Кремний

Кремний — широко распространен в Космосе и является одним из важнейших элементов земной коры и Земли в целом.

Свойства кремния обусловлены характером электронной оболочки его атомов, легко теряющих четыре валентных электрона в процессе окисления. Кремний переходит в ион Si4+, который в сочетании с анионами кислорода О2- образует комплексный ион SiO4 4 – в виде тетраэдра.

В условиях биосферы кремний нигде не расстается с кислородом и образует свыше 500 минеральных видов. Главные минералы кремния представлены в таблице 2.1

Кремний является циклическим элементом, совершающим непрерывный круговорот в природе (рис. 2.14). «Миллионы тонн этого элемента, – указывал В. И. Вернадский, – находятся в непрерывном движении – в геохимической миграции».

Несомненно, это ничтожная доля всего кремния, находящегося в земной коре. Тем не менее его количество огромно, гораздо больше, чем количество биогенного кремния, участвовавшего в жизненных процессах.

Весь аккумулированный этими организмами кремний также возвращался в литосферу и гидросферу в виде остаточного после их разложения продукта.

За год через живое вещество проходит огромное количество кремния, в тысячи раз большее его содержания в данный момент во всех живых организмах. Благодаря этому живое вещество имеет большое значение в геохимической истории кремния.

Исключительно велико значение в химии биосферы окиси кремния SiO2, которая в зависимости от термодинамических условий выступает в разных полиморфных модификациях. Для высоких давлений характерны полиморфные модификации — коэсит, китит, стишовит. Стишовит (с плотностью 4,35 г/см3), играет существенную роль в составе нижней мантии Земли, возникшего при разложении силикатов при высоких давлениях.

Наиболее распространенной разновидностью оксида кремния в земной коре является кварц (плотность 2,65 г/см3), чистая разновидность которого представляет собой горный хрусталь. В земной коре широко распространены скрытокристаллические (халцедон, агат, яшма, кремень) и аморфные (опал, гейзерит) формы кремнезема.

При остывании магмы, в которой преобладали изолированные тетраэдры иона SiO44- происходит последовательная кристаллизация породообразующих минералов.

Первоначально образуется оливин, объединяющий с помощью ионов магния и железа эти тетраэдры. Затем следуют мета-силикатные цепи [SiP3]32n- пироксенов, а далее амфиболы с более сложными структурами радикалов [Si4O11]6n и параллельно сети [Al,Si]nO2n- полевых шпатов.

На заключительных стадиях кристаллизации выделяется SiO2 в виде кварца. При кристаллизации магмы происходит замещение части кремния ионами алюминия в кремнекислородных тетраэдрах АIO5-4.

Молекулы воды наряду с ионами водорода Н+ и гидроксильной группой ОН- на заключительных этапах магматической дифференциации образуют гидротермальные растворы, несущие растворенный кремнезем, который в дальнейшем отлагается в виде кварцевых жил различной формы в коренных породах или породах вмещающих. Кварц выступает в качестве главного породообразующего минерала во многих рудных жилах.

В ходе круговорота воды на поверхности земного шара реки выносят огромное количество кремнезема в виде аморфных разновидностей, взвесей глинистых частиц и растворов ортокремниевой кислоты H4SiO4.

По некоторым расчетам при перемещении кремнезема из пород базальтового состава в травы выносится 8,5 • 105 граммов с одного гектара в течение года. В океане совершается сложная миграция кремнезема. Некоторые черты этой миграции представлены на рисунке 2.15.

Ежегодно речной сток поставляет 4,3 • 1014 граммов растворенного кремнезема в океан. Важным процессом удаления кремнезема из объема океана является биологическое поглощение и последующее осаждение биогенных кремниевых илов на площади океанического дна.

Главными группами организмов, которые удаляют растворенный кремнезем из морской воды, являются диатомовые водоросли, радиолярии, силико-флягелляты и кремниевые губки Диатомеи и радиолярии планктона уносят большее количество скелетного материала в морские осадки, в то время как силикофлягелляты и губки имеют в современную эпоху подчиненное значение.

Диатомовые распространены преимущественно в холодных областях океана, в частности вокруг Антарктиды. Они известны в геологических отложениях от триаса.

Радиолярии являются морскими простейшими животными, повсеместно распространенными в океане. Они также имеют скелетный материал, сложенный из аморфного кремнезема, за исключением одной группы Acantharia, которая обладает скелетом, состоящим из сульфата стронция (SrSO4).

Ископаемые остатки указывают, что силико-флягелляты и кремниевые губки в прошлом были распространены больше, чем сейчас, и поэтому могли играть более важную роль в океаническом цикле кремнезема.

Биологическое поглощение уменьшает концентрацию растворенного кремнезема в поверхностных слоях океана. Минимальная его концентрация, необходимая для роста диатомовых, приблизительно равна 0,2 мг/л. После гибели органические остатки погружаются на дно, подвергаются разложению и растворению скелетного материала.

Растворение этого материала происходит с меньшей скоростью, чем окисление органического вещества, и при этом возрастает концентрация растворенного кремнезема с глубиной от 5 до 10 мг/л в придонных слоях.

Поток осаждения биогенного кремнезема от поверхностных слоев океана балансируется вертикальными восходящими потоками растворенного кремнезема, возникшего при растворении погруженных скелетных остатков и привносом растворенного кремнезема от континентального водного стока.

Вычисление баланса кремнезема в океане требует количественной информации о влиянии организмов на его концентрацию.

Представляется, что количество кремнезема, ежегодно удаляемое биогенным осаждением, несколько превышает то его количество, которое поступает при стоке с континентов и при подводном выветривании, что можно видеть при следующем сравнении (по данным Р.Харриса, 1966):

Это расхождение баланса может быть компенсировано привносом растворенного кремнезема от подводного вулканизма. Морские организмы, преимущественно диатомовые и радиолярии, существенно контролируют концентрацию кремнезема, растворенного в современном Мировом океане.

В большинстве осадочных пород кремний присутствует в составе глинистых минералов и кварца, попадающего первоначально за счет выветривания кварцсодержащих кислых изверженных пород. Формирование отложений кварца в виде кварцевых песков и песчаников связано с интенсивностью выветривания и перемывом первичного материала.

Очень чистые кварцевые пески и песчаники встречаются относительно редко. В большинстве случаев в них присутствуют примеси полевых шпатов и некоторых других минералов, устойчивых к химическому выветриванию. Грубозернистые песчаники образуют отложения, относимые к аркозам, грауваккам и спарагмитам.