Kjemisk element

Sedimentære bergarter

Nedbrytningen av eksisterende bergarter ved forvitring, transport og deponering av forvitringsproduktene som sedimenter, og eventuell dannelse av sedimentære bergarter kan forventes å produsere en grov blanding av materialer, og dermed motvirke ytterligere geokjemisk differensiering av elementene. Det er ikke slik det er; sedimentære prosesser produserer ofte bemerkelsesverdige konsentrasjoner av elementene, noe som fører til nesten rene avsetninger av visse mineraler. Noen sandsteiner inneholder for eksempel over 99 prosent kvarts og noen kalksteiner over 99 prosent kalsiumkarbonat. Det ytterste oppnås i saltforekomster, med omfattende senger med anhydritt (CaSO ₄), gips (CaSO ₄ · 2H ₂O), halitt (NaCl) og andre forbindelser. Goldschmidt sammenlignet den sedimentære prosessen med en kvantitativ kjemisk analyse som involverte suksessiv separasjon av spesifikke elementer eller grupper av elementer.

Kvarts (SiO ₂) er meget motstandsdyktig mot forvitring og akkumuleres som avleiringer av sand. Når de konsolideres, danner disse forekomstene sandsteiner, en viktig gruppe av sedimentære bergarter. Under spesielle forhold kan nesten ethvert mineral avsettes i sandstore korn, men de fleste mineraler blir til slutt spaltet av forvitring. Noen få motstandsdyktige kan overleve og være tilstrekkelig konsentrerte til å danne økonomiske forekomster kjent som placers; de mest kjente er sannsynligvis gullbærende sand, viktige kilder til dette elementet, men sandavsetninger kan ha økonomiske konsentrasjoner av zirkonium (som mineral zirkon, ZrSiO ₄), titan (som rutil, TiO ₂ og ilmenitt, FeTiO ₃), tinn (som kassiteritt, SnO ₂) og andre.

Aluminosilikatene av stollartede bergarter, hovedsakelig feltspat, (K, Na) AlSi ₃ O ₈ og (Na, Ca) (Al, Si) ₄ O ₈, spaltes relativt lett ved forvitring. Alkalielementene og kalsium blir i stor grad ført bort i oppløsning, mens aluminium og silisium raskt blir deponert som uoppløselige leirmineraler. Når de konsolideres, danner disse mineralene skifer og gjørme. De ferromagnesiske mineralene gjennomgår en mer kompleks nedbrytning, noe som noen ganger fører til avsetning av jernrike sedimenter som stort sett består av hydrert jernoksid; slike sedimenter er verdifulle jernmalm i mange land.

Kalsium blir ført bort i oppløsning hovedsakelig som kalsiumbikarbonat, Ca (HCO ₃) ₂. Det meste av det når havet til slutt, der den brukes av et stort utvalg av organismer som skjelettmateriale i form av kalsitt og aragonitt (polymorfer - forskjellige former - av CaCO ₃). Akkumulering av skjelettmaterialer etter døden av organismen har dannet omfattende forekomster av kalkstein gjennom geologisk tid. Magnesium i sjøvann kan reagere med kalsiumkarbonat for å danne dolomitt, CaMg (CO ₃) ₂, og på denne måten fjernes noe magnesium fra oppløsningen og avsettes i sedimenter.

Mye av magnesium forblir imidlertid i sjøvann, som egentlig er en fortynnet løsning av magnesium, kalsium, natrium og kaliumklorider og sulfater, med mange andre elementer i små mengder (se tabell). Under spesielle geologiske omstendigheter kan sjøvannskropper bli avskåret fra det åpne hav, og under tørre forhold vil vannet fordampe og omfattende saltsenger bli avsatt. Slike forhold har oppstått i forskjellige regioner gjennom geologisk tid, og de resulterende saltavsetninger er økonomisk viktige som kilder til natrium, kalium, kalsium, magnesium, klor og svovel.

De tre hovedgruppene av sedimentære bergarter er sandsteiner, skifer og karbonatbergartene (kalksteiner og dolomitter). Mye mindre geokjemisk forskning har blitt viet til sedimentære bergarter enn til stollbergarter, og dataene for innholdet i mindre og sporstoffer er derfor mindre omfattende. Figurene i tabellen viser at mindre- og sporelementene generelt har en tendens til å være mer konsentrert i skifer enn i sandsteinene og karbonatbergartene.

Problemet med å komme til en gjennomsnittlig sammensetning for alle sedimentære bergarter er fremdeles stort sett uavklart, hovedsakelig på grunn av usikkerhet i de relative mengdene av skifer, sandsteiner og karbonatbergarter. Fra geokjemiske argumenter estimerte Clarke de relative prosentene av disse tre gruppene som henholdsvis 80: 15: 5. Faktiske målinger av sedimentære bergarter antyder at disse tallene imidlertid overvurderer mengden av skifer og undervurderer den for kalkstein. Dermed ga en samling av de registrerte mengdene av skifer, sandstein og kalksteiner i mer enn 213 000 meter sedimentære bergformasjoner relative prosentandeler på henholdsvis 46:32:22. Identifiseringen av en formasjon som en kalkstein, en sandstein eller en skifer, vil imidlertid sannsynligvis være grov; skifer inneholder vanligvis betydelig sand, sandsteiner kan ha mye leire, og betegnelsen kalkstein brukes på mange bergarter med 50 prosent eller mindre karbonat. Det ser ut til at kalksteiner er mer fremtredende i den geologiske referansen enn det som forventes fra geokjemiske beregninger; dette gjenspeiler sannsynligvis det faktum at miljøer med grunt vann er de store stedene for karbonatavsetning, mens havdypene er depotet først og fremst av leirrike sedimenter.

Metamorfe bergarter

Forholdsvis få undersøkelser er gjort av den elementære sammensetningen av metamorfe bergarter. Mange av disse bergartene beholder de geokjemiske egenskapene til foreldre, stollende eller sedimentære materialer, og deres bulkkomposisjon er lite endret til tross for fullstendig rekrystallisering og produksjon av nye mineraler og strukturer i noen tilfeller. Noen metamorfe bergarter er imidlertid blitt markant endret ved fjerning av noen komponenter og tilsetning av andre.

Geological Survey of Canada har utført en omfattende studie av et stort område av Canadian Shield, et område med kompleks geologi som i stor grad består av metamorfe bergarter. Fra en samling av mer enn 8000 berggrunnsprøver ble de gjennomsnittlige forekomstene av alle hovedelementene og en rekke mindre og sporstoffer bestemt; tallene er gitt i tabellen. Som antatt er den gjennomsnittlige sammensetningen ikke veldig forskjellig fra den gjennomsnittlige sammensetningen av stollende bergarter. Det viser et noe høyere silisiuminnhold, noe som antagelig reflekterer en overvekt av granitt over basaltiske bergarter og en relativ overflod av kvartsrike sedimentære bergarter i den opprinnelige sminke av Canadian Shield. Den generelle gyldigheten av disse forekomststallene for metamorfe bergarter er bekreftet av en lignende studie av den gjennomsnittlige sammensetningen av metamorfe bergarter i det tidligere Sovjetunionen, som har gitt nær sammenlignbare resultater.