Масса Земли равна 5,98 X 10 24 кг, т. е. около 6 тыс. триллионов т, а её средняя плотность 5,52 г/куб. см. Вместе с тем средняя плотность внешних слоёв земной коры вдвое меньше.
Сопоставляя эти цифры, необходимо прийти к выводу, что внутренность нашей планеты должна иметь плотность не менее 8,37.
В центре Земли плотность достигает 17,2 г/куб. см при давлении 3 млн. атм и что она особенно резким скачком (от 5,7 к 9,4) меняется на глубине 2900 км, а затем на глубине 5 тыс. км. Первый скачок позволяет выделить в земном шаре плотное ядро, а второй - подразделить это ядро на внешнюю (2900-5000 км) и внутреннюю (от 5 тыс. км до центра) части.
Естественнее всего думать, что столь высокая плотность центральных частей обусловлена огромными давлениями, существующими в глубине Земли, в результате чего материя находится там в состояние исключительно большого сжатия. Это объяснение сейчас приобретает всё большее число сторонников. Пока давление в Земле не достигает известного критического предела - плотность изменяется постепенно; когда этот предел (видимо, 1,3 млн. атм) достигнут, - вещество скачком переходит в более плотную «металлоподобную» фазу.
Другое объяснение сводится к предположению, что внутренность Земли состоит из веществ большего удельного веса, чем земная кора, преимущественно из металлов. Так как плотность и твёрдость внутренних частей Земли сравнительно мало отличаются от плотности и твёрдости железа в обычных физических условиях, то большинство учёных придерживается мнения, что земное ядро построено из железа с примесью никеля. Таким образом, вторая гипотеза постулирует расслоение Земли на оболочки, резко отличающиеся по своему химическому составу; первая же, не отрицая известной дифференциации вещества по удельному весу, главную причину изменения плотности материи внутри Земли видит в физических условиях (возрастании давления) и полностью отрицает существование металлического ядра. Средняя плотность планет тем выше, чем больше размеры планеты: Меркурий 3,8 г/куб. см, Марс 3,93, Земля 5,52. Это говорит о возможности значительного уплотнения вещества под действием возрастающего давления.
Особенно крупные услуги в изучении глубоких недр земного шара оказывает сейсмология, наука о землетрясениях. Сейсмические волны в руках современных геофизиков стали своего рода лучами, как бы просвечивающими нашу планету и позволяющими делать известные заключения об её внутреннем состоянии и строении.
Землетрясение - это результат внутренних напряжений в земном веществе, приводящих к разрыву масс и к их смещению. Смещение может быть очень небольшое, но упругие волны, порождённые им, распространяются в теле Земли на громадные расстояния от места своего возникновения, именуемого очагом. Центр тяжести сейсмического очага носит название гипоцентра. Действие волн скажется для нас прежде всего в той точке (вернее области) земной поверхности, которая находится ближе всего к очагу, - в так называемом эпицентре, лежащем на одной вертикали с гипоцентром.
Упругая волна - сферическая. Радиусы сферы, т. е. траектории распространения волн, называются сейсмическими лучами.
При землетрясении возникают волны трёх родов:
1) продольные волны (Р), могут возникать в любых телах - твёрдых, жидких и газообразных; напоминают звуковые волны; движутся быстрее всех других волн, порождаемых землетрясением;
2) поперечные волны (S), движущиеся медленнее продольных; напоминают световые волны; являются волнами сдвига, могут возникать и распространяться только в твёрдой среде;
3) ещё более медленные поверхностные волны (L) - сложная группа волн, которые образуются только в поверхностных частях земной коры, а на глубине затухают; начинаясь от эпицентра, они вызывают на земной поверхности сильные смещения и разрушения.
Все эти волны расходятся от сейсмического очага разными путями, вследствие чего на станции, удалённой от эпицентра, прибытие их регистрируется разновременно. Позже всего приходят длинные волны L, так как они распространяются только по периферии Земли. Волны Р и S, пронизывающие тело Земли на больших глубинах, приходят раньше, причём первыми регистрируются более быстрые продольные волны (Р - primae - первые), а затем более медленные поперечные (S - secundae - вторые).
Если бы тело Земли было однородно, сейсмические лучи волн Р и S были бы прямыми линиями. Постепенное увеличение плотности Земли с глубиной дало бы вогнутые траектории, обращённые выпуклостью внутрь Земли. Если же плотность Земли с глубиной меняется скачками, то в этих вогнутых кривых должны быть переломы на границах сред, обладающих разными плотностями, не говоря уже о частичном отражении волн. Именно последнюю картину мы и наблюдаем.
Исследование скоростей сейсмических волн, их характера и траекторий приводит к следующим заключениям:
1) при прохождении сквозь тело Земли продольных и поперечных волн скорости этих волн изменяются, что свидетельствует об изменениях свойств проходимой ими среды;
2) скорости изменяются скачками, - значит, изменение свойств среды происходит тоже скачками;
Имеется в сущности два резких перелома скоростей: на глубине 60 км и на глубине 2900 км. Иными словами, отчётливо обособляются только внешний слой (земная кора) и внутреннее ядро. В промежуточном между ними поясе, а также внутри ядра налицо лишь изменение темпа увеличения скоростей.
Видно также, что Земля до глубины 2900 км находится в твёрдом состоянии, так как через эту толщу свободно проходят поперечные упругие волны, которые только и могут возникать и распространяться в твёрдой среде. Прохождение поперечных волн сквозь ядро не наблюдалось, и это давало основание считать его жидким. Однако новейшие расчёты М. С. Молоденского показывают, что хотя модуль сдвига в ядре невелик, но всё же не равен нулю (как это характерно для жидкости) и, стало быть, ядро Земли ближе к твёрдому, чем к жидкому состоянию. Разумеется, в данном случае понятия «твёрдого» и «жидкого» нельзя отождествлять с аналогичными понятиями, применяемыми к агрегатным состояниям вещества на земной поверхности: внутри Земли господствуют высокие температуры и огромные давления, каких нет в ландшафтной оболочке.
О химическом составе внутренних частей планеты нет единодушного мнения, так как говорить о химическом составе вещества, опираясь по сути дела только на представления об изменении его плотности, весьма затруднительно.
Земная кора состоит преимущественно из гранитов; осадочные породы в ней имеют подчинённое значение. Под гранитной оболочкой предполагают существование слоя, близкого по составу к базальту или перидотиту. На сравнительно уже небольших глубинах, где температура и давление достаточно высоки, твёрдые горные породы обладают свойством пластичности, т. е., подвергаясь давлению, способны менять свою форму и сохранять это изменение формы после прекращения давления.
Гранитная оболочка, в составе которой огромную роль играют кремний (Si) и алюминий (Al), называется «сиалической», или просто «сиаль». Удельный вес её в среднем 2,7-2,8. Она не сплошная и характеризуется переменной мощностью: в Западной Европе и Северной Америке 26-28 км, на Кавказе 50 км, в Тянь-Шане 84 км, в Атлантическом океане до 18 км; в центральных частях Тихого океана сиаля нет вовсе. И прерывистость распространения, и различная мощность одинаково говорят против того, что гранитная оболочка есть результат застывания первоначально расплавленной земной поверхности, т. е. «жора» в собственном смысле этого слова: из расплава должна была бы образоваться сплошная сиалическая оболочка и притом одинаковой толщины.
Подстилающий гранитную оболочку базальтовый слой, где, кроме кремния и алюминия, важную роль играет ещё и магний, принято сокращённо обозначать «сима» (силиций + магний). Эта оболочка, удельный вес которой 3,2-3,3, уже сплошная. В глубоких местах Тихого и Атлантического океанов сима либо непосредственно слагает самое дно, будучи перекрыта небольшой толщей морских грунтов и водой, либо отделена от воды тонкой (около 5 км) корой сиаля.
Чем можно объяснить расслоение Земли по крайней мере на две концентрические сферы, облекающие плотное ядро?
Земля возникла как холодное тело из постепенно разраставшегося сгустка космической пыли и была первоначально однородна по своему составу в том смысле, что вещество её представляло беспорядочную смесь частиц различного удельного веса. По достижении планетой определённых размеров в ней началась физико-химическая и гравитационная дифференциация вещества, т. е. очень медленное опускание более тяжёлых элементов вглубь и поднятие более легких кверху. На глубине скорость этого процесса была меньше, чем в верхних слоях, так как вязкость вещества, под влиянием всё возрастающего давления, с глубиной увеличивается. Надо поэтому думать, что обособление так называемой земной «коры» и обособление ядра обязаны существенно разным причинам. Ядро возникло путём скачкообразного уплотнения вещества, когда внутри растущей планеты давление достигло некоторого критического значения. По Б. Ю. Левину, это могло случиться только после того, как масса Земли выросла до 0,8 её современной массы; образование ядра сопровождалось, вследствие уменьшения объёма центральных частей планеты, опусканием поверхности Земли примерно на 100 км. Что касается поверхностных слоёв, то здесь дифференциация протекала легче и притом в своём наиболее чистом виде: из однородной массы базальтового состава выделились и всплыли кверху более лёгкие кислые составные части. Возникновение ядра сузило область действия дифференциации: его уплотнённое давлением вещество в значительной степени утеряло «потребность» (и физическую возможность) к всплыванию на более высокие уровни за пределы ядра. Уже одно это говорит против предположения, будто ядро может состоять из какого-то одного, почти в совершенстве «отпрепарированного» вещества (например, железа). По-видимому, оно даже гораздо меньше дифференцировано, чем вышележащие слои.
Хорошее доказательство дифференциации можно найти в характере извержений современных нам вулканов. Последнее извержение Геклы началось 29 марта 1947 г. и продолжалось 13 месяцев, причём лава начальной фазы извержения состояла из более кислых продуктов (59% SiO 2), чем лава последней фазы (54% SiO 2 - базальт). Очевидно, более кислая лава поступала из верхних частей магматического бассейна, основная - из более глубоких. Это свидетельствует, что за сто лет, прошедших со дня предыдущего извержения (1845 г.), в магматическом очаге, находившемся в спокойном состоянии, лава как бы «отстоялась», произошла её гравитационная дифференциация: более кислые лёгкие части оказались вверху, более основные, тяжёлые - внизу.
Если какой-нибудь вулкан извергается часто - лава не успевает дифференцироваться и заметного различия в продуктах извержения нет. Но чем дольше период покоя между извержениями, тем глубже дифференциация, - оттого одни и те же вулканы в одних случаях изливают основную лаву, в других кислую.
Излияние жидкой расплавленной лавы на поверхность не противоречит утверждению, что недра Земли находятся в твёрдом состоянии. Отдельные магматические очаги могут возникать под влиянием разогрева земной коры в областях значительной местной концентрации радиоактивных элементов. Кроме того, на больших глубинах, где температуры высоки и в обычных условиях были бы достаточны для расплавления горных пород, последние продолжают оставаться твёрдыми по причине колоссальных давлений, повышающих температуру плавления. Следовательно, достаточно ослабить давление, чтобы перегретое вещество перешло в жидкость и стало содержащимися в нём газами увлекаться к поверхности Земли. При гравитационной дифференциации восходящие движения, т. е. перенос вещества в области убывающего давления, осуществляются в самом широком масштабе.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Химический состав земной коры был определен по результатам анализа многочисленных образцов горных пород и минералов, выходящих на поверхность земли при горообразовательных процессах, а также взятых из горных выработок и глубоких буровых скважин.
В настоящее время земная кора изучена на глубину до 15-20 км. Она состоит из химических элементов, которые входят в состав горных пород.
Наибольшее распространение в земной коре имеют 46 элементов, из них 8 составляют 97,2-98,8 % ее массы, 2 (кислород и кремний) -75 % массы Земли.
Первые 13 элементов (за исключением титана), наиболее часто встречающиеся в земной коре, входят в состав органического вещества растений, участвуют во всех жизненно необходимых процессах и играют важную роль в плодородии почв. Большое количество элементов, участвующих в химических реакциях в недрах Земли, приводит к образованию самых разнообразных соединений. Химические элементы, которых больше всего в литосфере, входят в состав многих минералов (из них в основном состоят разные породы).
Отдельные химические элементы распределяются в геосферах следующим образом: кислород и водород заполняют гидросферу; кислород, водород и углерод составляют основу биосферы; кислород, водород, кремний и алюминий являются основными компонентами глин и песчаных пород или продуктов выветривания (они в основном составляют верхнюю часть коры Земли).
Химические элементы в природе находятся в самых различных соединениях, называемых минералами.
7.Минералы в земной коре – определение, классификация, свойства.
Земная кора состоит в основном из веществ, называемых минералами - от редких и чрезвычайно ценных алмазов до различных руд, из которых получают металлы для наших повседневных нужд.
Определение минералов
Часто встречающиеся минералы, такие как полевые шпаты, кварц и слюда, называются породообразующими. Это отличает их от минералов, которые находят только в небольших количествах. Кальцит - еще один породообразующий минерал. Он формирует известняковые породы.
В природе существует так много минералов, что минералогам пришлось выработать целую систему их определения, основанную на физических и химических свойствах. Иногда распознать минерал помогают очень простые свойства, например, цвет или твердость, а порой для этого требуются сложные тесты в лабораторных условиях с применением реагентов.
Некоторые минералы, такие как лазурит (синий) и малахит (зеленый), можно распознать по цвету. Но цвет часто обманчив, потому что у многих минералов он довольно широко варьируется. Различия в цвете зависят от примесей, температуры, освещения, радиации и эрозии.
Классификация минералов
1. Самородные элементы
Около 90 минералов - 0,1% массы земной коры
Золото, платина, серебро - драгоценные металлы, медь - цветной металл, алмаз - драгоценный камень, графит, сера, мышьяк
2 . Сульфиды
Около 200 минералов - 0,25 % массы земной коры
Сфалерит - цинковая руда, галенит - свинцовая руда, халькопирит - медная руда, пирит - сырье для химической промышленности, киноварь - ртутная руда
3 . Сульфаты
Около 260 минералов, 0,1% массы земной коры
Гипс, ангидрит, барит - цементное сырье, поделочный камень и др.
4 . Галлоиды
Около 100 минералов
Галит - каменная соль, сильвин - калийное удобрение, флюорит - фторид
5 . Фосфаты
Около 350 минералов - 0,7% массы земной коры
Фосфорит - удобрение
6 . Карбонаты
Около 80 минералов, 1,8% массы земной коры
Кальцит, арагонит, доломит - строительный камень; сидерит, родохрозит - руды железа и марганца
7. Окислы
Около 200 минералов, 17% массы земной коры
Вода, лед; кварц, халцедон, яшма, опал, кремень, корунд -драгоценные и полудрагоценные камни; бокситовые минералы - руды алюминия, минералы руд железа, олова, марганца, хрома и др.
8. Силикаты
Около 800 минералов, 80% земной коры
Пироксены, амфиболы, полевые шпаты, слюды, серпентин, глинистые минералы - основные породообразующие минералы; гранаты, оливин, топаз, адуляр, амазонит - драгоценные и полудрагоценные камни.
Свойства
Блеск - весьма характерный признак многих минералов. В одних случаях он очень похож на блеск металлов (галенит, пирит, арсенопирит), в других - на блеск стекла (кварц), перламутра (мусковит). Немало и таких минералов, которые даже в свежем изломе выглядят матовыми, т. е. не имеют блеска.
Замечательной особенностью многих природных соединений служит их окраска. Для ряда минералов она постоянна и весьма характерна. Например: киноварь (сернистая ртуть) всегда обладает карминно-красным цветом; для малахита характерна яркозеленая окраска; кубические кристаллики пирита легко узнаются по металлически-золотистому цвету и т. д. Наряду с этим окраска большого количества минералов изменчива. Таковы, например, разновидности кварца: бесцветные (прозрачные), молочно-белые, желтовато-бурые, почти черные, фиолетовые, розовые.
Минералы различаются и по другим физическим свойствам. Одни из них настолько тверды, что легко оставляют царапины на стекле (кварц, гранат, пирит); другие сами царапаются обломками стекла или острием ножа (кальцит, малахит); третьи обладают настолько низкой твердостью, что легко чертятся ногтем (гипс, графит). Одни минералы при раскалывании легко расщепляются по определенным плоскостям, образуя обломки правильной формы, похожие на кристаллы (каменная соль, галенит, кальцит); другие дают в изломе кривые, "раковистые" поверхности (кварц). Широко варьируют и такие свойства, как удельный вес, плавкость и др.
Столь же различны и химические свойства минералов. Одни легко растворяются в воде (каменная соль), другие растворимы лишь в кислотах (кальцит), третьи устойчивы даже по отношению к крепким кислотам (кварц). Большинство минералов хорошо сохраняется в воздушной среде. Однако известен ряд природных соединений, легко подвергающихся окислению или разложению за счет кислорода, углекислоты и влаги, содержащихся в воздухе. Давно установлено также, что некоторые минералы под воздействием света постепенно меняют свою окраску.
Все эти свойства минералов находятся в причинной зависимости от особенностей химического состава минералов, от кристаллической структуры вещества и от строения атомов или ионов, входящих в состав соединений.
Введение…………………………………………………………………………..2
1. Строение Земли ……………………………………………………………….3
2. Состав земной коры…………………………………………………………...5
3.1. Состояние Земли …………………………………………………………....7
3.2.Состояние земной коры……………………………………………………...8
Список используемой литературы………………………….…………………10
Введение
Земная кора - внешняя твёрдая оболочка Земли (геосфера). Ниже коры находится мантия, которая отличается составом и физическими свойствами - она более плотная, содержит в основном тугоплавкие элементы. Разделяет кору и мантию граница Мохоровичича, или сокращённо Мохо, на которой происходит резкое увеличение скоростей сейсмических волн. С внешней стороны большая часть коры покрыта гидросферой, а меньшая находится под воздействием атмосферы.
Кора есть на большинстве планет земной группы, Луне и многих спутниках планет-гигантов. В большинстве случаев она состоит из базальтов. Земля уникальна тем, что обладает корой двух типов: континентальной и океанической.
1. Строение Земли
Большую часть поверхности Земли (до 71%) занимает Мировой океан. Средняя глубина Мирового океана - 3900 м. Существование осадочных пород, возраст которых превосходит 3,5 млрд. лет, служит доказательством существования на Земле обширных водоемов уже в ту далекую пору. На современных континентах более распространены равнины, главным образом низменные, а горы - в особенности высокие - занимают незначительную часть поверхности планеты, так же как и глубоководные впадины на дне океанов. Форма Земли, как известно близкая к шарообразной, при более детальных измерениях оказывается очень сложной, даже если обрисовать ее ровной поверхностью океана (не искаженной приливами, ветрами, течениями) и условным продолжением этой поверхности под континенты. Неровности поддерживаются неравномерным распределением массы в недрах Земли.
Одна из особенностей Земли - ее магнитное поле, благодаря которому мы можем пользоваться компасом. Магнитный полюс Земли, к которому притягивается северный конец стрелки компаса, не совпадает с Северным географическим полюсом. Под действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров.
О внутреннем строении Земли, прежде всего, судят по особенностям прохождения сквозь различные слои Земли механических колебаний, возникающих при землетрясениях или взрывах. Ценные сведения дают также измерения величины теплового потока, выходящего из недр, результаты определений общей массы, момента инерции и полярного сжатия нашей планеты. Масса Земли найдена из экспериментальных измерений физической постоянной тяготения и ускорения силы тяжести. Для массы Земли получено значение 5,967 1024 кг. На основе целого комплекса научных исследований была построена модель внутреннего строения Земли.
Твердая оболочка Земли - литосфера. Ее можно сравнить со скорлупой, охватывающей всю поверхность Земли. Но эта «скорлупа» как бы растрескалась на части и состоит из нескольких крупных литосферных плит, медленно перемещающихся одна относительно другой. По их границам концентрируется подавляющее число землетрясений. Верхний слой литосферы - это земная кора, минералы которой состоят преимущественно из оксидов кремния и алюминия, оксидов железа и щелочных металлов. Земная кора имеет неравномерную толщину: 35-65 км на континентах и 6-8 км под дном океана. Верхний слой земной коры состоит из осадочных пород, нижний из базальтов. Между ними находится слой гранитов, характерный только для континентальной коры. Под корой расположена так называемая мантия, имеющая иной химический состав и большую плотность. Граница между корой и мантией называется поверхностью Мохоровича. В ней скачкообразно увеличивается скорость распространения сейсмических волн. На глубине 120-250 км под материками и 60-400 км под океанами залегает слой мантии, называемый астеносферой. Здесь вещество находится в близком к плавлению состоянии, вязкость его сильно понижена. Все литосферные плиты как бы плавают в полужидкой астеносфере, как льдины в воде. Более толстые участки земной коры, а так же участки, состоящие из менее плотных пород, поднимаются по отношению к другим участкам коры. В то же время дополнительная нагрузка на участок коры, например, вследствие накопления толстого слоя материковых льдов, как это происходит в Антарктиде, приводит к постепенному погружению участка. Такое явление называется изостатическим выравнивание. Ниже астеносферы, начиная с глубины около 410 км «упаковка» атомов в кристаллах минералов уплотнена под влиянием большого давления. Резкий переход обнаружен сейсмическими методами исследований на глубине около 2920 км. Здесь начинается земное ядро, или, точнее говоря, внешнее ядро, так как в его центре находится еще одно - внутреннее ядро, радиус которого 1250 км. Внешнее ядро, очевидно, находится в жидком состоянии, поскольку поперечные волны, не распространяющиеся в жидкости, через него не проходят. С существованием жидкого внешнего ядра связывают происхождение магнитного поля Земли. Внутреннее ядро, по-видимому, твердое. У нижней границы мантии давление достигает 130 ГПа, температура там не выше 5000 К. В центре Земли температура, возможно, поднимается выше 10 000 К.
2. Состав земной коря
Земная кора состоит из нескольких слоев, толщина и строение которых различны в пределах океанов и материков. В связи с этим выделяют океанический, материковый и промежуточный типы земной коры, которые будут описаны дальше.
По составу в земной коре выделяют обычно три слоя – осадочный, гранитный и базальтовый.
Осадочный слой сложен осадочными горными породами, являющимися продуктом разрушения и переотложения материала нижних слоев. Этот слой хотя и покрывает всю поверхность Земли, но местами настолько тонок, что практически можно говорить о его прерывистости. В то же время иногда он достигает мощности в несколько километров.
Гранитный слой сложен в основном магматическими породами, образовавшимися в результате застывания расплавленной магмы, среди которых преобладают разности, богатые кремнеземом (кислые породы). Этот слой, достигающий на материках мощности 15-20 км, под океанами сильно сокращается и даже может совсем отсутствовать.
Базальтовый слой также слагается магматическим веществом, но более бедным кремнеземом (основными породами) и обладающим большим удельным весом. Этот слой развит в основании земной коры во всех областях земного шара.
Материковый тип земной коры характеризуется присутствием всех трех слоев и является значительно более мощным, чем океанический.
Земная кора представляет собой основной объект изучения геологии. Земная кора состоит из весьма разнообразных горных пород, состоящих из не менее разнообразных минералов. При изучении горной породы прежде всего исследуют ее химический и минералогический состав. Однако этого недостаточно для полного познания горной породы. Одинаковый химический и минералогический состав могут иметь породы различного происхождения, а следовательно, и различных условий залегания и распространения.
Под структурой породы понимают размеры, состав и форму слагающих ее минеральных частиц и характер их связи друг с другом. Различают разные типы структур в зависимости от того, сложена ли горная порода из кристаллов или аморфного вещества, какова величина кристаллов (целые кристаллы или обломки их входят в состав породы), какова степень окатанности обломков, совершенно не связанны друг с другом образующие породу минеральные зерна или они спаяны каким-либо цементирующим веществом, непосредственно срослись друг с другом, проросли друг друга и т. д.
Под текстурой понимают взаиморасположение составляющих породу компонентов, или способ заполнения ими пространства, занимаемого горной породой. Примером текстур могут быть: слоистая, когда порода состоит из чередующихся слоев разного состава и структуры, сланцеватая, когда порода легко распадается на тонкие плитки, массивная, пористая, сплошная, пузырчатая и т.д.
Под формой залегания горных пород понимается форма тел, образуемых ими в земной коре. Для одних пород – это пласты, т.е. сравнительно тонкие тела, ограниченные параллельными поверхностями; для других – жилы, штоки и т.п.
В основу классификации горных пород кладется их генезис, т.е. способ происхождения. Выделяют три крупные группы пород: магматические, или изверженные, осадочные и метаморфические.
Магматические породы образуются в процессе застывания силикатных расплавов, находящихся в недрах земной коры под большим давлением. Эти расплавы получили название магмы (от греческого слова «мазь»). В одних случаях магма внедряется в толщу лежащих выше пород и застывает на большей или меньшей глубине, в других – она застывает, излившись на поверхность Земли в виде лавы.
Осадочные породы образуются в результате разрушения на поверхности Земли ранее существовавших пород и последующего отложения и накопления продуктов этого разрушения.
Метаморфические породы представляют собой результат метаморфизма, т.е. преобразования ранее существовавших магматических и осадочных горных пород под влиянием резкого повышения температуры, повышения или изменения характера давления (смены всестороннего давления на ориентированное), а также под влиянием других факторов.
3.1. Состояние Земли
Состояние земли характеризуется температурой, влажностью, физической структурой и химическим составом. Деятельность человека и функционирование растительного и животного мира могут улучшать и ухудшать показатели состояния земли. Основными процессами воздействия на землю являются: безвозвратное изъятие из сельскохозяйственной деятельности; временное изъятие; механическое воздействие; добавка химических и органических элементов; вовлечение в сельскохозяйственную деятельность дополнительных территорий (осушение, орошение, вырубка леса, рекультивация); нагревание; самовозобновление.
3.1. Состояние земной коры
В последние время наблюдается весьма сложная картина распределения полей сжимающих и растягивающих напряжений, выявленная китайским геологом Х.С. Лю (1978 год) и связанная с взаимодействием разных по размерам плит земной коры, что вызывает образование сдвиговых нарушений, при которых края плит скользят друг относительно друга. По расчетам П.Н. Кропоткина, участки земной коры, охваченные растяжением, не превышают 2% общей площади, а вся остальная ее часть находится в состоянии сжатия.
Выявленная усилиями исследователей разных стран в последние десятилетия глобальная картина напряженного состояния земной коры дала очень много для понимания тонуса литосферы, как образно заметили С.И. Шерман и Ю.И. Днепровский (1989 год) . Этот тонус оказывает непосредственное влияние на геологические процессы, происходящие в настоящее время, и прежде всего на сейсмологические, что позволяет ставить вопрос о долгосрочных прогнозах землетрясений.
В чем кроется причина практически повсеместного сжатия, наблюдаемого в земной коре? Одно из возможных объяснений заключается в признании кратковременного уменьшения радиуса Земли, что обеспечивает возникновение эффекта сжатия. Для того чтобы доказать изменение радиуса Земли, необходимы точные данные по вариациям силы тяжести, флуктуациям скорости вращения Земли и чэндлеровским колебаниям полюса. Удовлетворительные данные по этим вопросам в настоящее время недостаточны, и, следовательно, возможность сокращения радиуса Земли пока рассматривается как гипотеза.
Существуют методы выявления не только современных, но и древних полей напряжений, что дает возможность понять многие геологические закономерности, например размещение рудных залежей, почти всегда связанных с участками растяжения (рис. 4). Зная положение таких зон в прошлые эпохи, можно прогнозировать поиски рудных полезных ископаемых. То же касается и сейсмичности. Например, американские геологи М.Д. Зобак и М.Л. Зобак доказали, что палеосейсмические зоны внутри Северо-Американской плиты еще в историческое время были очень активными, хотя сейчас находятся в состоянии покоя. Изменение поля напряжений может вызвать новую активизацию и возобновление землетрясений.
Усилия ученых сейчас направлены на составление специальных карт с показом на них ориентировки осей главных напряжений, кроме того, важно вычленить составляющие разного ранга поля напряжений. Энергичная техногенная деятельность человека: создание огромных водохранилищ, откачка колоссальных объемов газа, нефти, воды из земных недр, разработка глубоких карьеров - все это нарушает естественные поля напряжений и существующее динамическое равновесие в земной коре, особенно ее верхней части. Поэтому необходимо наблюдать за современными полями напряжений, в том числе и точными инструментальными методами.
Список используемой литературы
1. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. – М.: Логос, 2000. – 627 с.
2. Кропоткин П.Н. Тектонические напряжения в земной коре // Геотектоника. 1996. № 2. С. 3-5.
3. Напряженное состояние земной коры: (По измерениям в массивах горных пород). М.: Наука, 1973. 188 с.
4. Жуков М.М, Славин В.И, Дунаева Н.Н. Основы геологии.–М.: Госгеолтехиздат, 1961.
5. Лейялль Ч. Основные начала геологии или новейшие изменения земли и её обитателей.– Пер с англ., ТТ. I II, 1986.
Введение
Три наружные оболочки Земли, различающиеся фазовым состоянием, – твердая земная кора, жидкая гидросфера и газовая атмосфера – тесно связаны между собой, а вещество каждой из них проникает в пределы других. Подземные воды пронизывают верхнюю часть земной коры, значительный объем газов находится не в атмосфере, а растворен в гидросфере и заполняет пустоты в почве и горных породах. В свою очередь, вода и мелкие твердые минеральные частицы насыщают нижние слои атмосферы.
Наружные оболочки связаны не только пространственно, но и генетически. Происхождение оболочек, формирование их состава и его дальнейшая эволюция взаимосвязаны. В настоящее время эта связь в значительной мере обусловлена тем, что наружная часть планеты охвачена геохимической деятельностью живого вещества.
Массы оболочек сильно различаются. Масса земной коры оценивается в 28,46×10 18 т, Мирового океана – 1,47×10 18 т, атмосферы – 0,005×10 18 т. Следовательно, в земной коре находится основной резерв химических элементов, которые вовлекаются в миграционные процессы под воздействием живого вещества. Концентрации и распределение химических элементов в земной коре оказывают сильное влияние на состав живых организмов суши и всего живого вещества Земли.
Рассматривая проблему состава живого вещества, В.И. Вернадский отмечал: «…химический состав организмов теснейшим образом связан с химическим составом земной коры; организмы приноравливаются к нему».
Химики и петрографы начиная со второй половины XIX в. изучали химический состав горных пород методами весового и объемного химического анализа. Суммируя результаты многочисленных анализов горных пород, Ф. Кларк показал, что в земной коре преобладают восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, калий и натрий. Этот основной вывод неоднократно подтвержден результатами последующих исследований. Методами химического анализа, которыми пользовались в XIX в., определение низких концентраций элементов было невозможно. Требовались принципиально иные подходы.
Мощный импульс изучению химических элементов с очень низкой концентрацией в веществе земной коры дало применение более чувствительного метода – спектроскопического анализа. Новые факты позволили В.И. Вернадскому сформулировать принцип «всюдности» всех химических элементов. В докладе на XII съезде российских естествоиспытателей и врачей в декабре 1909 г. он заявил: «В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы… В песчинке или в капле, как в микрокосмосе, отражается общий состав космоса».
Идея «всюдности» химических элементов долгое время вызывала настороженность даже со стороны крупных ученых. Это было связано с тем, что элементы, содержащиеся в количестве ниже уровня чувствительности метода, при анализе не обнаруживались. Создавалась иллюзия их полного отсутствия, что отразилось на терминологии. В геохимии возникли термины редкие элементы (dieselteneElementen– нем.; rareelements– англ.), частота (dieHaufigkeit– нем.) обнаружения. В действительности имеет место не реальная редкость или малая частота встречаемости элемента при анализах, а его низкая концентрация в изучаемых пробах, которая не может быть определена недостаточно чувствительными методами анализа.
Низкая чувствительность метода часто не позволяла определять количество элемента, а лишь констатировать присутствие его «следов». С тех пор в геохимической литературе широко используется термин? применявшийся В.М. Гольдшмидтом и его коллегами в 1930-х гг.: элементы-следы (dieSpurelemente– нем.; traceelements– англ.; deselementstraces– фр.).
В итоге усилий ученых разных стран в 20-х гг. XX в. сложилось общее представление о составе земной коры. Средние значения относительного содержания химических элементов в земной коре и других глобальных и космических системах известный геохимик А.Е. Ферсман предложил называть кларками в честь ученого, который наметил путь к количественной оценке распространения химических элементов.
Кларк – весьма важная величина в геохимии. Анализ значений кларков позволяет понять многие закономерности распределения химических элементов на Земле, в Солнечной системе и доступной нашим наблюдениям части Вселенной. Кларки химических элементов земной коры различаются более чем на десять математических порядков. Столь существенное количественное различие должно отразиться на качественно неодинаковой роли двух групп элементов в земной коре. Наиболее ярко это проявляется в том, что элементы первой группы, содержащиеся в относительно большом количестве, образуют самостоятельные химические соединения, а элементы второй группы с малыми кларками преимущественно распылены, рассеяны среди химических соединений других элементов. Элементы первой группы называют главными, элементы второй – рассеянными. Их синонимами в английском языке являются minorelements, rareelements, наиболее употребляемый синоним traceelements. Условной границей между группами главных и рассеянных элементов в земной коре может служить величина 0,1%, хотя кларки большей части рассеянных элементов значительно меньше и измеряются тысячными и меньшими долями процента. Понятие о состоянии рассеяния химических элементов, так же как и о их «всюдности», было введено в науку В.И. Вернадским.
Полный химический состав верхнего, так называемого гранитного, слоя континентального блока земной коры приведен в табл. 1.1.
Таблица 1.1 Кларки химических элементов гранитного слоя коры континентов
| Химический элемент | Атомный номер | Среднее содержание, 1 × 10 -4 % | Химический элемент | Атомный номер | Среднее содержание, 1 × 10 -4 % |
| О | 8 | 481 000 | Mg | 12 | 12000 |
| Si | 14 | 399 000 | Ti | 22 | 3300 |
| А1 | 13 | 80 000 | H | 1 | 1000 |
| Fe | 26 | 36000 | P | 15 | 800 |
| К | 19 | 27000 | F | 9 | 700 |
| Са | 20 | 25000 | Мn | 25 | 700 |
| Na | 11 | 22000 | Ва | 56 | 680 |
| S | 16 | 400 | Ег | 68 | 3,6 |
| С | 6 | 300 | Yb | 70 | 3,6 |
| Sr | 38 | 230 | Hf | 72 | 3,5 |
| Rb | 37 | 180 | Sn | 50 | 2,7 |
| Cl | 17 | 170 | и | 92 | 2,6 |
| Zr | 40 | 170 | Be | 4 | 2,5 |
| Се | 58 | 83 | Br | 35 | 2,2 |
| V | 23 | 76 | Та | 73 | 2,1 |
| Zn | 30 | 51 | As | 33 | 1,9 |
| La | 57 | 46 | W | 74 | 1,9 |
| Yr | 39 | 38 | Ho | 67 | 1,8 |
| Cl | 24 | 34 | Tl | 81 | 1,8 |
| Nd | 60 | 33 | Eu | 63 | 1,4 |
| Li | 3 | 30 | Tb | 65 | 1,4 |
| N | 7 | 26 | Ge | 32 | 1,3 |
| Ni | 28 | 26 | Mo | 42 | 1,3 |
| Cu | 29 | 22 | Lu | 71 | 1,1 |
| Nb | 41 | 20 | I | 53 | 0,5 |
| Ga | 31 | 18 | Tu | 69 | 0,3 |
| Pb | 82 | 16 | In | 49 | 0,25 |
| Th | 90 | 16 | Sb | 51 | 0,20 |
| Sc | 21 | 11 | Cd | 48 | 0,16 |
| В | 5 | 10 | Se | 34 | 0,14 |
| Sm | 62 | 9 | Ag | 47 | 0,088 |
| Gd | 64 | 9 | Hg | 80 | 0,033 |
| Pr | 59 | 7,9 | Bi | 83 | 0,010 |
| Co | 27 | 7,3 | Au | 79 | 0,0012 |
| Dy | 66 | 6,5 | Те | 52 | 0,0010 |
| Cs | 55 | 3,8 | Re | 75 | 0,0007 |
Для образования любого химического соединения требуется концентрация исходных компонентов не меньше минимальной, ниже которой реакция невозможна. Поэтому в земной коре преобладают химические соединения главных элементов с высокими кларками. Несмотря на то, что общее количество природных химических соединений – минералов – составляет 2-3 тыс. видов, число минералов, образующих распространенные горные породы, невелико. Более 80% массы земной коры представлено силикатами алюминия, железа, кальция, магния, калия и натрия; около 12% составляет оксид кремния. Все эти минералы имеют кристаллическое строение, которое и определяет общие особенности кристаллохимии земной коры.
В.М. Гольдшмидт показал, что силикатный состав и кристаллическое строение земной коры весьма важны для распределения не главных, рассеянных элементов. Согласно концепции Гольдшмидта в кристаллохимических структурах ионы ведут себя как жесткие сферы (твердые шары). Поэтому радиус каждого иона рассматривается как постоянная величина.
Главная особенность ионов в кристаллохимических структурах заключается в том, что радиусы отрицательно заряженных ионов (анионов) значительно больше радиусов положительно заряженных ионов (катионов). Представим анионы в виде крупных шаров, а катионы – в виде мелких. Тогда моделью кристаллического вещества с ионным типом связи будет пространство, заполненное плотно прилегающими большими шарами – анионами, между которыми должны размещаться мелкие шарики – катионы. Согласно представлениям Гольдшмидта этот каркас играет роль своеобразного геохимического фильтра, способствующего дифференциации химических элементов по величине их ионов. В конкретную кристаллохимическую структуру могут войти не любые элементы, обладающие необходимой валентностью, а лишь те, ионы которых имеют соответствующий размер радиусов.
Образование распространенных минералов сопровождается своего рода сортировкой рассеянных элементов. Для пояснения этого процесса обратимся к распространенному минералу – полевому шпату. Его кристаллохимическая структура образована группировками, состоящими из трех катионов кремния и одного алюминия, каждый из которых связан с четырьмя анионами кислорода. Группировка в целом представляет собой комплексный анион, где восемь ионов кислорода, три кремния и один алюминия. Это создает один отрицательный заряд, который уравновешивается одновалентным катионом калия. В итоге существует трехкамерная структура, состав которой отвечает формуле K.
Величина радиуса иона калия составляет 0,133 нм. Его место в структуре может занять только катион с близкой величиной радиуса. Таковым является двухвалентный катион бария, радиус которого равен 0,134 нм. Барий менее распространен, чем калий. Обычно он присутствует в виде незначительной примеси в полевых шпатах. Только в особых случаях создается его значительная концентрация и образуется редкий минерал цельзиан (бариевый полевой шпат).
Аналогичным образом в распространенных минералах и горных породах избирательно задерживаются химические элементы, концентрация которых не так велика для образования самостоятельных минералов. Взаимное замещение ионов в кристаллической структуре благодаря близости их радиусов называется изоморфизмом. Это явление было обнаружено еще в начале XIX в., но его значение для глобальной дифференциации рассеянных химических элементов установлено только спустя столетие.
В результате изоморфизма рассеянные элементы закономерно концентрируются в определенных минералах. Полевые шпаты служат носителями бария, стронция, свинца; оливины – никеля и кобальта; цирконы – гафния и т.д. Такие элементы, как рубидий, рений, гафний, не образуют самостоятельных соединений в литосфере и полностью рассеяны в кристаллохимических структурах минералов-хозяев.
Изоморфные замещения – не единственная форма нахождения рассеянных элементов. Феномен рассеяния в земной коре проявляется в разных формах на разном уровне дисперсности.
Наиболее грубодисперсной формой рассеяния являются хорошо окристаллизованные, очень мелкие (обычно менее 0,01 – 0,02 мм в поперечнике) акцессорные минералы. Они образуют механические включения в породообразующих минералах (рис. 1.1).
Рис. 1.1 Включение акцессорных апатита (1) и циркона (2) в зерне полевого шпата. Прозрачный шлиф, увеличение 160 ´
Содержание акцессориев весьма незначительное, но концентрация рассеянных элементов в них настолько высокая, что эти элементы образуют самостоятельные соединения. В кристаллических породах в качестве акцессориев присутствуют циркон Zr, рутил, реже анатаз и брукит, имеющие однотипный состав ТiO 2 , апатит Са 5 [РО 4 ] 3 F, магнетит Fe 2+ Fe 2 3+ O 4 , ильменит FeTiO 3 , монацит СеРО 4 , ксенотим YPO 4 , касситерит SnO 2 , хромит ЕеСг 2 О 4 и другие сорных апатита (7) и минералы группы шпинели, минералы группы колумбита (Fe, Mg) (Nb, Та) 2 О 6 и др. Содержание акцессориев в некоторых породообразующих минералах, особенно в слюдах, довольно заметно.
В некоторых минералах, преимущественно среди сульфидов и им подобных соединений, широко распространены так называемые структуры распада твердого раствора – мелкие выделения минерала-примеси в веществе минерала-хозяина. Их примером могут служить «эмульсионная вкрапленность» халькопирита CuFeS 2 и станина Cu 2 FeSnS 4 в сфалерите ZnS, тонкие пластинчатые выделения ильменита FeTiO 3 в магнетите Fe 2+ Fe 2 3+ O 4 , мелкие выделения минералов серебра в галените PbS. В результате в сульфиде свинца присутствует ощутимая примесь серебра, в сульфиде меди – примесь олова, в магнетите – примесь титана.
Применение поляризационного микроскопа и прозрачных шлифов позволило обнаружить в минералах не только твердые включения, но и микро-пустоты, заполненные остатками растворов, из которых осуществлялась кристаллизация (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Микрополости в кварце: 1 – кристалл сильвина; 2 – кристалл галита; 3 – пузырек газа; 4 – жидкая фаза. Прозрачный шлиф, увеличение 900 ´
Это явление, впервые специально рассмотренное в 1858 г. основателем оптической петрографии Г. Сорби, к настоящему времени всесторонне изучено. Микрополости в минералах обычно содержат жидкую и газовую фазы, иногда к ним добавляются мелкие кристаллы. Проблема жидких включений была основательно проанализирована У. Ньюхаузом, который отметил присутствие в жидкостях тяжелых металлов (до нескольких процентов).
Некоторая часть примеси рассеянных элементов, легко экстрагируемая из тонко растертых мономинеральных проб, связана именно с жидкими включениями. Н.П. Ермаков (1972), изучив микровключения из флюорита, обнаружил в них n×10 -1 % цинка, марганца, n×10 -2% бария, хрома, меди, никеля и свинца, n× 10 -3% титана. В дальнейшем в жидких включениях были обнаружены и другие рассеянные элементы.
Вместе с тем тщательный анализ мономинеральных проб и использование электронного зондирования показали, что все без исключения породообразующие минералы содержат рассеянные элементы в настолько высокодисперсной форме, что они не могут быть обнаружены не только при помощи оптической, но и электронной микроскопии. В этом случае имеет место рассеяние элементов на уровне ионов и молекул. Формы такого рассеяния не ограничиваются рассмотренными ранее явлениями изоморфизма. Известны многочисленные случаи присутствия химических элементов в минералах, не имеющих никакой связи с изоморфизмом.
Результаты многих тысяч анализов, выполненных в разных странах за последние 50 лет, позволяют утверждать, что все породообразующие минералы являются носителями рассеянных элементов. Именно в них сосредоточена основная масса рассеянных элементов, содержащаяся в земной коре. Зная содержание минералов-носителей и концентрацию в них рассеянных элементов, можно рассчитать баланс внутри конкретной горной породы.
При изучении гранитов Тянь-Шаня было обнаружено, что в кварце, несмотря на ничтожную концентрацию свинца, заключено более 5% всей массы этого металла, содержащегося в породе (табл. 1.2).
Таблица 1.2. Распределение свинца в минералах, слагающих граниты хребта Джумгол
Невозможно предположить изоморфное вхождение свинца, цинка или другого металла в структуру кварца, образованную комбинацией ионов кремния и кислорода. Между тем кварц служит носителем многих рассеянных элементов. Разработан особый метод оценки потенциальной рудоносности горных пород и жил по содержанию в кварце лития, рубидия, бора.
При экспериментальном изучении прочности закрепления рассеянных металлов в породообразующих минералах было обнаружено, что при обработке тонко измельченной минеральной массы последовательными порциями слабых кислотно-щелочных растворителей значительная часть металлов легко извлекается при первой же экстракции, причем это извлечение не сопровождается разрушением кристаллохимической структуры минералов. При дальнейших обработках количество экстрагируемых металлов резко сокращается или прекращается совсем. Это позволило высказать предположение, что часть рассеянных элементов не входит в собственно кристаллохимическую структуру, а приурочена к дефектам реальных кристаллов. Дефекты представляют собой разного рода трещины, причем настолько мелкие, что не обнаруживаются оптическим микроскопом. Легкость извлечения рассеянных металлов объясняется тем, что они связаны с поверхностью минерала-носителя сорбционными силами. В породообразующих силикатах эта форма нахождения рассеянных металлов составляет 10 – 20% от всей массы рассеянных металлов. В частности, непрочно связанная форма свинца в гранитах Тянь-Шаня составляет от 12 до 18% всей массы рассеянного элемента.
Можно выделить следующие формы нахождения рассеянных элементов в кристаллическом веществе земной коры:
I. Микроминералогические формы:
1. Элементы, входящие в акцессорные минералы.
2. Элементы, содержащиеся в микроскопических выделениях в результате распада твердых растворов.
3. Элементы, находящиеся во включениях остаточных растворов. П. Неминералогические формы:
4. Элементы, сорбированные поверхностью дефектов реальных кристаллов.
5. Элементы, входящие в структуру минерала-носителя по законам изоморфизма.
6. Элементы, находящиеся в структуре минерала-носителя в неупорядоченном состоянии.
Сочетание рассмотренных форм нахождения рассеянных элементов сильно меняется в зависимости от многих факторов. Соответственно меняется и суммарное содержание рассеянного элемента в разных участках земной коры.
3. Особенности распределения химических элементов в земной коре
Варьирование содержания элемента в разных пробах обусловлено многими независимыми причинами. Когда распределение величины определяется достаточно большим числом примерно равнодействующих и взаимно независимых причин, то оно подчиняется так называемому нормальному закону Гаусса. Его графическим выражением является кривая с симметричными ветвями по обе стороны максимальной ординаты. При нормальном распределении наиболее вероятным значением служит среднее арифметическое х, которое совпадает с наиболее часто встречающимися значениями – модой. Растянутость симметричной кривой по оси абсцисс, т.е. разброс значений в большую и меньшую стороны от моды, характеризуется средним квадратичным отклонением а.
Нормальное распределение может также проявляться не для самой величины, а для ее логарифма (логарифмически нормальный, или логнормальный, закон распределения). В этом случае мода совпадает со средним геометрическим, а разброс значений характеризуется логарифмом а.
В 1940 г. Н.К. Разумовский эмпирическим путем обнаружил, что содержание металлов в рудах соответствует логарифмически нормальному распределению. Л.X. Арене в 1954 г., обработав обширный материал, независимо от Разумовского установил, что распределение рассеянных элементов в магматических породах аппроксимируется логарифмически нормальным законом. Многочисленные факты указывают на то, что распределение элементов с высокими кларками обычно подчиняется нормальному закону, а рассеянных – логнормальному. Это еще раз подтверждает принципиальное различие главных и рассеянных элементов.
С высокой вариабельностью низкокларковых элементов связана их способность к высокой степени концентрации. Максимальная степень концентрации главных элементов составляет 10 – 20 раз по отношению к их кларку, а для рассеянных элементов – в сотни и тысячи раз больше. Например, в рудах промышленных месторождений степень концентрации свинца, никеля, олова, хрома составляет 1000×п.
Говоря об огромных массах тяжелых металлов, сосредоточенных в месторождениях руд, следует помнить, что эти массы – ничтожная часть общего количества металлов, рассеянных в земной коре. В частности, общемировые запасы руд цинка, меди, свинца, никеля составляют всего лишь тысячные доли процента от масс этих металлов, рассеянных в верхнем километровом слое земной коры континентов.
Залежи руд связаны с окружающими горными породами постепенными переходами. Рудные тела находятся как бы в чехле постепенно убывающей концентрации металлов. Такие образования получили название ореолов рассеяния Первичные, сингенетичные рудные ореолы возникают одновременно с рудными телами и в результате одних и тех же процессов. Они имеют разнообразную конфигурацию, зависящую от геологического строения, состава вмещающих пород и условий рудообразования.
В рудах наряду с одним или несколькими главными рудообразующими элементами присутствуют сопутствующие элементы, концентрация которых также повышена, но не настолько, как главных. Элементы-спутники часто образуют изоморфные замещения главных. Например, в цинковых рудах постоянно содержится кадмий, в меньшем количестве – индий, галлий, германий. В медно-никелевых рудах присутствует значительная примесь кобальта, в меньшем количестве – селена и теллура. Все сопутствующие элементы также рассеиваются вокруг рудных тел. Обладая неодинаковой геохимической подвижностью, они образуют переходные зоны разной протяженности. В итоге состав и строение ореолов рассеяния очень сложны.
Среднее содержание химического элемента представляет собой норму – геохимический фон – для данного типа пород в определенном районе. На геохимическом фоне выделяются геохимические аномалии – участки горных пород с повышенной концентрацией рассеянных элементов. Если они связаны с залежами руд, то это ореолы рассеяния. Если же концентрации металлов не достигают кондиции руды, то такие аномалии называют ложными. Используя статистическую обработку массовых аналитических данных, можно обнаружить закономерные изменения величины геохимического фона в пространстве и выявить геохимические провинции. В пределах провинций горные породы одного типа обладают выдержанными статистическими параметрами, в первую очередь значениями среднего содержания одного или нескольких рассеянных элементов. Среднее содержание некоторых элементов в однотипных породах разных геохимических провинций может сильно различаться (в несколько раз). При этом химический состав этих пород, определяемый содержанием главных элементов, остается одинаковым или имеет очень слабые отличия. Например, в гранитах разных провинций, имеющих практически одинаковое количество кремния, алюминия, железа, калия, содержание олова, свинца, молибдена, урана может различаться в 2–3 раза.
Изложенный материал свидетельствует о неравномерности распределения рассеянных элементов в земной коре. Поэтому наряду с определением кларков, т.е. величины средней концентрации элементов в земной коре в целом, необходимо учитывать их способность концентрироваться или рассеиваться в различных объектах – разных типах горных пород или в однотипных породах, но находящихся в разных геохимических провинциях, в рудах и др. Чтобы количественно оценить неоднородность химических элементов в земной коре, В.И. Вернадский ввел специальный показатель – кларк концентрации К к. Его числовое значение характеризует отклонение содержания элемента в данном объеме от кларка:
К К = А/К,
где А – содержание химического элемента в горной породе, руде, минерале и др.;
К – кларк этого элемента в земной коре. Если кларк концентрации больше единицы, это указывает на обогащение элементом, если меньше – означает снижение его содержания по сравнению с данными для земной коры в целом.
Изменение концентрации химических элементов в пространстве, отклонение от глобальной или местной геохимической нор МЬ1 __ не отдельные случаи, а характерная черта геохимической структуры земной коры. Это имеет очень важное значение для состава фотосинтезирующих организмов суши, которые образуют основную часть массы живого вещества Земли.
Литература
1. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. – М.: Логос, 2000. – 627 с.
2. Арене Л. X. Распределение элементов в изверженных породах // Химия земной коры. – М.: Наука, 1964. – Т. 2. – С. 293–300.
3. Вернадский В.И. Очерки геохимии // Избр. соч.: В 5 т. – М.: Изд-во АН СССР, 1954. – Т. 1. – С. 7–391.
4. Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Повареных А.С., Прохоров В.Г. Краткий справочник по геохимии. – М.: Недра, 1977. – 183 с.
5. Гольдшмит В.М. Принципы распределения химических элементов в минералах и горных породах // Сб. ст. по геохимии редких элементов. – М. – Л.: ГОНТИ НКТП СССР, 1930. – С. 215–242.
6. Добровольский В.В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние. – М.: Мысль, 1983. – 269 с.
7. ПерельманА.И. Геохимия. – М.: Высш. шк., 1989. – 528 с.
8. Ронов А.Б., Ярошевский А.А. Новая модель химического состава земной коры // Геохимия. – 1976. – №12. – С. 1763–1795.
Вспомните
- Что вы знаете о внутреннем строении Земли? Какие горные породы вам известны? По каким свойствам они различаются?
Недра Земли - загадочный и гораздо менее доступный мир, чем окружающий нашу планету космос. Еще не изобретен такой аппарат, в котором можно было бы проникнуть в глубины планеты. Самая глубокая в мире шахта имеет глубину 4 км, самая глубокая буровая скважина на Кольском полуострове - 12 км. Это всего лишь 1/500 часть радиуса Земли!
Однако люди научились «заглядывать» в земные глубины. Главный метод их изучения - сейсмический (от греч. «сейсмос» - землетрясение). От землетрясений или искусственных взрывов в недрах Земли распространяются колебания. В разных по составу и плотности веществах они распространяются с разной скоростью. С помощью приборов специалисты измеряют эти скорости и расшифровывают информацию.
Установлено, что недра нашей планеты разделены на несколько оболочек: ядро, мантию и земную кору (рис. 33).
Ядро - центральная часть земного шара. В нем очень высокое давление и температура 3000-4000 °С. Ядро состоит из самого плотного и тяжелого вещества, предположительно железа. На ядро приходится около 30% массы Земли, но только 15% ее объема. Внутренняя твердая часть ядра как бы плавает во внешнем, жидком слое. Благодаря такому движению вокруг Земли возникает магнитное поле. Оно защищает жизнь на нашей планете от вредных космических лучей. На магнитное поле реагирует стрелка компаса.
Рис. 33. Внутреннее строение Земли
По мнению ученых, расслоение вещества Земли на ядро, мантию и земную кору происходило с момента образования планеты 4,6 млрд лет назад и продолжается до настоящего времени. Более тяжелые вещества опускаются к центру Земли и еще более уплотняются, легкие- поднимаются вверх и образуют земную кору. При перераспределении вещества Земли выделяется тепло - главный источник внутренней энергии Земли. Когда расслоение земных недр полностью закончится, Земля станет холодной и мертвой планетой. По расчетам, это может произойти через 1,5 млрд лет.
Мантия (от греч. «мантия» - покрывало, плащ) - самая большая из внутренних оболочек Земли. На мантию приходится основной объем (более 80%) и масса (почти 70%) нашей планеты. Вещество мантии твердое, но менее плотное, чем в ядре. Давление и температура в мантии увеличиваются с глубиной. В верхней части мантии есть слой, где вещество частично расплавлено и пластично. По этому пластичному слою перемещаются твердые слои, лежащие выше.
Земная кора - самая тонкая, наружная оболочка Земли. На долю земной коры приходится меньше 1% массы земного шара. Именно на поверхности земной коры живут люди, из нее они добывают полезные ископаемые. В разных местах земную кору пронизывают многочисленные шахты и буровые скважины. Миллионы образцов, отобранные из них и с поверхности Земли, позволили определить состав и строение земной коры.
Полевые шпаты составляют половину массы земной коры. Даже название «полевые» они получили из-за повсеместного распространения. Их можно встретить везде: в горах, в поле...
Кварц - один из самых распространенных минералов. Бесцветный кварц называется горным хрусталем. Известны разновидности кварца других цветов: фиолетового, желтого, коричневого, черного.
Из чего состоит земная кора. Земная кора состоит из горных пород, а горные породы - из минералов. (Вспомните, с какими минералами вы знакомы. Где вам удалось их увидеть?)
Минералы - природные вещества с разным составом, свойствами и внешними признаками.
Минералы различают по таким признакам, как цвет, твердость, блеск, прозрачность, плотность. Минералы образовывались и продолжают образовываться как в глубоких слоях земной коры, так и на ее поверхности.
Рис. 34. Самые распространенные на Земле минералы: а - полевой шпат; б - кварц; в - слюда
Людям известно около 3000 минералов. Большинство из них встречается редко. К редким минералам относятся алмаз, платина, серебро, графит. Широко распространенных минералов, из которых в основном состоят горные породы, всего несколько десятков. Больше всего на Земле полевых шпатов, кварца, слюд (рис. 34). Минералы образуют горные породы.
Горные породы - это природные тела, состоящие из одного или нескольких минералов.
Кристаллы минералов в горной породе могут быть разного размера. Во многих породах их можно рассмотреть только под микроскопом. Кристаллы минералов соединяются между собой с разной прочностью. Поэтому одни породы твердые и монолитные, другие - пористые и легкие, третьи - рыхлые и сыпучие. Состав минералов в горной породе и прочность их соединения зависят от условий, в которых данная порода образовывалась. По условиям образования все горные породы делятся на три большие группы: магматические, осадочные и метаморфические.
Вопросы и задания
- Что больше по массе - ядро, мантия или земная кора?
- В каком состоянии вещество находится в мантии? в ядре?
- Что такое горная порода? Чем она отличается от минерала?
- Приведите примеры горных пород и минералов, распространенных в вашей местности.
