Текст книги "Геохимическое землеведение: учебное пособие"

Контрольные вопросы

1. Дайте определение термина «кларк химического элемента».

2. Перечислите главные закономерности содержания химических элементов в земной коре.

3. Расскажите о принципах геохимической классификации химических элементов.

4. Каковы принципиальные различия главных и рассеянных химических элементов?

5. Каким ученым разработано представление о рассеянном состоянии химических элементов?

6. Какой смысл имеет геохимический параметр «кларк концентрации» (К_к). Напишите его формулу.

7. Каковы закономерности варьирования содержания химических элементов в земной коре?

8. Дайте определение понятиям «геохимический фон», «геохимическая провинция», «геохимическая аномалия».

Задания для самостоятельной работы

1. Рассчитайте кларки концентрации тяжелых металлов для распространенных типов магматических пород.

2. По имеющимся данным постройте гистограммы распределения содержания двух химических элементов, определите их среднее арифметическое и модальное значения.

3. Изложите историю открытия рассеянного состояния химических элементов.

Глава II
СОСТАВ И ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ГИДРОСФЕРЫ

Кларки Мирового океана

Основную массу водной оболочки Земли образуют соленые воды Мирового океана. Их объем примерно равен 1370 млн км³, в то время как объем всех вод суши (включая ледники и подземные воды до глубины 5 км) менее 90 млн км³. Так как океанические воды составляют около 93 % всех вод географической оболочки, можно считать, что их химический состав определяет основные черты состава гидросферы в целом.

Химические элементы в гидросфере, так же как и в земной коре, представлены разнообразными формами нахождения, геохимия которых неодинакова. Наиболее характерные для гидросферы формы – простые и сложные ионы, а также молекулы, находящиеся в состоянии сильно разбавленных растворов. Весьма распространены ионы, сорбционно связанные с частицами коллоидных и субколлоидных размеров, находящиеся в морской воде в виде тонкой взвеси. Третью группу форм составляют элементы, входящие в состав мертвого органического вещества. Значительная масса химических элементов связана в живых организмах, населяющих Мировой океан. Элементы могут переходить из одной формы нахождения в другую. Например, ион, находящийся в растворе, может быть сорбирован частицей взвеси и в дальнейшем разделяет судьбу взвешенных частиц и не подчиняется законам растворов.

Обратимся к элементам и соединениям, находящимся в океанической воде в растворенном состоянии. Общее количество растворенных соединений в морской воде называется соленостью (ее обозначают заглавной буквой латинского алфавита S). Соленость в поверхностных слоях океанов и окраинных морей колеблется от 3,2 до 4,0 %, т. е. в 1 кг воды содержится 32–37 г растворимых солей. Во внутриконтинентальных морях соленость меняется более сильно. В среднем соленость вод океана равна 33%о[1]1
  Содержание солей в морской воде измеряется в тысячных долях (промиллях), которые обозначаются знаком ‰.


[Закрыть]. Нетрудно подсчитать, сколько всего растворенных солей в Мировом океане. Суммарный объем вод океана 1370 млн км³, т. е. 1370-10¹⁸ л. Так как в каждом литре содержится в среднем 35 г солей, то во всем объеме океанических вод будет 1370-10¹⁸-35 г = 47950-10¹⁸ г = 47950-10¹² т, или округлено около 50–10¹⁵ т.

Еще в середине прошлого века ученые обнаружили замечательную геохимическую особенность океанической воды. Эта особенность заключается в том, что, несмотря на колебания солености, соотношение главных ионов остается постоянным. Солевой состав океана является своего рода геохимической константой.

Как видно из табл. 4, основную массу солей составляют хлориды распространенных щелочных и щелочно-земельных элементов, меньше содержится сульфатов, еще меньше – бикарбонатов (и карбонатов). Кроме главных анионов и катионов, в морской воде присутствуют в растворенном состоянии элементы-примеси. Их концентрация на три математических порядка ниже, чем в горных породах, и измеряется не в миллиграммах/килограмм (1-10^-4%), а в микрограммах/литр (1-10^-7%). В качестве примесей выступают как главные элементы земной коры (например, алюминий, железо), так и элементы с малыми кларками (рассеянные). Несмотря на незначительное содержание и большие трудности анализа, в результате настойчивой работы ученых многих стран был накоплен обширный аналитический материал по содержанию элементов в воде морей и океанов. Наиболее обоснованные значения были опубликованы Э.Д. Голдбергом (1963), А.П. Виноградовым (1967), Б. Мейсоном (1971), Р. Хорном (1972), А.П. Лисициным (1978), К.Н. Турекианом (1969). В табл. 4 использованы данные преимущественно двух последних авторов.

Таблица 4

Содержание растворимых форм химических элементов в Мировом океане

Для определения некоторых геохимических показателей необходимо знать концентрацию элементов не только в морской воде, но также в твердой фазе растворимых веществ, т. е. в сумме солей морской воды. В таблице приведены соответствующие данные, для расчета которых величина средней солености принята равной 35 г/л. Исходя из данных о средней концентрации элементов в воде, рассчитана также общая масса каждого элемента, находящегося в растворенном состоянии во всем объеме Мирового океана. Из приведенных в таблице материалов следует, что многие химические элементы содержатся в океане в огромном количестве. Массы хлора и натрия оцениваются десятками тысяч триллионов тонн, серы и магния – тысячами триллионов тонн, кальция и калия – сотнями триллионов тонн. Кремния растворено в воде около 4 трлн т (в пересчете на SiO₂ – более 8 трлн т). Помимо главных элементов, в воде морей и океанов растворены триллионы тонн бора, стронция, брома, фтора. В значительном количестве присутствуют литий, рубидий, иод, барий. Их концентрация превышает 10 мкг/л, а их массы, растворенные в океане, составляют сотни и десятки миллиардов тонн. Часть рассеянных в воде металлов имеет концентрацию 1—10 мкг/л, а их массы оцениваются миллиардами тонн. Таковы молибден, цинк, уран, ванадий, титан, медь. Другие металлы имеют концентрацию в сотые и десятые доли мгк/л, а растворенную массу в сотни миллионов тонн каждый. Эту группу составляют никель, марганец, кобальт, серебро, хром, ртуть, кадмий. В то же время железо и алюминий, играющие роль главных элементов в земной коре, в Мировом океане присутствуют в меньшем количестве, чем молибден и цинк. В наименьшем количестве в гидросфере растворены такие элементы, как ниобий, скандий, бериллий, торий.

Состав речных вод

Обратимся к источникам поступления растворимых соединений в Мировой океан. Его объем беспрестанно пополняется за счет речного стока, который оценивается величиной 37 тыс. км³ в год и стока ледников (около 7 тыс. км³ в год). Следовательно, менее чем за 50 тыс. лет в океан поступает столько же воды, сколько в нем имеется в настоящее время. Разумеется, круговорот воды обеспечивает примерно постоянный объем океана. Вместе с водой поступают растворенные вещества. Геохимия морских и речных вод неразрывно связана. Вовлечение рассеянных элементов в водную миграцию на суше является первым этапом этого взаимодействия.

В речных водах содержатся разнообразные растворимые формы химических элементов. Текучие воды на поверхности суши обычно имеют величину рН от 4,5 до 8,5. При таких значениях рН многие металлы (цинк, хром, медь, бериллий, свинец, кадмий, никель, кобальт и др.) могут находиться в растворенном состоянии в форме ионов, выпадать в осадок и вновь переходить в раствор. Но их фактическое содержание в природных водах так незначительно, что регулирующее действие рН не сказывается.

Концентрация металлов в чистой речной воде часто ниже их содержания в растворах после осаждения гидроксидов. В некоторых случаях, когда образуются ничтожно малые количества нерастворимых гидроксидов металлов, они находятся в виде субколлоидных сгустков, которые не выпадают в осадок, а в состоянии разбавленных коллоидных растворов активно мигрируют. В то же время находящиеся в растворе элементы могут активно сорбироваться гелями соединений макроэлементов (в первую очередь гидроксидами железа), высокодисперсными частицами глин и осаждаться в таких условиях, в которых теоретически этого не должно быть.

Значительная часть рассеянных металлов присутствует в природных водах не в виде простых ионов, а в форме комплексных соединений. В этом случае устойчивость элементов в растворе сильно возрастает и не ограничивается теми щелочно-кислотны-ми и окислительно-восстановительными условиями, в которых может находиться в растворе простой ион. Весьма важное значение для водной миграции имеют комплексные органические, особенно внутрикомплексные (хелатные) соединения металлов.

Геохимические и биоклиматические различия водосборных площадей и разнообразие форм химических элементов обусловливают сильную вариацию их концентраций в речных водах. Поэтому определение величины средней концентрации элементов в водах суши еще более условно, чем в океане. Наиболее обоснованные данные (А.П. Виноградов, 1967; А.П. Лисицин, 1978; Д. Голдберг, 1965; X. Боуэн, 1966; К. Турекиан, 1969) использованы нами для расчетов, приведенных в табл. 5. Минерализация воды в реках сильно меняется, поэтому средняя величина минерализации речных вод мира разными авторами определяется неодинаково. В соответствии с данными Д.А. Ливингстона (1963) мы приняли среднюю, равную 120 мг/л. Исходя из этой цифры и объема годового стока воды, количество растворенных соединений, ежегодно поступающих в систему Мирового океана, составляет около 4,9 млрд т. Масса элементов в пересчете на 120 мг/л сухого остатка приведена в третьей графе табл. 5.

Хотя общая минерализация пресных вод значительно меньше морских, глобальный вынос химических элементов в растворенном состоянии с суши весьма значителен. Для кальция, натрия, магния, кремния, хлора, серы он равен сотням миллионов тонн, для калия – десяткам, для фтора, стронция, фосфора – нескольким миллионам тонн в год. Бром, иод, бор, а также цинк, марганец, медь, железо, алюминий выносятся водами суши в количестве сотен тысяч тонн в год. Значительная часть других металлов удаляется с водным стоком в количестве десятков тысяч тонн ежегодно. Лишь для некоторых элементов масса годового выноса измеряется тысячами тонн. Таковы кадмий, селен, торий, ртуть, галлий.

Таблица 5

Содержание растворимых форм химических элементов в речных водах и интенсивность их вовлечения в водную миграцию

Представление о выносе растворенных масс элементов со всей суши мира должно быть дополнено характеристикой степени интенсивности их вовлечения в водную миграцию. Б.Б. Полынов в 1933 г. показал, что интенсивность водной миграции элемента определяется не его содержанием в воде, а отношением концентраций в воде и в дренируемой горной породе. А.И. Перельман в 1956 г. предложил для этой цели использовать коэффициент водной миграции К_в, который равен отношению концентраций элемента в сухом остатке воды и в породе. Оценивая интенсивность вовлечения элемента в водную миграцию в глобальном масштабе, необходимо рассчитать отношение среднего содержания элемента в твердом остатке речных вод к его кларку в гранитном слое континентов.

Произведенные расчеты показывают, что степень вовлечения элементов в водную миграцию не пропорциональна величине их масс, выносимых с речным стоком. Так, магний и натрий выносятся в количестве сотен миллионов тонн в год, а цинк и медь на три математических порядка меньше. В то же время интенсивность их вовлечения в водную миграцию имеет один порядок. Весьма активно вовлекаются в миграцию элементы, масса выноса которых очень мала: ртуть, кадмий, селен. Наиболее активными водными мигрантами в глобальном плане являются хлор, сера (в форме сульфат-иона), иод, бром, т. е. элементы, особенно характерные для морской воды. К выяснению причин столь активного участия элементов Мирового океана в стоке с мировой суши мы вернемся в следующей главе, посвященной геохимии атмосферы.

По интенсивности вовлечения в водную миграцию химические элементы группируются следующим образом:

К_в = 100n : Cl;

К_в= 10n : N, S, J, Вr, Ag, Sb, Hg, Se, Cd;

К_в = n : As, B, Mo, Ca, Zn, Sr, Cu, Mg, Na, Sn, F;

К_в = 0,1n : U, P, Ni, Li, Pb, K, Co, Ba, Cr, Y, Si, Fe, Mn, V, Zn;

К_в = 0,01n : Th, Al, Ga, Sc, Ti.

Все рассмотренные выше данные относятся исключительно к элементам, находящимся в растворенном состоянии. Но значительно большие их количества переносятся не в растворе, а вместе со взвешенными в воде механическими частицами. Исследования А.П. Лисицина показали, что основная масса рассеянных элементов, переносимых речными водами, связана со взвесями. В речном стоке в таком состоянии находится свыше 98 % массы титана, скандия, ниобия, галлия, ванадия, хрома, от 90 до 98 % – кобальта, никеля, рубидия, иттрия, циркония, бария и тория. Из данных табл. 6 видно, что даже элементы, обладающие высокой интенсивностью водной миграции в растворенном состоянии, и те преимущественно мигрируют не в растворе: 70–80 % всей массы меди, цинка, молибдена, серебра и стронция переносятся реками вместе с механической взвесью.

Важно отметить, что относительное содержание химических элементов в речных взвесях не соответствует кларкам земной коры. Следовательно, взвешенное вещество рек – не механически измельченный материал земной коры, а результат его определенного преобразования.

В водную миграцию на суше вовлекаются химические элементы, не захваченные в биологический круговорот. Возможно, что вынос значительных масс тяжелых металлов, прочно фиксированных на дисперсных продуктах выветривания и почвообразования, является одним из механизмов предохранения живого вещества суши от избыточных масс этих элементов.

На участках высоких концентраций рассеянных химических элементов в горных породах поверхностные воды обогащаются элементами, присутствующими в избытке. Так образуются природные гидрогеохимические аномалии. Особенно заметное обогащение происходит в тех случаях, когда поверхностные и грунтовые воды контактируют с сульфидными рудами. Окисление сульфидов железа сопровождается гидролизом сульфатов, выпадением гидроксидов железа и образованием серной кислоты, которая усиливает растворяющую способность воды. Образующиеся при окислении сульфидов цинка, меди, никеля сульфаты хорошо растворимы, и поэтому эти металлы активно вовлекаются в водную миграцию.

В результате реакций с другими растворенными соединениями и взаимодействия с поверхностью взвешенных частиц значительная часть мигрирующих металлов относительно быстро выводится из раствора, и их концентрация достигает уровня местного геохимического фона. По этой причине протяженность природных гидрогеохимических аномалий в речных водах небольшая и редко превышает несколько сотен метров.

Таблица 6

Вынос химических элементов, содержащихся во взвешенном веществе воды рек

На значительно большее расстояние – до нескольких километров – распространяются аномально высокие концентрации в донных осадках, представляющих собой осажденные частицы водных взвесей. Определение металлов в воде небольших водотоков и особенно в их донных отложениях успешно использовалось при рекогносцировочных геохимических поисках месторождений руд во многих районах нашей страны, а также в Канаде, США, Англии, Замбии, Уганде, на Филиппинах и в других странах.

Трансформация состава речных вод на контакте река – море

Огромные массы вещества, выносимого реками с суши, выпадают в пределах шельфа в приконтинентальных морях в результате механических, химических и биологических процессов. Вместе с осаждением относительно крупных обломков и соединений главных элементов осаждаются рассеянные металлы, часто образующие крупные месторождения. Значительная часть запасов руд марганца, меди, ванадия и некоторых других металлов имеет осадочное происхождение. Еще большее количество металлов выпадает в рассеянном состоянии, соосаждаясь с распространенными соединениями. Например, быстрое разрушение комплексных железоорганических соединений в щелочной морской воде и энергичное осаждение образовавшихся сгустков гидрооксидов железа сопровождается одновременным осаждением скандия, кобальта, никеля, меди, ванадия и др. При осаждении фосфатов накапливается другой комплекс рассеянных элементов. Таким образом, периферийная зона Мирового океана служит глобальной геохимической ловушкой, задерживающей большую часть вещества, сносимого с континентов. Тем не менее крупные массы рассеянных элементов проходят этот фильтр и поступают в открытый океан.

При сопоставлении элементного состава континентальных и океанических вод хорошо видно их различие. В речной воде в тысячи раз меньше хлора, брома, натрия, в сотни раз – бора, сульфатной серы, магния, калия, в десятки – стронция, кальция, лития, рубидия, фтора, иода. В то же время в речных водах в десятки раз больше марганца, иттрия, свинца, тория, значительно больше кремния, титана, цинка, меди. Следовательно, при поступлении речных вод в Мировой океан происходит существенная перегруппировка растворимых масс рассеянных элементов. Это наглядно представлено на рис. 6.

Рис. 6.Соотношение средних концентраций химических элементов в речных и океанских водах

Трансформация состава при переходе речных вод в океанические отражается не только на изменении концентрации элементов, но и на их соотношениях. Давно было замечено, что концентрация многих тяжелых металлов в океанической воде ниже, чем в речной. Однако то обстоятельство, что наряду с уменьшением абсолютного содержания металлов коренным образом меняется их соотношение, долгое время не было оценено. Тот факт, что концентрация железа в океанической воде по сравнению с речной меньше почти в 200 раз, в то время как концентрация меди – только в семь, а цинка – в четыре, означает относительное обогащение океанической воды двумя последними металлами. Хотя осаждение основной массы растворимого железа при поступлении речных вод в бассейн Мирового океана и вызывает разное возрастание относительной концентрации почти всех других элементов, но их соотношение в океанической воде не остается неизменным. Наиболее сильно возрастает относительная концентрация у тех элементов, у которых значительно увеличивается абсолютная концентрация в океане (бром, бор, иод, стронций). У молибдена, ртути, урана абсолютная концентрация увеличивается всего в несколько раз, но относительная – в тысячи. Так же сильно возрастает относительная концентрация мышьяка, сурьмы, серебра, кадмия, селена, хотя их абсолютная концентрация в морской воде ниже, чем в речной, или почти одинакова, как у мышьяка. Относительная концентрация слабо изменяется лишь у тех элементов, которые при поступлении речных вод столь же активно, как железо, осаждаются в периферийной зоне Мирового океана. Таковы торий, скандий, цирконий, титан, иттрий и марганец.

Процессы выведения растворенных рассеянных элементов из океана

Неотъемлемой частью океанической воды являются мелкие механические взвеси. Наиболее дисперсные частицы, вынесенные с суши и не осевшие в приконтинентальной зоне, во взвешенном состоянии переносятся на большие расстояния. К ним добавляются тонкие продукты вулканических выбросов и атмосферной пыли, а также остатки планктонных организмов в виде карбонатных и опаловых панцирей, органического вещества. Нерастворимые взвеси являются не только носителями крупных масс рассеянных элементов, но и активными сорбентами. Медленно опускаясь сквозь толщу воды, высокодисперсные частицы сорбируют рассеянные элементы, способствуя их удалению из океана и длительному захоронению в донных осадках. Часть элементов предохраняется от выведения в осадок благодаря их захвату организмами планктона и систематическому вовлечению в биологический круговорот. В силу этого содержания многих рассеянных элементов в поверхностном слое океана больше, чем в более глубоких слоях.

Среди пелагических илов (глубоководных отложений океана) можно выделить две группы. Первые состоят преимущественно из биогенных образований планктона, вторые образованы в основном частицами небиогенного происхождения. В первой группе наиболее распространены известковые (карбонатные) илы, во второй – глинистые илы. Карбонатные илы занимают около трети площади дна Мирового океана, глинистые – более четверти. В карбонатных осадках возрастает концентрация не только кальция и магния, но также стронция и иода; в илах, в которых преобладают глинистые компоненты, – значительно больше металлов. Некоторые элементы очень слабо выносятся из раствора в илы и постепенно накапливаются в морской воде. Их следует называть талассофильными. Рассчитав отношение между концентрациями в сумме растворимых солей морской воды и в илах, мы получим величину коэффициента талассофильности (К), показывающего, во сколько раз данного элемента больше в солевой части океанической воды по сравнению с осадком. Талассофильные элементы, аккумулирующиеся в растворенной солевой части воды, имеют следующие значения коэффициента К_т, приведенные в табл. 7.

Таблица 7

Значения коэффициента К_т талассофильных элементов

Зная массу элемента в Мировом океане и величину его годового поступления, можно определить скорость его удаления из океанического раствора. Например, количество мышьяка в океане составляет примерно 3,6·109 т, с речным стоком приносится 74·103 т/год. Следовательно, за период, равный 490 тыс. лет, происходит полное удаление всей массы мышьяка из Мирового океана.

Оценку времени нахождения элементов в растворенном состоянии в океане предпринимали многие авторы: Т.Ф. Барт (1961), Э.Д. Гольдберг (1965), Х.Дж. Боуэн (1966), А.П. Виноградов (1967) и др. Данные разных авторов имеют большие или меньшие расхождения. Согласно нашим расчетам, периоды полного удаления растворенных химических элементов из Мирового океана характеризуются следующими интервалами времени (в годах):

n·10²: Th(l,6); Zr(3,5); Y(6,8); Al(7,7); Sc(9,3);

n·10³: Pb(l,l); Sn(l,4); Mn(l,5); Fe(2,2); Co(3,7); Cu(4,7); Cr(7,4); Zn(9,3); Ni(9,3);

n·10⁴: Sb(l,2); Ga(1.3); Ti(l,3); Ag(l,3); Se(l,7); Si(l,9); Cd(2,0); Ba(3,9); V(7,9); Hg(7,9);

n·10⁵: U(2,3); Mo(3,7); J(4,7); As(4,8); F(5,4); N(6,9);

n·l0⁶: Ca(l,2); Rb(2,2); Li (3,3); Sr(4,3); S(8,3); K(6,9);

n·10⁷: Mg(l,5); В(1,7); P(5,7); Na(8,9);

n·10⁸ и больше: Cl(l,l); Br(l,26).

При всей ориентировочности таких расчетов порядки полученных величин позволяют выделить группы рассеянных элементов, различающихся длительностью нахождения в океаническом растворе. Элементы, наиболее интенсивно концентрирующиеся в глубоководных илах, имеют наименьшую длительность нахождения в океане. Таковы торий, цирконий, иттрий, скандий. К ним близки периоды нахождения в океаническом растворе свинца, марганца, кобальта. Большая часть металлов полностью выводится из океана на протяжении нескольких тысяч или десятков тысяч лет. Талассофильные элементы находятся в растворенном состоянии сотни тысяч лет и более.

Совершенно особый тип аккумуляции рассеянных элементов в океане связан с формированием железо-марганцевых конкреций.

Скопления конкреций распространены очень широко. В некоторых районах они покрывают 50 % дна и их содержание достигает 40 кг на 1 м². По подсчетам Дж. Л. Меро, на поверхности дна Тихого океана находится примерно 10¹² т конкреций, причем на протяжении года их образуется около 6 млн т. Исходя из этой цифры, мы рассчитали величину годового захвата рассеянных металлов растущими конкрециями. Несмотря на ориентировочность полученных данных, очевидно, что аккумуляция металлов весьма внушительна. В процессе образования конкреций только в Тихом океане ежегодно в их состав входят извлеченные из морской воды десятки тысяч тонн никеля, кобальта, меди, титана, бария, тысячи тонн свинца, молибдена, ванадия, цинка.

Для глобальной оценки эти цифры должны быть увеличены по крайней мере вдвое. В океане, как и на суше, возможны геохимические аномалии. Их возникновение связано с проявлением эндогенных процессов. При океанологических исследованиях были обнаружены действующие подводные вулканы и выходы гидротермальных вод, обогащенных металлами. Естественно, что вокруг таких источников формируются участки аномально высоких концентраций.

Более обширные площади занимают так называемые металлоносные осадки. В них концентрация рассеянных металлов выше, чем в обычных донных осадках океана, хотя значительно ниже, чем в железо-марганцевых конкрециях. А.П. Лисицин, исходя из представлений глобальной тектоники плит, образование металлоносных осадков связывает с формированием океанической коры из базальтовой лавы в срединных хребтах океана. При взаимодействии горячей лавы с водой происходит частичное растворение железа и ряда других элементов (марганца, меди, никеля). В дальнейшем эти металлы соосаждаются с гелями гидроксидов железа или сорбируются другими взвешенными дисперсными частицами. Металлоносные осадки образуют линзы, пласты, а иногда протяженные пояса длиной в тысячи километров.

В итоге действия многих факторов распределение рассеянных элементов в донных осадках Мирового океана изменяется еще более сильно, чем в покрове рыхлых переотложенных продуктов выветривания на поверхности суши.

Значительные массы рассеянных элементов в океане связываются дисперсным органическим веществом. Его основным источником служат отмирающие планктонные организмы. Процесс разрушения их остатков наиболее активно происходит до глубины 500—1000 м. Поэтому в осадках шельфовых и неглубоких приконтинентальных морей скапливаются огромные массы дисперсного органического вещества морских организмов, к которым добавляются органические взвеси, вынесенные речным стоком с суши.

Основная часть органического вещества океана находится в растворенном состоянии и лишь 3–5 % в виде взвеси (Виноградов, 1967). Хотя концентрация этих взвесей в воде невелика, но их общая масса во всем объеме океана весьма значительна: 120–200 млрд т. Ежегодное накопление высокодисперсного органического детритуса в осадках мирового океана по В.А. Успенскому превышает 0,5-10⁹ т.

Дисперсное органическое вещество сорбирует и увлекает в осадки определенный комплекс рассеянных элементов. Об их содержании с известной условностью можно судить по микроэлементному составу крупных аккумуляций органического вещества: залежей каменного угля и нефти. Концентрация элементов в этих объектах обычно приводится по отношению к золе; не менее важны данные по отношению к исходному, неозоленному материалу.

Таблица 8

Средняя концентрация рассеянных элементов в каменном угле и нефти, 1—10^-4%

Как видно из данных табл. 8, микроэлементный состав каменных углей и нефти принципиально различается. В нефти иное соотношение и значительно более высокая концентрация многих рассеянных элементов. Высокое содержание титана, марганца и циркония в каменных углях обусловлено минеральными примесями. Среди рассеянных металлов наибольшая концентрация характерна для цинка, хрома, ванадия, меди и свинца. Важно отметить, что в органическом веществе активно накапливаются многие токсичные элементы (мышьяк, ртуть, свинец и др.) которые беспрестанно удаляются из океанической воды. Следовательно, дисперсное органическое вещество, как и минеральные взвеси, выполняют роль глобального сорбента, регулирующего содержание рассеянных элементов и предохраняющего среду Мирового океана от опасных уровней их концентрации. Количество рассеянных элементов, связанное в дисперсном органическом веществе, весьма значительно, учитывая, что масса этого вещества в осадочных породах в сотни раз превышает суммарное количество всех залежей каменных углей, углистых сланцев и нефти. Общее количество органического вещества в осадочных породах в соответствии с данными Д. Ханта (1972), Н.Б. Вассоевича (1973), А.Б. Ронова (1976) составляет 15–20–10¹⁵ т. Массы рассеянных элементов, аккумулированные в органическом веществе осадочной толщи Земли, измеряются многими миллиардами тонн.

Отмеченные геохимические закономерности характеризуют современное состояние Мирового океана. Несомненно, что оно является итогом длительной истории. На первый взгляд эта история достаточно проста: речные воды выносили выщелоченные из горных пород химические элементы, которые с течением времени накапливались в морской воде или выводились в осадок. Логичность такого подхода только кажущаяся, так как он не дает возможности объяснить ни образование океана, ни его солевого состава.

Напомним, что основную массу солей морской воды составляют хлориды и сульфаты натрия, магния, кальция и калия. Такое сочетание катионогенных и анионогенных элементов с позиций геохимии парадоксально. Первые содержатся в земной коре в количестве нескольких процентов каждый, вторые – в сто раз меньше (кларк хлора – 1,7-10^-2%, кларк серых – 4,7-10^-2%). Так как катионы и анионы находятся в морской воде в эквивалентных количествах, то они не могли поступать из одного источника, в частности, за счет выщелачивания из горных пород. Расчеты показывают, что из того количества хлора, который в настоящее время имеется в океане, всего лишь 1/2900 часть могла быть извлечена из земной коры. По-видимому, катионы и анионы морской воды имеют разное происхождение. Помимо упомянутых хлора и серы, к анионогенным элементам относятся азот, бром, иод, бор, мышьяк, селен, молибден, серебро, ртуть. Именно для этих элементов характерно повышенное значение коэффициента водной миграции (см. табл. 5).

В настоящее время на суше известно около 850 активных вулканов. Их еще больше на дне морей и океанов. С вулканическими газами выходят огромные массы соединений хлора, серы, фтора, брома, иода, но главным и основным компонентом этих газов служат пары воды. Проявления этих процессов в отдаленном прошлом были значительно более мощными. При выплавлении твердого вещества земной коры выносилось огромное количество паров воды и газов. Если сравнить отношение масс гидросферы и земной коры, то окажется, что вода составляет 6–7 % от массы земной коры. Примечательно, что при излиянии базальтов пары воды выделяются примерно в таком же количестве. Таким образом, выплавление первичной коры базальтового состава сопровождалось выносом паров воды, за счет которых был образован древний океан.

Процесс дегазации мантии и поступавшего метеоритного вещества осуществлялся наиболее активно на первых этапах развития планеты. В образовавшейся газовой оболочке помимо паров воды преобладали газы типа На, HF, HJ, НВг, H₂S, H₂SO₄, CH₄, NH₃, B(OH)₃. В дальнейшем пары воды и некоторые газы сконденсировались и образовались древняя атмосфера и первичный океан, в водах которого было растворено большое количество соляной и других кислот. По мнению одних ученых, основной объем современного Мирового океана был сформирован на первом этапе истории Земли, на протяжении 1 млрд лет. Другие предполагают, что этот процесс был более длительным. В любом случае под воздействием кислых вод гидросферы происходило энергичное выщелачивание катионов из первичной коры и в океанической воде постепенно эволюционировало соотношение анионов и катионов.