Дәріс. Жер қабаттары, онда элементтердің орналасуы
Минералдардың химиялық құрамын, ол құрамның құралу заңдылықтарын, жаратылысын танып білу үшін жер қабаттарын және оларда элементтердің үлесін және орналасуын білу қажет. Басқаша айтқанда жер химиясын яғни геохимиянегізін білу керек болады.
Геохимия ғылымы жер қабаттарындағы атомдардың тарихын, олардың бір орыннан екінші орынға ауысу, жылжу заңдарын зерттейді. Геохимия тұрғы-сынан қарағанда минералдар- геохимиялық элементтердің жер қабаттарындағы әр түрлі жағдайларға қарай пайда болған негізінен тұрақты қосылыстар.
Жердің бізге белгілі бөлімі- оның үстіңгі қабаты, яғни қыртысы. Оның терең қабаттарының нақтылы құрамы, қалай жаралғаны белгісіз. Қолдан қазылған шахталардың тереңдігі 2–3 километрге дейін, ал бұрғылау тереңдігі 5–6 километрге дейін жетті.
Жердің ішкі қабаттарының құрамы туралы тек табиғат құбылыстарының нәтижелеріне байланысты деректер алынады. Олардың бірі- жанар тау вулкандарының атқылауы. Жер сілкіну, тау көтерілу, вулкан атқылау үнемі үздіксіз жүретін процестерге жатады. Сонымен қатар жер бетіндегі тау-тастар жел қағу, күн шағу, су шаю әрекеттерінен бұзылып отырады.
Жер сілкінуден, тау көтерілуден тау жыныстарының жер бетіне шығуымен қатар жер астының қалың қабатынан бізге аз болсада деректер беретін әсерге жер сілкінгенде пайда болатын серпімді толқындар. Ол толқындар түрлі-түрлі қабаттарда салмағы әр түрлі тау жыныстарында әр түрлі жылдамдықпен тарайды, демек толқындар әр түрлі сынып, қабаттардан шағылады. Осы толқындарды өлшеп зерттеу арқылы тау жыныстары туралы мәлімет алуға болады. Жер күнді айналып жүрген планеталардың бірі. Сондықтан кейбір астрономиялық әдістерде жердің ішкі құрылысы туралы мәліметтер береді. Мысалы, аспаннан жерге келіп түскен метеорит заттардың құрылысын, құрамын өлшеп, соны жер құрылысымен салыстыру, басқа аспан денелері мен жердің арасындағы тартылыс күштерін бақылау, сол арқылы жердің тығыздығын анықтау және т.б.. Осы тұрғыдан зерттеу нәтижесінде жердің орташа тығыздығы 5,5 (т/м3), ал оның беткі қабаттарындағы тау жыныстарының тығыздығы 2,6–3,0 (т/м3) құрайды. Осы мәліметтерге сүйенсек жер қабаттарының тереңдігі артқан сайын олардың тығыздықтарыда жоғарылай беруі мүмкін деген қорытынды шығарылады.
Көптеген зерттеулердің нәтижесінде жер заттары өздерінің меншікті салмақтарына қарай бірнеше қабаттар құрып орналасқан деген қорытындыға келуге болады: ең ауыр заттар жердің ішкі орталық өзегінде, ең жеңіл заттар жердің үстіңгі бетінде. Жер қабаттары геосфералар деп аталады (гео-жер, сфера-шар).
Геосфераның ең жеңіл үстіңгі қабаты атмосфера деп аталады. Оның қалыңдығы бірнеше мың километрге барады, бірақ өлшеуге бақылауға келетін мөлшері 500 километрдей деп есептеледі.
Жердің ең үстіңгі сұйық, су қабаты гидросфера деп аталады. Мұхит суларының ең терең жері ≈11 километрдей, ал тығыздығы 1-ден сәл артықтау.
Гидросфера астында, құрлықтарда, таулы-қырлы жерлерде жердің қатты қабаты бар. Оны қыртыс қабаты дейді. Негізі топырақтан тұрады. Осы үш қабаты астасқан жерінде, тіршілік қабаты бар, оны биосфера деп атайды.
Жердің үстіңгі қатты бетін, оған қыртыс (топырақты) қабатыда кіреді, литосфера деп атайды (тас қабат). Оның қалыңдығы ондаған километрге жетеді. Бұл қабаттағы тау жыныстарының құрамы базальт деген тау жынысына жуық келеді. Сондықтан оны базальт қабаты деп те атайды.
Литосферадан төмен, жердің ең ішкі өзегінің сыртында аралық қабат немесе мантия қабаты бар. Бұл ең қалың қабат, қалындығы 3000 километрге жуық. Оның құрамына ауыр магмалық тау жыныстарынан тұрады. Жер сілкіну әрекеттері осы мантияның үстіңгі бөлігінде болады.
Жердің ең ішкі орталық өзегі- ядросы көбінде темірден, одан кейін никельден тұрады деп есептейді. Жер шары салмағының негізін осы өзек құрайды. Оның меншікті салмағы жоғары, 10 т/м3- ке жетеді деген жорамал бар. Осы келтірілген геосфералар қабаттарында әрқайсысына тән элементтер жинақталған, осыған байланысты олардың физикалық және химиялық қасиеттері бар.
Норвегияның атақты ғалымы В.М. Гольдшмидт барлық элементтерді, геосфераға таралуына байланысты, төртке бөлінеді: 1) атмофильдер, 2) литофильдер, 3) халькофильдер, 4) сидерофильдер.
Атмофилдер дегені ауалық элементтер деген сөз. Литофилдер- литосфералық элементтер, яғни оттек пен қосылатын элементтер. Халькофилдер- күкіртпен қосылып кен қабатын құраушы элементтер. Сидерофилдер- темірге тән элементтер.
В.М. Гольдшмидт элементтерді осындай топтарға бөлгенде атомдардың көлемін (иондық радиустарын) және олардың сыртқы электрон қабаттарының құрылысын да негізге алған.
Атмофилділерге жататындар: газдар, сутек, азот, нейтрал газдар. Бұлардың көпшілігінде атом сыртындағы орбиталь 8 электроннан тұрады.
Литофилдерге жататын элементтер: литий, натрий, калий, магний, кальций, алюминий, силиций (кремний), оттек, т.б. Бұлардың иондары сырт орбитальда 8 электрон бар.
Халькофилдерге жататын элементтер: мыс, мырыш, қорғасын, сынап, күміс, алтын, мышьяк, қалайы, күкірт т.б. Бұлардың иондары 18 электрон (сырт қабатта) болады.
Сидерофильдерге жататындар: темір, кобальт, никель, платина тобы, көміртек т.б. Бұлардың иондарының сыртында қосымша құрылысты электрон қабаттары бар.
Химиялық элементтердің жер қыртысындағы үлестерін анықтауға, олардың таралуындағы заңдылықтарды ашуда В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман, А.П. Виноградов секілді академик ғалымдар, Америка геохимигі Ф.Кларк, Норвегияның ғалымы В. Гольдшмидт зор еңбек сіңірді.
Ф.Кларк американың ірі ғалымы, геохимик, тау жыныстарын талдап зерттеуде нәтижесінде жер қыртысының орташа құрамын есептеп шығарып, 1889 жылы химиялық элементтердің пайыздық үлесін көрсететін кесте жасады.
Жердің беткі тас қабатын (литосфера), су қабатын (гидросфера) және ауаны (атмосфера) қосып есептегендегі жалпы салмағы 2,2-2,5·1019 тоннаға тең деп есептеледі. Осы қабаттардағы химиялық элементтерді Вернадский бірнеше декадаға бөліп, пайыздық үлесін анықтаған (келтірілген кесте Ферсманның түзетулерімен толықтырылған) х). Бірінші декадағы үлесі 10%-тен асатын элементтер, екіншіде- 10%-тен 1% ке, үшіншіде үлес 1%-тен 0,1% ке дейін және т.с.с.орналасқан.
1-кесте – Элементтердің жер қыртысындағы пайыздық үлестері
| Декада | Проценттік үлес | Бүкіл әлемдік қоры, т | Элементтер |
| I | 1018 | O, Si | |
| II | 1-10 | 1017-1018 | Al, Fe, Ca, Na, Mg, K, H |
| III | 10-1 -10 | 1016-1017 | Ti, C, Ca, P, S, Mn |
| IV | 10-2-10-1 | 1015-1016 | F, Ba, N, Sr, V, Ni, B, Cu |
| V | 10-3-10-2 | 1014-1015 | Rb, Li, V, Be, Ca, Th, Nd, Pb, Mo, Br, Ga |
| VI | 10-4-10-3 | 1013-1014 | U, Yb, Dy, Gd, Sm, Er, La, Sn, Sc, W, Cs, Cd, As, Pr, Hf, Ar, Cp, Hg, Tu, Ho, Tb, I, Ge |
| VII | 10-5-10-4 | 1012-1013 | Se, Sb, Nb, Ta, Eu, Sn, Bi, Te, Ag |
| VIII | 10-6-10-5 | 1011-1012 | Pd, Pt, Ru, Os, Au, Rh, Ir, He |
| IX | 10-7-10-6 | 1010-1011 | Ne, Re |
| X | 10-8-10-7 | 109-1010 | Kr |
| XI | 10-9-10-8 | 108-109 | Xe |
| XII | 10-10-10-9 | 107-108 | Ra |
| XIII | 10-11-10-10 | 106-107 | Pa |
Кестеден ең алдымен көзге түсетіні Менделеев кестесінде жоғары, 1–4 периодтарда орналасқан жеңіл элементтер. Ал жердің астыңғы қабаттарына қарай ауыр элементтердің мөлшерінің біртіндеп көбейетінін байқаймыз.
Жер қыртысында инертті газдар (неон, криптон, ксенон) мен рений, радий және протоантиний элементтері өте аз кездеседі екен. Бесінші және алтыншы декалардан бастап он үшінші декада аралығында орналасқан элементтердің көбін сирек және шашыранды элементтер деп атайды.
Сонымен барлық элементтердің жер қабаттарында орналасуы олардың меншікті салмақтарына байланысты екнін, демек ауырлары жердің астыңғы, ал жеңілдері үстіңгі қабаттарында көп кездесетінін білдік. Мысалы, атмосфера (ауа қабаты) жер бетінен биіктеген сайын сирей береді де, 500 километрде ауа қабаты бітеді. Ал ауадан кейінгі жеңіл нәрсе су (1,0 т/м3) жердің ең бетінде орналасқан. Одан төменгі қабаттың (жер қыртысы) меншікті салмағы кварцтың меншікті салмағына жақыны- 2,7–2,8 т/м3.
Жердің беткі қабатының құрамына оралайық. Себебі бұл беткі қабаттың біз үшін маңызы айрықша. Тірі организмнің тіршілігі осы қабат қасиетіне және оның су және ауа қабатымен тығыз байланысты. Енді осы жер қыртысындағы элементтердің үлестік мөлшерін қарастырайық. Миллиондаған, тіпті миллиард жылдар бойы жер қойнауында болған орасан өзгерістер жер бетін әрине мүлде өзгертті, сонымен қатар элементтердің үлесі өзгерді. Академик А.Е. Ферсман деректері бойынша жер бетінің құрамы мынадай (пайызбен берілген) 1сурет:
Оттек (О)-50,0 Натрий (Na)-2,0
Кремний (Si)-26,0 Калий (K)-2,0
Алюминий (Al)-7,0 Магний (Mg)-2,0
Темір (Fe)-4,0 Сутек (H)-1,0
Кальций (Ca)-3,0
және басқалары.
Бұл деректерден жердің бет қабатын оттек (О), кремний (Si) және алю-миний (Al), дәлірек айтқанда олардың қосындылары- SiО2, Al2О3 алып жатқанын көреміз. Бірінші суреттен жер беті құрамын көз алдыңызға елестетуге болады.
Жердің төменгі қабаттарындағы ауыр элементтер мен қосылыстар құрайтын элементтің бірі- күкірт. Ол үшінші декадада орналасқан, яғни ол көп тараған элементтің бірі. Күкірттің ауыр элементтермен қосылысы өте мықты, тұрақты келеді. Мұндай күкірт қосылыстарын сульфидтердеп атайды. Жердің шамамен 1200 км тереңдігінде сульфидті қабат бар.
В.М. Гольдшмидт теориясында қарастырылмаған екі қосымша геосфера бар, оның бірі су қабаты- гидросфера, екіншісі- тіршілік қабаты- биосфера.
А.Е.Ферсманның есептеуі бойынша гидросферадағы негізгі элементтердің салмақ мөлшері (кларктары) төмендегідей:
Оттек (О)...... .86,45
Сутек (Н).......10,63
Хлор (Сl)........2,03
Натрий (Na)....1,14
Азот (N)..........1,37
Магний (Mg)...0,14
Күкірт (S)........0,09
Кальций (Ca)...0,05
Калий (K)........0,04
Бром (Br).........0,015
Көміртек (C)...0,0035
Барлығы ....... 99,99
Барлық қалған элементтерді жинағанда, олардың гидросферадағы салмақ мөлшері пайыздық жүз бөлігінің бір бөлігіндей ғана болады.
Биосфераны құраушы ең басты элементтер мыналар: көміртек (С), оттек (О), сутек (Н), азот (N), күкірт (S), фосфор (Р), калий (К), темір (Fe). Бұлардың ішінде бірінші орында әрқашан көміртек болады.
Көп организмдерде биогендік элементтерден басқа үнемі кездесетін элементтер мыналар: кальций (Са), кремний (Si), иод (І), марганец (Мn), мыс (Сu), фосфор (Р) т.б.
1-сурет. Жер қабаттарының құрамы
Тікелей зерттеуге болатын және адам тіршілігіне тікелей әсер ететін геосфералар саны үшеу: атмосфера, гидросфера және литосфера. Біз литосфера-ның 15–20 км-дей тереңіне ғана дәл мәліметтер ала аламыз. Сонымен, атмосферада, гидросферада, литосфераның үстіңгі 16 километрлік қалыңдығында қан-дай элементтердің қаншалық үлестері бар екені есептелген (2-кестені қараңыз).
2-кесте Химиялық элементтердің жердің беткі қабаттарында таралуы. (атмо+гидро+литосфераның 16 км қалыңдығы, салмағы, кларк есебінен)
| Рет № | Элемент | Кларк, 1933 ж. | Рет № | Элемент | Кларк, 1933 ж. |
| Сутек | 1,00 | Цирконий | 0.025 | ||
| Гелий | 1  10-6 | Ниобий | 3.2 10-5 | ||
| Литий | 5 10-3 | Молибден | 1 10-7 | ||
| Берилий | 4 10-4 | Технеций | 1 10-7 | ||
| Бор | 5 10-3 | Рутений | 5 10-6 | ||
| Көміртек | 0.35 | Родий | 1 10-6 | ||
| Азот | 0.04 | Палладий | 6 10-6 | ||
| Оттек | 49.13 | Күміс | 1 10-5 | ||
| Фтор | 0.08 | Кадмий | 5 10-4 | ||
| Неон | 5 10-7 | Индий | 1 10-5 | ||
| Натрий | 2.40 | Қалайы | 8 10-3 | ||
| Магний | 2.35 | Сурьма | 5 10-5 | ||
| Алюминий | 7.45 | Теллур | 1 10-6 | ||
| Кремний | 26.00 | Иод | 1 10-4 | ||
| Фосфор | 0.12 | Ксенон | 3 10-9 | ||
| Күкірт | 0.10 | Цезий | 1 10-3 | ||
| Хлор | 0.20 | Барий | 0.05 | ||
| Аргон | 4 10-4 | 57–71 | Лантанидтер | 0.01 | |
| Калий | 2.35 | Гафний | 4 10-4 | ||
| Кальций | 3.25 | Тантал | 2.4 10-5 | ||
| Скандий | 6 10-4 | Вольфрам | 7 10-3 | ||
| Титан | 0.61 | Рений | 1 10-7 | ||
| Ванадий | 0.02 | Осмий | 5 10-6 | ||
| Хром | 0.03 | Иридий | 1 10-6 | ||
| Марганец | 0.10 | Платина | 2 10-5 | ||
| Темір | 4.20 | Алтын | 5 10-7 | ||
| Кобальт | 2 10-3 | Сынап | 5 10-6 (?) | ||
| Никель | 0.02 | Таллий | 1 10-5 | ||
| Мыс | 0.01 | Қорғасын | 1.6 10-3 | ||
| Мырыш | 0.02 | Висмут | 1 10-5 | ||
| Галлий | 1 10-4 | Полоний | 5 10-6 | ||
| Германий | 1 10-4 | Астатин | – | ||
| Мышьяк | 5 10-4 | Радон | – | ||
| Селен | 8 10-5 | Франций | – | ||
| Бром | 1 10-3 | Радий | 2 10-10 | ||
| Криптон | 2 10-8 | Актиний | – | ||
| Рубидий | 8 10-3 | Торий | 1 10-3 | ||
| Стронций | 0.035 | Протактиний | 7 10-11 | ||
| Иттрий | 5 10-3 | Уран | 4 10-4 |
Әдебиет: 1-нег. [123-130] қос[5-11]
Бақылау сұрақтары:
1. Геохимия ғылымы нені зерттейді
2. Адамдар жер қабаттарының құрылымдары туралы деректерді алуға нелер себеп болады.
3. Геосфералар дегеніміз не?
4. Жер қыртысына не жатады?
5. Геосфералық қабаттардың аттары.
6. Элементтердің таралуы Гольдшмидт геосфераны қандай топтарға бөлді, аттары?
7. Геосферада таралуы бойынша элементтердің топтары.
8. Кларк кестесі нені көрсетеді?
9. Элементтердің мөлшеріне қарай Вернадский жасаған декадалар.
10. Элементтердің орналасуына қандай заңдылық байқалады?
11. Жер бетінің құрамы.
12. Гидросфераның құрамы (Ферсман бойынша).
13. Биосфераға кіретін негізгі элементтер.
14. Организмдерде кездесетін басқада элементтер.