Полезные ископаемые распределение в земной коре

В настоящее время месторождения полезных ископаемых изуча­ются и разрабатываются только в пределах земной коры. Поэтому земная кора имеет исключительно важное значение в закономерно­стях формирования и размещения месторождений. Но на образова­ние месторождений влияют процессы, протекающие и на больших глубинах Земли, особенно в верхней мантии.

В составе земной коры существенно преобладают восемь элемен­тов. Кислород составляет почти половину массы земной коры. Кларк кислорода (в %): 47, кремния 29,5, алюминия 8,05, железа 4,65, кальция 2, 96, натрия и калия по 2,5, магния 1,87.

Среди химических элементов X. С. Вашингтон выделил петрогенные—Si, Аl, Мg, С, Са, К, Ва, Sе, В, N, О и др., и металлоген­ные— Ее, Мn, Zn, Си, Ag, Аu и др. Петрогенные элементы распо­ложены к верхней части таблицы Д. И. Менделеева (рис. 1), а металлогениые — в нижней. Петрогенные элементы встречаются в при­роде преимущественно в виде силикатов, карбонатов, сульфатов, оксидов и фосфатов; они входят в состав горных пород, формирую­щих земную кору; типичны для неметаллических полезных ископае­мых. Металлогенные элементы встречаются преимущественно в виде сульфидов, соединений с сурьмой, мышьяком. Они характерны для месторождений металлов. Конечно, эти особенности не исключи­тельны. Например, железо, марганец, олово и уран — элементы ме­таллогенные, но они широко встречаются в оксидных соединениях. Многие петрогенные элементы установлены на месторождениях ме­таллов (Са, S, К и др.), а такой петрогенный элемент, как алюми­ний, слагает высокоглиноземистые минералы бокситов, отйосимых к металлическому сырью.

В. М. Гольдшмидт выделяет литофильные элементы (О,Si, F,Cl и др.), формирующие в условиях земной коры преимуществен­но кислородные соединения; халькофильные (S, Sе, Те, Си, Zn, РЬ, Ag и др.), охотно соединяющиеся с серой; сидерофильные

(Fе, Ni, Со, Р, Рt;, Аu, Мо и др.), способные растворяться в желез­ных сплавах и многие из которых могут встречаться в самородном состоянии; атмофильные (Н, N, С, О, Не, Аr и др.), характер­ные для земной атмосферы. Кроме того, выделяют еще и биофильные элементы (С, Н, О, N, Р и др.), которые способны накапли­ваться в живых организмах.

А. Н. Заварицкий разделил элементы по геохимическим особен­ностям на следующие 10 групп:

1. благородные газы;
2. элементы горных пород;
3. элементы магматических эманаций;
4. группу же­леза;
5. редкие;
6. радиоактивные;
7. металлические;
8. металло­идные и металлогенные;
9. группу платины;
10. тяжелые элемен­ты (рис. 2).

Особенности поведения элементов разных групп при тех или иных геологических процессах различны. Эти процессы при­водят к концентрации или к рассеиванию химических элементов. В результате концентрации элементов формируются месторождения полезных ископаемых. Близость химических свойств ряда элементов обусловливает природные ассоциации элементов. Например, в эндо­генных месторождениях тесно связаны свинец и цинк, сера и селен и т. д.

Устанавливается связь химических элементов с вполне определенными горными породами. Так, с ультрамафитами связаны повышенные концентрации хрома, никеля, кобальта, магния, осмия, иридия; с мафитами — титана, ванадия, железа, платины, палладия, меди; с щелочными породами — фосфора, фтора, редких земель; с кислыми — золота, молибдена, вольфрама, олова, лития, бериллия и т. д.

Изучение характера распределения отдельных элементов в земной коре стало особенно интенсивным после первых определений кристаллических структур минералов, и в частности работ Гольдшмидта и его школы. Мы рассмотрим здесь лишь некоторые специфические особенности этого распределения, имеющие непосредственное отношение к описанным в настоящей книге структурам.

Средний состав верхней части земной коры примерно соответствует составу изверженных пород, так как общее содержание пород других типов здесь незначительно по сравнению с содержанием изверженных пород. Величины относительных содержаний отдельных элементов в земной коре, определенные различными авторами, в основном совпадают. Табл. 2. в которой приведены наиболее обычные химические элементы, встречающиеся в земной коре, взята из книги Мезона (Mason, 1958) «Принципы геохимии». Общее содержание перечисленных в таблице восьми элементов составляет примерно 99% общей массы земной коры. Следующими по распространенности в земной коре являются элементы Ti (0.44%), Н (0.14%), Р (0,12%), Mn (0,10%), F (0,070%), S (0,052%), Sr (0,045%), Ва (0,040%). С (0.032%), Сг (0,031%).

Кислород не только самый распространенный элемент в земной коре; на него приходится также почти весь ее объем, так как ион кислорода значительно крупнее ионов большинства обычных элементов. Земная кора, образно выражаясь, представляет собой массу из атомов кислорода, связанных небольшими металлическими ионами и ионом кремния. располагающимися в пустотах этой массы.

Кроме того, вследствие преобладания кремния и кислорода земная кора в основном состоит из силикатов и кремнезема, содержащихся в ней приблизительно в следующих пропорциях:

Указанные приблизительные удельные веса этих силикатов непосредственно связаны с их структурой. К наиболее легким минералам относятся те, в которых кремнекислородные тетраэдры соединяются друг с другом вершинами с образованием сложных структур с избытком, если можно так выразиться, свободного пространства. Наиболее тяжелые минералы содержат отдельные группы SiO4. Эти группы в структуре могут быть плотно упакованы. И в действительности, в большинстве случаев атомы кислорода в подобных структурах располагаются по принципу одной из форм плотнейшей упаковки одинаковых сфер (см. стр. 42). Плотность других типов силикатов зависит от характера сочетания в их структурах тетраэдрических и октаэдрических групп. Все силикаты значительно легче сульфидов и близких к ним соединений, а также железоникелевого вещества ядра Земли. Благодаря этому следует ожидать, что силикаты должны слагать внешние зоны земной коры, а наиболее легкие из них преобладать в самой верхней части коры, где в основном проводится разведка и добыча полезных ископаемых.

Менее распространенные в земной коре элементы можно разбить на определенные большие классы. При этом на первом месте по распространенности стоят элементы, которые могут изоморфно замещать обычные ионы, входящие в большинство структур минералов. Замещения осуществляются тем шире, чем больше соответствие между ионными радиусами и зарядами изоморфных ионов. В этой связи интересно проследить необычную историю открытия гафния. Распространенность гафния в минералах почти такая же, как и мышьяка, и в сорок пять раз больше, чем серебра; тем не менее он был одним из последних открытых элементов. Гафний обладает таким же зарядом, как и цирконий, и почти равным с цирконием ионным радиусом. Поэтому отношение цирконии — гафний остается практически постоянным при любом типе фракционной кристаллизации. Гафний так долго не могли открыть потому, что он находился в скрытом виде в циркониевых минералах, в которых отношение содержаний циркония и гафния всегда равно примерно 50:1.

Мало распространенные элементы могут также замещать преобладающие элементы минералов со сходными ионными радиусами, хотя их заряды различаются. Как уже отмечалось выше, при изоморфных замещениях размеры ионов гораздо более важны, чем заряды ионов. Подобные замещения, разумеется, происходят лишь в тех случаях, когда структура допускает замещение иных ионов в соответствующих положениях или же изменения в содержании водорода, что необходимо для полной компенсации положительных и отрицательных зарядов (см. стр. 33). Ниже приведены примеры (главным образом из книги Мезона), иллюстрирующие принципы, лежащие в основе изоморфных замещений.

Рубидий не образует собственных минералов; он всегда входит в состав других минералов, замещая калий. Ион Rb+ (1,48 Å) значительно больше иона К+ (1,33 Å). Подобный тип замещении является очевидным исключением из вышеупомянутого правила о первостепенной важности соответствия ионных радиусов. Однако калий в основном располагается в крупных полостях разреженных структур, и в таких случаях определенная разница в размерах изоморфных ионов вполне допустима.

Барий обладает слишком большими размерами, чтобы замещать кальций, однако его радиус (1,35 Å) близок к радиусу калия (1,33 Å), который он замещает в слюдах и полевых шпатах.

Свинец в небольших количествах замещает калий (Pb-2 1.32 Å, К+ 1,33 Å).

Стронций может замещать кальций или калий.

Марганец может замещать Mg+2, Fe+2 или Са-2.

Скандий замещает ион двухвалентного железа (Sc+3 0.8 Å, Fe+2 0,76 Å) в таких минералах, как пироксены, в которых избыток положительного заряда может быть скомпенсирован другими замещениями, но не в оливинах, где подобное сочетание замещений невозможно.

Кобальт (Со+2 0,74 Å) замещает Fe+2 и Mg+2.

Никель (Ni+2 0,72 Å) замещает Mg+2.

Литий прекрасно иллюстрирует важность при замещении размера иона. Он очень мал и не может замещать другие щелочные ионы (Li+ 0,60 Å, Na+ 0,95 Å, К+ 1,33 Å). В то же время литий замещает магний (Mg+2 0,65 Å)1.

Ванадий и хром замещают трехвалентное железо (V+3 0,74 Å, Сг+3 0,69 Å, Fe+3 0,64 Å).

Галлий имеет такой же заряд, как и алюминий, и радиус, близкий к радиусу алюминия (Ga+3 0,62 Å, Al+3 0,50 Å), и в скрытом виде находится в алюминиевых минералах.

Германий имеет такой же заряд, как и кремний, и несколько больший, чем кремнии, ионный радиус (Ge+3 0.53 Å, Al+3 0,50 Å), и его присутствие «маскируется» кремнием. Последние два случая замещений характерны также для гафния.

Ниже перечислены элементы, у которых величины ионных радиусов и зарядов настолько отличны от значений, характерных для большинства элементов, что им трудно входить в виде изоморфных ионов в какие-либо из основных минералов, и они стремятся к образованию собственных минеральных видов. Цирконий благодаря своему высокому заряду и относительно большому ионному радиусу (Zr+3 0,86 Å) образует отдельную фазу, как правило минерал циркон. Титан (Ti+4 0,68 Å) может замещать Al в пироксене, роговой обманке и биотите, однако главным образом присутствует в ильмените или сфене (титаните). Бериллий (Ве+2 0,31 Å) и бор (В+3 0,20 Å) существенно отличаются от других ионов и образуют отдельные минералы. Олово (Sn+4 0,71 Å), торий (Th+4 1,10 Å) и уран (U+4 1,05 Å) также образуют собственные минералы.

Наконец, существует класс соединении, значительно отличающихся от ионных соединений и образующих сложные минералы, в состав которых входит сера, мышьяк, сурьма, висмут, селен и теллур. Они отличаются друг от друга природой их химической связи, которая в одних случаях является главным образом ковалентной, а в других — в основном металлической. Кристаллизация этих минералов обособлена от кристаллизации основной массы силикатов.

Концентрация элементов, присутствующих в минералах в незначительном количестве, зачастую может дать сведения о порядке кристаллизации пород из расплава. Согласно Гольдшмидту, если два иона обладают одинаковым зарядом, но слегка различающимися радиусами, меньший ион более легко внедряется в решетку и вследствие этого концентрируется в минерале на ранних стадиях затвердевания. Если же радиусы ионов одинаковы, а заряды различны, то ион с большим зарядом легче входит в решетку и также концентрируется на первых стадиях кристаллизации.

Этот очень краткий обзор некоторых принципов геохимии призван подчеркнуть огромную важность геометрической характеристики структуры минерала, равно как и химических свойств составляющих его элементов. Знание кристаллической структуры минералов весьма существенно для выяснения их природы.

Примечания

1. В ряде случаев (например, в щелочных бериллах) литий замещает тетраэдрический бериллий.

Разнообразие условий, в которых происходило образование полезных ископаемых, привело к их неравномерному размещению по территории Земли. Однако определенная закономерность в их распределении все же существует.

Основная закономерность — осадочные полезные ископаемые расположены в чехлах платформ, рудные полезные ископаемые — в районах складчатых поясов.

Руды образовались в основном из магмы и выделяющихся из неё горячих водных растворов. Магма подымалась из недр Земли по разломам и застывала в толще горных пород на различной глубине. Обычно внедрение магмы происходило в периоды активных тектонических движений, поэтому рудные полезные ископаемые связаны со складчатыми областями гор. На платформенных равнинах они приурочены к нижнему ярусу — складчатому фундаменту.

Разные металлы имеют различную температуру плавления. Следовательно, от температуры магмы, внедрившейся в пласты горных пород, зависит и состав рудных скоплений.

Крупные скопления руд имеют промышленное значение. Их называют месторождениями.

Группы близко расположенных месторождений одного и того же полезного ископаемого называют бассейнами полезных ископаемых.

Богатство руд, их запасы и глубина залегания в разных месторождениях неодинаковы. В молодых горах многие месторождения находится под толщей смятых в складки осадочных пород и обнаружить их бывает трудно.

При разрушении гор скопления рудных полезных ископаемых постепенно обнажаются и оказываются близ поверхности земли. Здесь их добывать легче и дешевле.

К древним складчатым областям приурочены месторождения железных руд (Западный Саян ) и полиметаллических руд (Восточное Забайкалье) , золота (нагорья Северного Забайкалья) , ртути (Алтай) и др.

Особенно богат разнообразными рудными ископаемыми, драгоценными и полудрагоценными камнями Урал. Здесь находится месторождение железа и меди, хрома и никеля, платины и золота.

В горах северо-восточной Сибири и Дальнего Востока сосредоточены месторождения олова и вольфрама, золота, на Кавказе — полиметаллические руды.

Полезные ископаемые платформ

На платформах рудные месторождения приурочены к щитам либо к тем частям плит, где мощность осадочного чехла невелика и фундамент подходит близко к поверхности. Здесь расположены бассейны железных руд: Курская Магнитная Аномалия (КМА) , месторождение Южной Якутии (Алданский Щит) . На Кольском полуострове находятся месторождения апатитов — важнейшего сырья для производства фосфорных удобрений.

Однако для платформ наиболее характерны ископаемые осадочного происхождения сосредоточенные в породах платформенного чехла.

Преимущественно это нерудные минеральные ресурсы. Ведущую роль среди них играют горючие ископаемые: газ, уголь, горючие сланцы.

Они образовались из остатков растений и животных, накопившихся в прибрежных частях мелководных морей и озёрно-болотных условиях суши.

Эти обильные органические остатки могли накопится лишь в достаточно влажных и теплых условиях, благоприятных для повышенного развития растительности.

Крупнейшими угольными бассейнами России являются:

• Тунгусский, Ленский, Южно Якутский (средняя Сибирь)
• Кузнецкий, Канско-Ачинский (в краевых частях гор Южной Сибири)
• Печорский, Подмосковный (на Русской равнине)

Месторождения нефти и газа сосредоточены в приуральской части Русской равнины. От побережья Баренцева до Каспийского моря, в Предкавказье.

Но самые крупные запасы нефти — в недрах центральной части Западной Сибири — Самотлор и др. газа — в северных её районах (Уренгой, Ямбург и др. )

В жарких засушливых условиях в мелководных морях и прибрежных лагунах происходило накопление солей. В Предуралье, в Прикаспии и в южной части Западной Сибири имеются их крупные месторождения.

Вывод:

Месторождения руд черных и цветных металлов, золота, алмазов приурочены к выходам кристаллического фундамента древних платформ.
Месторождения нефти, углей, природного газа приурочены к мощным осадочным чехлам платформ, предгорным прогибам, шельфовым зонам. Руды цветных металлов так же встречаются в складчатых областях.