вернадского можно говорить о единстве живой и неживой природы, о едином поле, связывающем в общее целое исключительно мелкие объекты (микромир), чрезвычайно крупные (Вселенную) и наиболее сложные (жизнь).[ . ]

Указанный принцип тесно связан с другим законом В. И. Вернадского — законом константности: количество живого вещества биосферы (для данного геологического периода) есть константа.[ . ]

Здесь уместно, по нашему мнению, привести закон физико-хи-мического единства живого вещества, сформулированный В.И. Вернадским: все живое вещество Земли физико-химически едино.[ . ]

В экологической и эколого-правовой литературе описываются основные законы природы, которые влияют на содержание правовых норм. Это законы, сформулированные академиком В. И. Вернадским,— биогенной миграции атомов, константности, физико-химического единства живого вещества, другими учеными (законы экологической корреляции, снижения энергетической эффективности природопользования, убывающего плодородия, ограниченности природных ресурсов и др.). С учетом названных и других законов разрабатываются различные экологические теории. Так, В. В. Петров выделял следующие концепции взаимодействия общества и природы в качестве формирующих нормы экологического права на разных этапах его становления и развития: натуралистические, в том числе невмешательства в природу; потребительские; алармистские; причин экологического кризиса, наступления на природу, саморегуляции в природе и адаптации человека; пределов роста и органического роста; глобального управления, а также теорию экологической революции. На современном этапе в условиях глобализации экономических и иных социальных процессов получили распространение концепции устойчивого развития, ограничения экономического развития, потребностей и народонаселения, сохранения биоразнообразия и пр. Особое место занимает в этом ряду пока еще формирующаяся теория экологического развития. Наиболее продвинутой в наши дни является концепция устойчивого развития, которая стремится сочетать удовлетворение потребностей настоящего времени, не создавая угроз для будущих поколений людей. В ней сделана попытка обосновать комплексный подход к сбалансированному развитию экономической, экологической, социальной сфер, сочетанию интересов развитых и развивающихся стран, внедрению системы разумных ограничений в потреблении, технике, технологиях, не наносящих невосполнимого ущерба окружающей среде при сохранении (и создании) приемлемого, достойного уровня жизни людей. В РФ по итогам Конференции в Рио-де-Жанейро были приняты определенные меры по реализации этих положений1.[ . ]

Н.Ф.Реймерс (1994), управлять люди будут не природой, а прежде всего собой. И в этом смысл закона ноосферы В.И.Вернадского.[ . ]

Эти условия изменяет и сама биосистема, образуя биосреду собственного существования. Это свойство биосистем сформулировано в виде закона максимума биогенной энергии (энтропии) В. И. Вернадского — Э. С. Бауэра: любая биологическая или биокосная (с участием живого) система, находясь в подвижном (динамическом) равновесии с окружающей ее средой и эволю-ционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду. Давление растет до тех пор, пока не будет строго ограничено внешними факторами (надсистемами или другими конкурентными системами того же уровня иерархии), либо не наступит эволюционно-экологическая катастрофа. Она может состоять в том, что экосистема, следуя за изменением более высокой надсистемы как более лабильное образование, уже изменилась, а вид, подчиняясь генетическому консерватизму, остается неизменным. Это приводит к длинному ряду противоречий, ведущих к аномальному явлению: разрушению видом собственной среды обитания (не срабатывает обратная связь, регулирующая деятельность вида в составе экосистемы, а отчасти разлаживаются и популяционные механизмы). В этом случае биосистема разрушается: вид вымирает, биоценоз подвергается деструкции и качественно меняется.[ . ]

Биосфера является единственным местом обитания человека и других живых организмов. Человек, как и все живое, может мыслить и действовать . только в области жизни — в биосфере . с которой он неразрывно связан и уйти из которой он не может. Экологической нишей человека, то есть совокупностью всех факторов среды, в пределах которых возможно существование в природе данного вида, является вся земля.[ . ]

Но важен для нас факт, что идеалы нашей демократии идут в унисон со стихийным геологическим процессом, с законами природы, отвечают ноосфере. Можно смотреть поэтому на наше будущее уверенно. Оно в наших руках. Мы его не выпустим "(Вернадский, 1987, с. 304).[ . ]

Биосфера является единственным местом обитания человека и других живых организмов, причем из построений В. И. Вернадского и ряда других ученых следует закон незаменимости биосферы.[ . ]

Количество живого вещества в биосфере, как известно, не подвержено заметным изменениям. Эта закономерность была сформулирована в виде закона константности количества живого вещества В. И. Вернадского: количество живого вещества биосферы для данного геологического периода есть константа. Практически данный закон является количественным следствием закона внутреннего динамического равновесия для глобальной экосистемы — биосферы. Поскольку живое вещество в соответствии с законом биогенной миграции атомов есть энергетический посредник между Солнцем и Землей, то его количество или должно быть постоянным, или должны меняться его энергетические характеристики. Закон фи-зико-химического единства живого вещества (все живое вещество Земли физико-химически едино) исключает значительные перемены в последнем свойстве. Отсюда для живого вещества планеты неизбежна количественная стабильность. Она характерна в полной мере и для числа видов.[ . ]

Закон Кларка-Вернадского. Каждая планета с момента зарождения получила в свое распоряжение примерно одинаковый набор химических элементов. Под действием космогенных, эндогенных, экзогенных и других процессов происходит перераспределение химического вещества, поэтому каждая планета несмотря на общность первичной материальной основы обладает своеобразными химическими особенностями. Они фиксируются прежде всего в определенном элементном и минеральном составе оболочек планет – в их твердой, жидкой и газовой составляющих. Такое явление оказалось характерным и для Земли. Американский ученый Р. Кларк и российский – В.И. Вернадский независимо друг от друга рассчитали среднее содержание химических элементов в верхней части земной коры до глубины 16 км. Академик А.Е. Ферсман предложил эти значения называть кларками в честь одного из первооткрывателей главного геохимического закона Земли, а сам закон получил название по фамилиям его основоположников Кларка-Вернадского. Основные его принципы отражены в следующих положениях:

1) На атомарном уровне химические элементы распространены повсеместно. Современные методы химического анализа пока не позволяют подтвердить этот факт. Их чувствительности пока не хватает для определения присутствия многих химических элементов.

2) В природе происходят никогда не прерывающиеся процессы рассеяния и концентрирования вещества. Первый из них ведет к образованию ореолов и потоков рассеяния, в результате которых происходит разрушение месторождений полезных ископаемых, уменьшение содержания химических элементов по сравнению с первоначальным. Второй процесс ведет к локализации вещества, его аккумуляции и, как следствие, образованию месторождений полезных ископаемых.

3) Перераспределение химических элементов, которое происходило непрерывно на протяжении всей истории нашей планеты, привело к тому, что каждая оболочка Земли (литосфера, атмосфера, биосфера, гидросфера) характеризуется свойственным только ей средним содержанием этих элементов и соответствующими значениями их кларков.

Одной из целей геохимических исследований является выявление геохимических аномалий. Они могут быть положительными, если обнаруженная в изучаемом районе концентрация вещества превышает его кларк, или отрицательными, если обнаруженная концентрация вещества меньше его кларка. В первом случае можно говорить об аккумуляции (накоплении) вещества, во втором – о его разубоживании (рассеянии). Для проведения таких сравнений используется показатель, который называется кларком концентрации (КК):

С_i - обнаруженная концентрация вещества в пробе;

С_к - кларковая концентрация.

Для разбраковки ореолов и потоков рассеяния используют обычно другой показатель-коэффициент концентрации (К_к). Запись формулы такова:

, где С_ф – фоновая концентрация элемента.

Для расчета фоновой концентрации элемента проводится статистическая обработка материалов исследований. По изучаемому объекту (участку, минерализованной зоне) должно быть получено не менее 25-30 проб. Эти данные наносятся на график логнормальной зависимости (рис.1), с помощью которого и определяются фоновые концентрации элемента.

По аналогии с формой записи химического анализа воды, принятой в гидрогеологии и предложенной М.Г. Курловым, в геохимии разработана своя форма записи степени контрастности и состава ореолов рассеяния. Она предложена Е.М. Квятковским и выглядит следующим образом: в начале пишется аббревиатура коэффициента контрастности (К_к). Далее пишется цифра, характеризующая его величину для изучаемого объекта. Затем записывается дробь: числитель – индексы компонентов, составляющие 25 и более процентов от величины К_к. В знаменателе – индексы компонентов, составляющие 25-5 % от величины К_к.. А за дробью фиксируются компоненты, которые в сумме К_к имеют менее 5 %, но обладают собственным К_к более 1. Приведем пример такой записи:

Из приведенной выше записи видно, что контрастность ореола весьма высока (50), а его состав преимущественно свинцово-цинковый. Важную роль в его составе играют также олово и медь и отмечается присутствие молибдена и мышьяка.

Распределение химических элементов в оболочках Земли. Переходим к геохимической характеристике главных оболочек Земли.

Литосфера. Элементный состав земной коры приведен во многих научных работах и справочных руководствах. Его количественные оценки, опубликованные в разных источниках, мало отличаются друг от друга. Наблюдаемые различия в значениях кларков элементов связаны с разной расчетной глубиной литосферы или разной формой выражения химического анализа (весовой, атомной или объемных %). Необходимые сведения о распределении химических элементов в верхней части земной коры приведены в таблице 1.

Кларки элементов в литосфере (по А.П. Виноградову, 1960) в весовых %

Декады по Вернадскому В. И., %	Число элементов	Элементы	Число кларков элементов
n·10 +1	O, Si	74,31
n·10 0	Al, Fe, Ca, Na, K, Mg	24,38
n·10 -1	Ti, H, C	0,85
n·10 -2	Mn, P, S, Ba, Cl, Sr, Rb, F, Cr, Zn, V, N, Cu	0,487
n·10 -3	Ni, Li, Zn, Cl, Sn, Co, Yn, Nd, La, Pb, Ga, Nb, Gd	0,043
n·10 -4	Th, Ge, Cs, Pr, Sm, Be, Sc, As, Dy, Er, Hf, B, Mo, Vb, Tl, U, Ta, Br, Tb, Ho, Eu, Lu, W	0,009
n·10 -5	Tu, Se, Cd, Sb, I, Bi, Ag, In	0,0003
n·10 -6	Hg, Os, Te, Pd	----
n·10 -7	Pt, Ru, Au, Re, Rh, Ir	----
-7	He, Ne, Ar, Kr, He, Tc, Pm, Po, At, Rn, Fr, Ra, Ac, Pa	----

Как следует из рассмотрения таблицы, распределение химических элементов неравномерно. Первые три наиболее распространенных элемента литосферы – кислород, кремний, алюминий составляют 84,55 % от ее веса. Первые девять элементов из этого перечня дают по весу уже 98,69 %, а первые двенадцать – 99,54 %. Наиболее широко распространенные элементы относятся к началу периодической таблицы Д.И. Менделеева. С удалением от ее начала кларки элементов уменьшаются. Обратим особое внимание на выдающуюся роль атомов кислорода, который составляет 53,8 % от количества атомов земной коры. Кислородные соединения литосферы (силикаты и алюмосиликаты) образуют более 98 % ее объема.

Атмосфера. Внешняя оболочка Земли называется наземной атмосферой. Благодаря газообразному состоянию атомы атмосферы находятся в непрерывном и интенсивном взаимодействии с атомами других оболочек Земли. Вес атмосферы равен 5 ∙ 10 15 тонн или 0,05 % от веса земной коры. Нижняя часть атмосферы примерно до высоты 7-18 км называется тропосферой. Ее состав за вычетом паров воды следующий:

N	75,51	Ar	1,28	Ne	0,0012	He	0,00007
O	23,01	CO₂	0,04	Kr	0,0003	Xe	0,00004

В эволюции состава атмосферного воздуха выделяются следующие этапы его изменения: 1) Изменение восстановительной обстановки на окислительную. Эти процессы произошли в протерозое; 2) Образование озонового слоя примерно 0,7 млрд лет тому назад, который позволил перейти живым организмам из моря на сушу; 3) Поглощение растительным покровом углекислоты, образование свободного кислорода обеспечили такое соотношение кислорода и углекислого газа, благодаря которому возникли многие проявления жизни на планете; 4) Испарение воды с водной поверхности приводит к образованию атмосферных осадков, которые являются основным источником питания подземных вод. Этим питанием объясняется образование зоны пресных вод.

На современное состояние и состав атмосферы оказывают наибольшее влияние вулканическая деятельность и техногенные процессы. Интенсивные извержения вулканов, происходившие несколько миллионов лет тому назад, оказались главной причиной четвертичного оледенения. Новые оледенения, связанные с проявлением современного вулканизма, наблюдались и в последнее тысячелетие. Деятельность человека стала также оказывать влияние на климат (состояние и состав атмосферы) в связи с испытанием ядерного оружия, массовыми выбросами промышленных газов, добычей и сжиганием нефти и газа, ростом мегаполисов, вырубкой лесов, сельскохозяйственным земледелием, разработкой полезных ископаемых, промышленным и гражданским строительством. В результате преимущественно этих действий человека увеличилась среднегодовая температура воздуха на планете за последние сто лет на 0,4 о С, возросло содержание углекислого газа на 0,01 %, увеличилась площадь опустынивания земель, обусловленная аридизацией климата в одних районах; в других районах наблюдается значительный рост количества катастрофических явлений, связанный с движением воздушно-водяных масс (ураганами, смерчами, наводнениями и другими событиями). Ежегодно в воздушное пространство планеты выбрасываются сотни тысяч тонн пыли, в которых значительное место занимают ядовитые вещества, металлы, радиоактивные образования и др. Все это приводит к проявлению парникового эффекта и ухудшению климата на нашей планете.

Наряду с наземной атмосферой существует подземная ее составляющая. В верхней части земной коры между поверхностью зоны насыщения (а это обычно грунтовые воды) и поверхностью Земли расположена зона аэрации. В пустотном пространстве этой зоны превалируют преимущественно газы воздушного происхождения. В зоне насыщения с глубиной их роль постепенно уменьшается, и главное значение приобретают газы биогенного, метаморфогенного, магматогенного и другого происхождения. Благодаря этому в верхней части разреза создается окислительная обстановка, а главными газами являются азот, кислород и углекислый газ. С глубиной окислительная обстановка сменяется восстановительной, в которой главными газами являются азот, метан, сероводород, углекислый газ, водород и др.

Наземная гидросфера. Ее основу образует Мировой океан, площадь которого превышает 360 млн км 2 , а средняя глубина равна 3,7 км. Общий объем воды в нем достигает 1,37 ∙ 10 9 км 3 . В таблице 2 приведены сведения о кларках элементов в Мировом океане.

Периодическая система Д.И. Менделеева включает в себя 109 элементов, но в природе, в том числе в ландшафте, известны лишь 89, т.к. №№ 43, 85, 87 и 93 – 109 получены искусственно в результате ядерных реакций. Содержание одних и тех же химических элементов в разных ландшафтах неодинаково, что во многом обусловлено их миграцией. Однако некоторые общие закономерности распределения элементов миграцией объяснить невозможно. Так, во всех ландшафтах содержание О велико, а Au и Pt мало. Закономерности в распространенности химических элементов могут быть выявлены лишь при анализе среднего химического состава земной коры, который впервые был установлен на рубеже ХХ в. В честь американского химика Ф. Кларка, посвятившего более 40 лет решению данной проблемы, А.Е. Ферсман предложил в 1923 году среднее содержание химического элемента в земной коре или какой-либо ее части называть кларком.

2 Закон Кларка-Вернадского

Главная особенность распространенности элементов установлена – это огромная контрастность кларков. Так, почти половина твердой земной коры состоит из одного элемента – О (кларк 47 %). Иначе говоря, земная кора – это “кислородная сфера”, кислородное вещество. На втором месте стоит Si (29,5), на третьем – Al (8,05). В сумме они составляют 84,55%. Если к этому числу добавить Fe (4,65), Са (2,96), Na (2,50), К (2,50), Mg (1,87), Ti (0,45), то получим 99,48 %, т.е. практически почти всю земную кору. Остальные 80 элементов занимают менее 1 %. Кларки большинства элементов не превышают 0,01 – 0,0001 %. Это редкие (U, Sn, Mo и др.) и редкие рассеянные (Br, In, Ra, J, Hf, Re, Sc и др.) элементы. Например, у U и Br кларки почти одинаковы (2,5.10 -4 и 2,1.10 -4 %), но U просто редкий элемент, так как известно много урановых минералов, разнообразные его месторождения, а Br – редкий рассеянный, так как он почти не концентрируется в земной коре и известен лишь один собственный минерал этого элемента. В геохимии употребляется также термин “микроэлементы”, под которыми понимаются элементы, содержащиеся в данной системе в малых количествах (порядка 0,01 % и менее). Так, Al — микроэлемент в организмах и макроэлемент в силикатных породах.

В начале ХХ столетия В.И. Вернадский пришел к выводу о всеобщем рассеянии химических элементов, о том, что “все элементы есть везде”. В 1909 г. на ХII съезде русских естествоиспытателей и врачей он говорил: “В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы. Получается впечатление микрокосмического характера их рассеяния. В песчинке или капле, как в микрокосмосе, отражается общий состав космоса. В ней могут быть найдены все те же элементы, какие наблюдаются на земном шаре, в небесных пространствах. Вопрос связан лишь с улучшением и уточнением методов исследования. При их улучшении мы находим Na, Li, Sr там, где их раньше не видели; при их уточнении мы открываем их в меньших пробах, чем делали раньше. История Ni, V, Au, U, He, иттроцеровой группы и т.д. приводит нас к одинаковым выводам. Они находятся всюду и могут быть всюду констатированы; они собраны в состоянии величайшего рассеяния. ”. Итак, все элементы есть везде, речь может идти только о недостаточной чувствительности анализа, не позволяющего определить содержание того или иного элемента в изучаемой системе. Это положение о всеобщем рассеянии химических элементов Н.И. Сафронов предложил именовать законом Кларка-Вернадского.

Одной из фундаментальных концепций геохимии является анализ рас-пространенности химических элементов в различных сферах и оболочках Земли и их компонентах. Этой проблемой занимались практически все круп-ные геохимики. Особенно большой вклад в изучение среднего химического состава геосфер Земли внесли Ф.У.Кларк, И.Фохт, В.И.Вернадский, А.Е.Ферсман, В.М.Гольдшмидт, А.П.Виноградов, А.А.Беус, А.Б.Ронов, К.Турекьян, К.Ведеполь, С.Тейлор и др.

В честь Ф.У.Кларка, посвятившего всю свою жизнь исследованию соста-ва земной коры, А.Е.Ферсман в 1923 г. предложил среднее содержание хими-ческого элемента в земной коре или какой-либо ее части называть термином кларк.

Для понимания закономерностей распространенности химических эле-ментов в изучаемых системах важное значение имеют основные геохимиче-ские законы.

Закон Гольдшмидта -абсолютное количество элементов,т.е.кларки,за-висят главным образом от строения атомного ядра; распространение элемен-тов, связанное с их миграцией, определяется строением наружных электрон-ных оболочек и в меньшей степени ядерными свойствами.

Закон Вернадского —указывает на всеобщность рассеяния химическихэлементов в природе. Его важным следствием является обнаружение любого из всех известных в природе химических элементов практически во всех сис-темах Земли, т.е. наличие или отсутствие элемента в изучаемом объекте или системе зависит не от их собственных свойств, а от чувствительности исполь-зуемых аналитических методов.

Различают глобальные, региональные и локальные (местные) кларки элементов.

В настоящее время установлен ряд глобальных кларков литосферы и ос-новных типов горных пород (табл. 1,2), которые можно использовать в даль-нейших расчетах.

Среднее содержание элементов в литосфере в целом

и в осадочных породах, %

Кларки микроэлементов и литосфере и осадочных породах, n·10 -3 %

Кларки литосферы

Для литосферы в отечественной литературе применяются в основном кларки А. П. Виноградова [5], А. А. Беуса [2], А. Б. Ронова и А. А. Ярошев-ского [28].

Содержание химических элементов в различных типах горных пород, как правило, отличается от кларка литосферы. Количественно это отличие В.М.Вернадский предложил выражать кларком концентрации КК, представ-ляющим собой отношение весового содержания данного элемента в природ-ном объекте Ci к кларку литосферы К:

Эта величина всегда больше 0. Если КК=1, то содержание элемента в объекте равно его содержанию в литосфере. В том случае, когда Ci значитель-но меньше К, для получения целых чисел и большей контрастности показате-ля целесообразно рассчитывать обратные величины - кларки рассеяния КР, показывающие во сколько раз кларк больше содержания элемента в данном объекте:

Таким образом, кларки концентрации и кларки рассеяния - показатели, характеризующие относительную распространенность химических элементов в природе.

Среднее содержание химических элементов в главнейших типах горных пород иногда именуют кларками этих пород. Одни типы пород близки по хи-мическому составу к литосфере, другие могут очень сильно отличаться от нее

и между собой. Графически элементные химические составы пород и других систем можно сопоставить путем построения геохимических спектров эле-ментов, представляющих собой в данном случае ряды кларков концентрации

и кларков рассеяния в разных объектах. Один из спектров обычно ранжирует-ся по значениям КК и КР, а другие представляют собой ломанные линии. Та-ким способом можно на одном рисунке одновременно сравнивать до 4-5 объ-ектов по большому числу химических элементов.

На рис. 1 приведены геохимические спектры трех типов горных пород, отражающие их отличия от среднего состава литосферы. Глобальные пород-ные кларки наиболее распространенных силикатных горных пород слабо от-личаются от состава литосферы. Так, гранитная и базальтовая оболочка Земли обогащены или обеднены отдельными элементами по сравнению с литосфе-рой в целом не более чем в 1,6-7-1,7 раза. В гранитной оболочке преобладают

кремний и алюминий, но меньше магния, титана, марганца, железа, кальция.

В базальтовой, наоборот, больше кальция, железа, титана и меньше калия.

Некоторые экзотические типы горных пород, например, ультра-основные, могут сильно отличаться по своему макроэлементному составу от литосферы. Так, в перидотитах высока концентрация магния (КК =10), железа (КК=2) и в то же время они обеднены элементами, свойственными кислым магмам, - кремнием, калием, натрием, алюминием (см. рис.1).

Рис. 1. Геохимические спектры пород:

1 - кислые; 2 - основные; 3 - ультраосновные

Наиболее контрастно распределение в природных объектах микроэле-ментов. Сравнение средних содержаний микроэлементов в различных горных породах [19] указывает на их сильную литогеохимическую дифференциацию. Особенно большие различия характерны для редких и рассеянных элементов

(торий, кобальт, никель, хром, ниобий, лантан и др.), а также некоторых эле-ментов - биофилов (углерода, азота), содержание которых в породах различа-ется в десятки и даже сотни раз.

Среди осадочных пород резко преобладают глины и сланцы (около 80% общей массы), их кларки дают представление о составе осадочной оболочки Земли, который по своему химизму ближе всего к составу гранитного слоя. Карбонатные породы, как правило, обеднены большинством химических эле-ментов, за исключением кальция, магния, углерода, стронция. В органогенных породах (углях, глинистых сланцах) концентрация некоторых элементов - бо-ра, германия, молибдена, напротив, составляет десятки, и даже сотни кларков концентраций.

ГЕОХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ПРАКТИКУМ

ГЕОХИМИЯ ЛИТОСФЕРЫ

Тема 1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ