Количественное значение различных типов химических соединений в земной коре. Общее число названий минералов, встречающихся в старой и новой геологической литературе, достигает 6000. Однако при критическом подходе к установлению минеральных видов и их разновидностей на основе рациональной классификации подавляющее большинство этих названий должно быть оставлено по ряду соображений. Прежде всего, многие из них, как это доказано с помощью современных точных методов исследования, представляют собой механические смеси. Весьма значительное число названий оказались синонимами одних и тех же минеральных веществ, отличающихся друг от друга либо по степени дисперсности кристаллической фазы, либо по некоторым внешним признакам (оттенку окраски, форме кристаллических индивидов и др.), либо по несущественным отличиям в химическом составе (особенно для названий разновидностей) и т. д.
Если упразднить все эти синонимы и вычеркнуть из списка минеральные смеси, то число действительных минеральных видов в настоящее время выражается цифрой немногим более 4000. Кроме того, сохраняется около 200 названий для разновидностей. Правда, следует заметить, что в ряде случаев реально существующие разновидности минеральных видов не имеют специальных названий.
По главным типам химических соединений число минеральных видов распределяется следующим образом.
1. Силикаты и алюмосиликаты — 25,8 %.
2. Фосфаты и их аналоги — 18 %.
3. Сульфиды и их аналоги — 13,3 %.
4. Окислы и гидроокислы — 12,7 %.
5. Сульфаты — 9,4 %.
6. Галогениды — 5,8 %.
7. Карбонаты — 4,5 %.
8. Самородные элементы — 4,3 %.
9. Бораты — 2,9 %.
10. Прочие — 3,3 %.
Как видим, наибольшее количество минеральных видов приходится на силикаты, фосфоры, окислы, сульфиды и сульфаты. На долю этих соединений в общей сложности падает около 80 %.
Однако в весовом отношении мы имеем существенно иную картину. Согласно данным пересчета кларков В. И. Вернадского, А. Е. Ферсмана и др., в известной нам части земной коры для главнейших типов химических соединений мы получаем следующий порядок цифр содержания в весовых процентах.
1. Силикаты — около 75 % (на долю полевых шпатов приходится 55 %).
2. Окислы и гидроокислы — около 17 %, причем на кварц (вместе с халцедоном и опалом) падает 12,6 %, а на окислы и гидроокислы железа — 3,6 %.
3. Карбонаты (главным образом кальцит и доломит) — около 1,7 %.
4. Фосфаты и их аналоги (преимущественно апатит) — около 0,7 %.
5. Хлориды и фториды — около 0,5 %, причем из хлоридов наибольшим распространением пользуется галит, из фторидов — флюорит.
6. Сульфиды и сульфаты — 0,3–0,4 %; из сульфидов главенствующее значение имеет сульфид железа — пирит.
7. Самородные элементы — около 0,1 %; в том числе около 0,04 % приходится на долю азота и около 0,01 % — на долю кислорода.
Эти данные показывают, что одни только силикаты и кварц в земной коре составляют около 87 % по весу, тогда как такие типы химических соединений, как фосфаты и их аналоги, сульфиды, сульфаты, окислы (кроме кварца и окислов железа), которые в природных условиях представлены многочисленными минеральными видами, в весовом отношении составляют очень незначительную долю валового состава земной коры. Тем не менее следует подчеркнуть, что именно эти типы химических соединений содержат многие ценные металлы, столь важные для горно-металлургической, химической и других отраслей промышленности.
Некоторые особенности состава и распределения минералов в земной коре. Общее число природных химических соединений (минералов) несравненно меньше, чем их можно получить искусственным путем в лабораторных условиях, несмотря на то что природные реакции представляют гораздо более грандиозную по масштабам картину явлений. Число ежегодно открываемых новых минералов, несмотря на применение весьма совершенных и мощных современных средств исследования вещества, за последние десятилетия не столь уже значительно (обычно не больше 10). Общее число известных в настоящее время минеральных видов в области неорганической природы не выше 1500, тогда как число искусственных соединений, полученных до последнего времени, выражается многими сотнями тысяч и при современном развитии технических средств синтеза весьма значительно увеличивается.
Если бы мы задались вопросом, каковы количественные значения разных по составу минералов в различных генетических типах природных образований в области земной коры, то на основе анализа фактических данных пришли бы к следующему выводу.
В эндогенных образованиях наименьшее число минеральных видов наблюдается в изверженных горных породах, возникших в условиях высоких температур и давлений. В постмагматических образованиях, особенно в гидротермальных месторождениях, устанавливается несравненно большее число самых разнообразных по типу соединений минеральных видов. Однако наиболее богаты минералами экзогенные образования, возникающие в условиях низких температур и давлений, в условиях водно-воздушной обстановки, т. е. при высоком парциальном давлении кислорода, и, наконец, в условиях широко развитой органической жизни на земле. Но все же и здесь общее число минералов совершенно незначительно по сравнению с тем количеством искусственных соединений, которые могут быть получены в лабораториях и на заводах.
Это обстоятельство обусловлено рядом причин. Прежде всего, как на это давно уже обратил внимание В. И. Вернадский, в природных соединениях принимают участие далеко не все ионы, которые могут быть получены для каждого элемента в лабораторных условиях. Например, марганец в минералах устанавливается в двух-, трех- или четырехвалентном состоянии, а искусственно легко можно получить также соединения шести- и семивалентного марганца и, кроме того, металлический марганец и различные интерметаллические соединения. Вольфрам в природных условиях известен только в виде шестивалентного иона, а в лабораторных условиях, кроме того, получаются соединения двух-, трех-, четырех- и пятивалентного вольфрама. Металлы группы платины в природных условиях встречаются главным образом в самородном виде и почти не образуют ионов (если не принимать во внимание редких сульфидов и арсенидов), тогда как среди искусственных продуктов мы знаем типичные ионные соединения с валентностью 2, 3, 4 и для Ru и Os даже 6 и 8. В соответствии с этим число известных минералов группы платины едва достигает 30, а число искусственных соединений выражается многими сотнями и т. д.
Совершенно ясно, что в земной коре при процессах минералообразования, протекающих в сложной многокомпонентной среде, в условиях сравнительно нешироких пределов колебания окислительно-восстановительных потенциалов создаются весьма ограниченные возможности образования ионов различных валентностей. Следовательно, и число возможных сочетаний ионов при минералообразовании резко сокращается.
Второе важное обстоятельство, на которое обратил внимание еще А. Е. Ферсман, заключается в том, что многие элементы, характеризующиеся низкими кларками, в природных условиях не образуют самостоятельных минералов. Это имеет место в тех случаях, когда ионы данных элементов по своим размерам и химическим свойствам близки к ионам широко представленных в данной среде элементов и в силу этого способны скрываться в виде изоморфных примесей в главных минералах, кристаллизующихся из данного расплава или раствора (изовалентный и гетеровалентный изоморфизм). Таковы, например, случаи «маскировки» гафния в минералах циркония; рения — в молибдените; галлия — в минералах алюминия и отчасти цинка; брома — в минералах хлора; самария, гольмия, лютеция и др. — в минералах иттрия; скандия — в минералах магния и железа и т. д. В лабораторных и заводских условиях, наоборот, мы имеем возможность создать любые концентрации для этих элементов и не только искусственно выделить самые различные их соединения, но и получить многие из них в металлическом состоянии.
Это явление «маскировки» имеет место и для элементов с более высокими кларками. Одним из наиболее ярких примеров может служить изоморфная примесь никеля (до 0,2 %) к магнию в силикатах (оливине и происшедшем из него серпентине). В массивах оливиновых и серпентинитовых пород таким путем рассеиваются огромные массы никеля (многие сотни миллиардов тонн в пересчете на металл), тогда как в рудных месторождениях, содержащих промышленные скопления сульфидов или арсенидов никеля (типа Садбери или Шнееберга), сосредоточиваются в целом несравнимо меньшие количества этого металла (едва ли превышающие 10 % всего содержащегося в земной коре никеля). Та же картина в эндогенных образованиях устанавливается для марганца, который входит в состав силикатов и других типов соединений в виде изоморфной примеси, с одной стороны, к железу, с другой — к кальцию. Действительно, многие минералы, богатые железом и кальцием, содержат повышенные количества марганца в виде изоморфной примеси (фаялит, геденбергит, диопсид, биотит, апатит, анкерит, сидерит и др.). В этом виде в общей сложности скрыты огромные количества марганца. То же относится к титану, ванадию, кобальту, редким землям, стронцию и др.
Что касается тех малораспространенных в земной коре элементов, которые образуют очень малые или очень большие ионы (Be, В, С, Р, Rb, Cs, Nb, Та, U и др.) по сравнению с главными элементами, за счет которых возникает основная масса, допустим, магматических породообразующих минералов, то они, как можно судить по данным геологии, концентрируются в остаточных растворах, из которых в постмагматическую стадию по мере их пересыщения в результате происходящих химических реакций кристаллизуются особые минералы, содержащие летучие компоненты или богатые редкими элементами (турмалин, берилл, литиевые слюды, монацит, апатит и др.). Нередко они образуют промышленные скопления в виде месторождений ценных металлов либо в самих массивах магматических пород, либо в непосредственной близости от них во вмещающих породах.
Точно так же ионы, существенно отличающиеся от главных по химическим свойствам (например, ионы с 18-электронной наружной оболочкой: Сu, Ag, Аu, Zn, Pb, Bi и др., а также отчасти элементы группы железа), выносятся в остаточных растворах зачастую далеко за пределы магматических массивов и образуют так называемые гидротермальные промышленные месторождения многих тяжелых металлов, представленные преимущественно сульфидами и окислами, часто в сопровождении карбонатов и сульфатов петрогенных элементов.
Подобные же явления дифференциации ионов с образованием тех или иных групп минералов устанавливаются и при изучении различных продуктов экзогенных процессов (в коре выветривания и осадочных образованиях).
Таким образом, в земной коре при геологических процессах, совершающихся в ней, происходит закономерное пространственное распределение химических элементов, а следовательно, и минералов в различных продуктах этих процессов. Такое распределение и приводит к образованию, с одной стороны, огромных, относительно простых по составу, массивов горных пород (изверженных, осадочных, метаморфических), составляющих главную часть земной коры, и с другой — генетически тесно связанных с ними, но существенно отличных по составу месторождений полезных ископаемых, которые, подчиняясь общим законам минералообразования, возникают в результате тех же геологических процессов. Эти месторождения, особенно месторождения металлических полезных ископаемых, по своим размерам хотя и очень сильно уступают массивам горных пород, но по своему химическому составу и экономическому значению столь резко отличаются от них, что, безусловно, должны рассматриваться как самостоятельные геологические тела, участвующие в общем строении земной коры наряду с массивами горных пород.
Именно с этим связано принятое деление всех химических элементов на петрогенные (породообразующие) и металлогенные (рудообразующие). Первые в менделеевской таблице химических элементов, построенной по длинным периодам, располагаются в левой части, а вторые — в правой части и в самом низу таблицы. Эта главная особенность пространственного распределения в земной коре химических элементов обусловлена, как известно, свойствами самих элементов и, в частности, строением их атомов. Действительно, характернейшие химические элементы горных пород (Na, К, Mg, Ca, Al, Si) в природных условиях образуют ионы с 8-электронной внешней оболочкой, а для типичных металлогенных элементов, обладающих высокими атомными весами, характерны ионы с 18-электронной внешней оболочкой, отчасти менее симметричные по конфигурации внутренних электронных сфер (ионы средней части таблицы: триады VIII группы, затем Мn, Сr, V, Mo, W, Nb, Та, U, Th).