R o z d z i a ł X I

K R Ą Ż E N I E M A S S K A L N Y C H

I P I E R W I A S T K Ó W W P R Z Y R O D Z I E

Z rozdziałów poprzednich poznaliśmy, że masy skalne są wprawione

w ruch w rozmaity sposób. Ruchy górotwórcze i lądotwórcze, plutonizm

i wulkanizm przemieszczają masy skalne w różnym stanie z głębszych

części skorupy w wyższe; na powierzchni erozja przy współudziale wie­

trzenia, krążenia wód, ruchów masowych oraz zdolności transportowych

wody, wiatru i fal morskich przenosi rozdrobnione masy skalne z wyż­

szych części w niższe obszary, gdzie w pewnych strefach, jak w geosyn-

klinach, mogą znowu dostać się w znaczne głębokości. Gdy geosynklina

zostanie sfałdowana, masy te z powrotem dostaną się na powierzchnię,

nieraz zmienione przez metamorfizm i plutonizm. Na powierzchni znowu

ulegają wietrzeniu, erozji i transportowi w baseny morskie i geosyn-

kliny. Przebieg tych procesów przedstawić można w postaci następu­

jącej:

Kompletny przebieg cykliczny dotyczy obszarów górskich i geosynkli-

nalnych. Obszary kratoniczne, wykonujące stosunkowo nieznaczne ru­

chy pionowe, nie doznają tak znacznych przemieszczeń mas, jakie od­

bywają się w strefach geosynklinalnych; przebieg procesów w tych ob­

szarach można przedstawić następująco:

626

W ten sposób każda skała przechodzi przez cykl przeobrażeń a z nią

minerały i pierwiastki chemiczne, w minerałach zawarte. Pierwiastki

wprawione są więc w krążenie dzięki procesom geologicznym, do któ­

rych dla niektórych pierwiastków dołączają się procesy biologiczne.

G e o c h e m i a , gałąź nauki o chemicznej budowie Ziemi, ma na celu

przedstawienie ilościowego składu chemicznego Ziemi i wykrycie, jak

doszło do tego składu i jaki jest bieg i kierunek zmian w przeszłości

i obecnie.

Z wielkiej liczby pierwiastków tylko 8 wchodzi w skład minerałów

skałotwórczych i stanowi przeszło 98% (wagowo) składu litosfery (ta­

bela 42), mianowicie: tlen, krzem, glin, żelazo, wapń, sód, potas i ma­

gnez. Jeśli pod uwagę weźmiemy też atmosferę i hydrosferę, otrzymamy

także te same pierwiastki ze stosunkowo małymi zmianami ich udziału

procentowego. Dopiero, jeśli spróbujemy na podstawie składu meteory­

tów i naszych wiadomości o wnętrzu Ziemi przedstawić przeciętny skład

chemiczny całej Ziemi, otrzymamy inny udział procentowy wymienio­

nych pierwiastków, ale w dalszym ciągu są to główne pierwiastki składu

chemicznego Ziemi.

T a b e l a 42

Najważniejsze pierwiastki chemiczne w % luagou ych

Litosfera

Litosfera z atmosferą

Cała ziemia

Litosfera z atmosferą

Cała ziemia

według Berga, według CIarke'a i hydrosferą według według W. A.

1927

1924

Berga, 1927

Anderssena

0

46,71

46,46

49,42

27,5

Si

27,96

27,61

27,75

14,5

Al

8,07

8,07

7,51

1,8

Fe

5,05

5,06

4,70

40,0

Ca

3,65

3,64

3,39

2,1

Na

2,75

2,75

2,64

0,4

K

2,58

2,58

2,40

0,14

Mg

2,08

2,07

1,94

9,0

Ni

2,07

3,2

S

0,7

Rozmieszczenie pierwiastków w globie ziemskim zostało zapewne

wywołane już przy krzepnięciu globu, kiedy był on w stanie gazowo-

ciekłym. Zależnie od ciężaru cięższe pierwiastki skupiły się we wnę­

trzu ziemi, lżejsze bliżej powierzchni, pierwiastki i połączenia lotne

skupiły się w praatmosferze. Obok ciężkości działało także pokrewień­

stwo chemiczne pierwiastków; pierwiastki s y d e r o f i l n e („żelazo-

62?

lubne") skupiły się wraz z żelazem w jądrze (Ni, Co, P, Pt, C, itd.); c h a 1-

k o f i 1 n e łączące się z siarką zgromadziły się w mezosferze, która czę­

ściowo składa się z siarczków; tutaj należą As, Au, Cu, Zn, Pb, Sn, Ag.

Pierwiastki łączące się łatwo z tlenem zgromadziły się w wierzchniej

części globu; są to pierwiastki l i t o f i l n e , jak Si, Al, K, Na, Ca, Mg.

Wreszcie następna grupa pierwiastków a t m o f i l n a (H, N, C jako

CO., itd.) zgromadziła się w atmosferze.

Pierwotny rozdział pierwiastków nie został dokonany całkowicie

i w obrębie wierzchniej części (litofilnej i chalkofilnej) pozostało dużo

pierwiastków syderofilnych, wiele pierwiastków chalkofilnych zostało

włączonych w strefę litofilną. Ponadto procesy geologiczne w skorupie

i jej podłożu prowadzą do dalszych przemieszczeń pierwiastków, które

częściowo przebiegają zgodnie z ich tendencją uwarunkowaną ciężarem

i powinowactwem chemicznym, częściowo zaś wbrew tej tendencji. Wę­

drówki pierwiastków w dużej mierze zależą od promieni jonowych. Mia­

nowicie te pierwiastki, które mają promienie zbliżonych wymiarów, jak

pierwiastki litofilne, mogą być łatwiej włączone w minerały złożone

z tych pierwiastków. W wędrówce pierwiastków niektóre zwane b i o-

f i 1 n y m i, jak C, O, H, N, P i S wchodzą w budowę materii organicz­

nej i ich krążenie łączy się z procesami zachodzącymi między biosferą

a litosferą i atmo- oraz hydrosferą.

Procesy magmowe, wulkaniczne, wietrzenie, transport, sedymenta­

cja i działalność organizmów wywołują nie tylko wędrówkę pierwiast­

ków, ale też mogą doprowadzić albo do większego rozproszenia pier­

wiastków, albo do ich koncentracji. Porównując przeciętną ilość pro­

centową pierwiastka w jakiejś skale lub złożu mineralnym z przeciętną

ilością procentową tego pierwiastka w litosferze, można określić sto­

pień koncentracji pierwiastka. F e r s m a n nazwał przeciętną ilość ja­

kiegoś pierwiastka w litosferze k l a r k i e m (od nazwiska geochemika

C l a r k e ' a), który może być wyrażony wagowo, atomowo lub objęto­

ściowo. Np. klark wagowy Fe w litosferze wynosi 5,06, koncentracja Fe

w rudach osadowych wynosi 30, a w niektórych rudach pochodzenia

magmowego jeszcze więcej; klark wagowy Si wynosi 27,6, koncentra­

cja jego w rogowcach może osiągnąć 80; klark C wynosi 0,05, a w pokła­

dach- węgla koncentracja może osiągnąć 80.

Krążenie najważniejszych pierwiastków spowodowane procesami

geologicznymi można w skróceniu przedstawić następująco:

T l e n jest najpospolitszym pierwiastkiem w wierzchnich częściach

ziemi. Gdyby ilość jego przedstawić w procentach objętościowych,

udział jego w budowie skorupy ziemskiej wynosiłby około 90%. Niski

udział tlenu w składzie atmosfery tłumaczy się tym, że wszystkie lekkie

metale i większość niemetali ma duże powinowactwo z tlenem, wsku­

tek czego wielkie jego ilości zostały uwięzione w litosferze, a także

w podłożu skorupy, co już musiało zajść przy krzepnięciu najlżejszej

powłoki ziemskiej, gdy Si, Al, Mg, K, Na i Ca łączyły się z tlenem dla

utworzenia krzemianów. Do tego została zużyta olbrzymia ilość tlenu.

Tlen obecny w atmosferze jest nadal, chociaż na niewielką skalę, zu­

żywany przy procesach wietrzenia głównie przy utlenianiu siarczków

i substancji organicznych oraz połączeń żelaza dwuwartościowego.

Atmosfera traci też tlen wskutek oddychania zwierząt. Redukcyjne

628

działanie świata roślinnego wraca atmosferze wolny tlen; ekshalacje

wulkaniczne prawdopodobnie nie dostarczają atmosferze żadnych po­

ważniejszych ilości tlenu, ale za to dużo dwutlenku węgla, z którego

tlen może być wyzwolony przez rośliny. Prawdopodobnie tlen atmo­

sfery w ten sposób powstał.

K r z e m jest drugim co do ilości pierwiastkiem litosfery. Jest on

zawsze związany z tlenem, a krążenie jego odbywa się tylko w postaci

krzemionki. Wielkie ilości krzemu skupiły się przy grawitacyjnym ukła­

daniu się pierwiastków w najwyższej części skorupy ziemskiej, gdzie

Si wszedł głównie w skład krzemianów, a w mniejszej części utworzył

wolną krzemionkę SiO

2

. Krzem stanowi ważny składnik minerałów skał

ogniowych oraz ługów pokrystalizacyjnych i ichorów; podczas ruchów

wypiętrzających duże ilości krzemu dostają się w strefy bliżej po­

wierzchni, gdzie mogą dostać się do strefy wietrzenia. W strefie wie­

trzenia krzem pod postacią minerałów iłowych oraz jako koloidalne

i molekularne roztwory krzemionki może zostać usunięty z krzemianów

skał ogniowych i przechodzi do osadów. Część jego w postaci krzemionki

jest zużyta przez organizmy przy budowie skorupek (okrzemki, radio­

larie, gąbki). Krzem, jako kwarc lub w połączeniach iłowych, wreszcie

jako opal, pozostaje w skałach osadowych. Dzięki odporności kwarcu

na procesy chemiczne i abrazję w czasie transportu oraz dzięki proce­

som biologicznym zachodzi w skałach osadowych koncentracja krze­

mionki (piaskowce, kwarcyty, rogowce). Przy zanurzaniu się skał osa­

dowych w głąb część krzemu może przy metamorfizmie z powrotem

wejść w skład krzemianów, z których w dalszym biegu jeszcze raz może

być w postaci krzemionki uwolniony.

G l i n , podobnie jak krzem, został uwięziony w krzemianach

w wierzchniej części litosfery. Przy procesach wietrzenia glin wchodzi

w skład minerałów iłowych, znacznie rzadziej powstają z nich tlenki

glinu. Poważniejsza koncentracja glinu zachodzi tylko przy wietrzeniu

laterytowym. Związki glinu zawarte w skałach osadowych mogą do­

stać się w strefę metamorfizmu i z powrotem w dużej mierze wejść

w skład krzemianów. Do koncentracji glinu przychodzi bardzo trudno.

S ó d skupił się głównie w litosferze. Procesy granityzacyjne, migma-

lytyzacja i albityzacja powodują jego dalsze przemieszczanie z głęb­

szych części litosfery i jej podłoża ku górze, toteż górna część skorupy

jest w sód wzbogacona. Przy wietrzeniu sód jest łatwo ługowany z krze­

mianów i znaczna jego część dochodzi do morza, gdzie w pewnych wa­

runkach, jak również w jeziorach pustyniowych może ulec koncentra­

cji i wejść w skład złóż solnych. Większa część soli kamiennej zawar­

tej w morzu pochcdzi z wietrzenia, przy czym jednak chlor jest, zdaje

się, pochodzenia wulkanicznego.

P o t a s jeszcze bardziej niż sód jest ograniczony do górnej części

litosfery, gdyż brak go w skałach zasadowych, w których sód może być

jeszcze obecny. Granityzacja i pokrewne procesy również przenoszą go

stale ku górze. Duża koncentracja potasu występuje w pegmatytach

(skalenie i miki potasowe). Przy wietrzeniu zostaje częściowo zatrzy­

many (np. w serycycie), częściowo wyługowany, ale w wędrówce roz­

tworów po powierzchni ziemi zostaje przeważnie zaadsorbowany przez

minerały iłowe, z których zostaje wykorzystany przez świat roślinny.

629

Zjawiska te powodują, że do morza dostaje się stosunkowo niewiele

potasu i, chociaż w skałach krzemianowych stosunek Na:K wynosi

2,75:2,58, w wodzie morskiej stosunek ten jest 57:2. W wodzie morskiej

potas w bardzo małej mierze zużywany jest przy powstawaniu glauko-

nitu; do koncentracji jego soli dochodzi bardzo trudno.

W a p ń został związany w krzemianach i ma głębsze rozprzestrzenie­

nie pionowe niż potas i sód. Wyługowany łatwo z krzemianów wędruje

pod postacią kwaśnych węglanów do mórz, gdzie zużywany jest głównie

do budowy szkieletów organicznych, a w małej mierze może być wytrą­

cony chemicznie jako węglan lub siarczan. Procesy biologiczne powo­

dują powstawanie koncentracji wapnia w skałach wapiennych, które

w cyklach geologicznych dość łatwo mogą ulec powtórnemu rozpusz­

czeniu, transportowi i ponownemu zużyciu przez świat organiczny. Po­

cząwszy od górnej kredy, tzn. od momentu pojawienia się planktonicz-

nych organizmów wapiennych, wielkie ilości wapnia przenoszone są

do wielkich głębi oceanicznych. Przy dostaniu się osadów wapiennych

w duże głębokości lub w kontakcie z magmą wapienie częściowo mogą

ulec przeobrażeniom w skały wapienno-krzemianowe, ale mogą też za­

chować się jako skały wapienne (marmury), przy czym część wapnia

wiąże się przy tym z powrotem w krzemiany.

M a g n e z krąży w podobny sposób, jak wapń. Wyługowany z krze­

mianów, zawartych zarówno w skałach kwaśnych, jak głównie zasado­

wych, jest przenoszony do morza, gdzie bądź przez dolomityzację wcho­

dzi w skład skał osadowych, bądź też, aczkolwiek znacznie rzadziej, zo­

staje strącony wskutek parowania. Tworząc połączenia łatwo rozpusz­

czalne, utrzymuje się w roztworze znacznie dłużej w morzu niż wapń.

Przy pogrążaniu część jego może wrócić w krzemiany.

Ż e l a z o należy do ośmiu ważnych składników litosfery, a jest naj­

liczniejszym składnikiem kuli ziemskiej jako całości. Wraz z magnezem

stanowi ono składnik krzemianów w głębszej części litosfery i w jej pod­

łożu, a ilość jego z głębokością wzrasta. Przez segregacje magmowe,

pneumatolizę, źródła i ekshalacje wulkaniczne pewne jego ilości do­

stają się w płytsze części litosfery i na powierzchnię. Przy wietrzeniu

jest łatwo uwalniane, ale wskutek skłonności do utleniania i tworzenia

koloidalnych połączeń daleka jego wędrówka jest utrudniona i żelazo

zostaje zatrzymywane w produktach wietrzenia. Jeśli nawet dostanie

się do morza, ulega prędko strąceniu przez elektrolity.

W pewnych okolicznościach mogą do morza być zniesione duże ilo­

ści połączeń żelaza i nastąpić może jego koncentracja na drodze osa­

dowej. Część żelaza w morzu zużyta jest przy powstawaniu glaukonitu.

Oprócz powyżej omówionych ośmiu pierwiastków, będących głów­

nymi składnikami litosfery, trzeba kilka słów poświęcić krążeniu tych

pierwiastków, które uczestniczą w procesach biologicznych. Do nich

należą przede wszystkim węgiel, fosfor, azot i siarka.

W ę g i e l znajduje się w roztworach magmowych jako CO

2

w dro­

dze ekshalacji i źródeł wydobywa się na powierzchnię i wchodzi w skład

atmosfery. Część jego zostaje zużyta w procesach wietrzenia na two-

Tzenie węglanów i wraca z nimi przeważnie poprzez skorupy organiz­

mów z powrotem do litosfery głównie w postaci osadów wapiennych

i dolomitów, część zostaje zużyta przez świat roślinny na budowę wę-

630

glowodanów (celulozy itd.). Przy rozkładzie materii organicznych węgiel

jako C 0

2

wraca ponownie do atmosfery, a część jego jest zużywana

przez świat zwierzęcy jako pożywienie i tą drogą też (przez oddycha­

nie) wraca do atmosfery. W szczególnych okolicznościach materia orga­

niczna (przede wszystkim roślinna) ulega niezupełnemu rozkładowi,

wtedy węgiel koncentruje się w osadach jako węgle i bituminy.

Węgiel utrwalony w skałach osadowych w strefie metamorfizmu

i plutonizmu może być znów wyzwolony jako C 0

2

i w drodze ekshala-

cji i krążenia wód może wydostać się na powierzchnię. Dzieje się to przy

przeobrażeniu skał wapiennych, gdy wapń i magnez łączą się z krze­

mionką na krzemiany, a C 0

2

zostaje uwolniony.

F o s f o r jest w globie ziemskim zapewne skoncentrowany w jądrze

ziemi, gdyż meteoryty zawierają stosunkowo dużo (do 0,22%) fosforu.

Natomiast w litosferze jest on stosunkowo rzadki (0,08%.) Występuje

głównie w apatycie, który jest akcesorycznym składnikiem skał ognio­

wych i może przez segregację lub pneumatolizę skoncentrować się

w tych skałach. Apatyt ulega łatwo rozpuszczeniu; z roztworów fosfor

jest przyjmowany przez rośliny, a następnie wchodzi w skład ciał zwie­

rząt, w których może nastąpić koncentracja fosforu (kości, skorupy,

rogi); również w odchodach zwierząt gromadzi się pewna ilość fosforu.

W morzu przez masowe wymarcie zwierząt bądź przez przesycenie może

nastąpić koncentracja fosforu w postaci fosfatów.

A z o t może być pominięty, gdyż rzadko wchodzi w skład połączeń

nieorganicznych, ale zaznaczyć trzeba, że pewna ilość tego gazu wy­

dobywa się przy ekshalacjach wulkanicznych.

S i a r k a zapewne znajduje się we wnętrzu ziemi, gdyż jest obecna

w meteorytach (do 4%, przeciętnie 0,16%). Połączenia siarczkowe od­

dzielają się od magmy tworząc segregacje, ponadto w skałach magmo­

wych akcesorycznie występują piryt i pirotyn. W drodze hydrotermal-

nej lub pneumatolitycznej połączenia siarki dostają się do wyższych czę­

ści litosfery; w wyziewach wulkanicznych występują też połączenia

siarki.

Podczas wietrzenia siarczki przechodzą w rozpuszczalne siarczany,

które przez reakcję z innymi siarczkami w strefie cementacji mogą być

przeobrażone znowu w siarczki; siarczany mogą być też redukowane

przez materię organiczną oraz bakterie z powrotem w siarczki, a nawet

może powstać siarka rodzima. W morzu siarczan wapnia, jako trudno

rozpuszczalny, może być względnie łatwo wytrącony, toteż złoża gipsów

lub anhydrytów są dość częste.