Оглавление
Введение
1. Земная кора итипы ее строения
2. Эволюцияхимического состава земной коры
3. Формированиеминералогического разнообразия земной коры
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Землявходит в состав системы, где центром является Солнце, в котором заключено99,87% массы всей системы. Характерной особенностью всех планет Солнечнойсистемы является их оболочечное строение: каждая планета состоит их рядаконцентрических сфер, различающихся составом и состоянием вещества.
Земляокружена мощной газовой оболочкой — атмосферой. Она является своеобразнымрегулятором обменных процессов между Землей и Космосом. В составе газовойоболочки выделяется несколько сфер, отличающихся составом и физическимисвойствами. Основная масса газового вещества заключена в тропосфере, верхняяграница которой, расположенная на высоте около 17 км на экваторе, снижается кполюсам до 8—10 км. Выше, на протяжении стратосферы и мезосферы, нарастаетразреженность газов, сложно меняются термические условия. На высоте от 80 до800 км располагается ионосфера — область сильно разреженного газа, среди частицкоторого преобладают электрически заряженные. Самую наружную часть газовойоболочки образует экзосфера, простирающаяся до высоты 1800 км. Из этой сферыпроисходит диссипация наиболее легких атомов — водорода и гелия.
Ещеболее сложно стратифицирована сама планета. Масса Земли оценивается в 5,98*1027г, а ее объем — в 1,083*1027 см3. Следовательно, средняя плотностьпланеты составляет около 5,5 г/см3. Но плотность доступных намгорных пород равна 2,7—3,0 г/см3. Из этого следует, что плотностьвещества Земли неоднородна.
Главнейшимиметодами изучения внутренних частей нашей планеты являются геофизические, впервую очередь наблюдения за скоростью распространения сейсмических волн,образующихся от взрывов или землетрясений. Подобно тому, как от камня,брошенного в воду, в разные стороны расходятся по поверхности воды волны, так втвердом веществе от очага взрыва распространяются упругие волны. Среди нихвыделяют волны продольных и поперечных колебаний. Продольные колебанияпредставляют собой чередования сжатия и растяжения вещества в направлениираспространения волны. Поперечные колебания можно представить как чередующиесясдвиги в направлении, перпендикулярном распространению волны.
Волныпродольных колебаний, или, как принято говорить, продольные волны,распространяются в твердом веществе с большей скоростью, чем поперечные.Продольные волны распространяются как в твердом, так и в жидком веществе,поперечные — только в твердом. Следовательно, если при прохождении сейсмическихволн через какое-либо тело будет обнаружено, что оно не пропускает поперечныеволны, то можно считать, что это вещество находится в жидком состоянии. Есличерез тело проходят оба типа сейсмических волн, то это — свидетельство твердогосостояния вещества.
Скоростьволн увеличивается с возрастанием плотности вещества. При резком измененииплотности вещества скорость волн будет скачкообразно меняться. В результатеизучения распространения сейсмических волн через Землю обнаружено, что имеетсянесколько определенных границ скачкообразного изменения скоростей волн. Поэтомупредполагается, что Земля состоит из нескольких концентрических оболочек(геосфер).
Наосновании установленных трех главных границ раздела выделяют три главныегеосферы: земную кору, мантию и ядро.
Перваяграница раздела характеризуется скачкообразным увеличением скоростей продольныхсейсмических волн от 6,7 до 8,1 км/с. Эта граница получила название разделаМохоровичича (в честь сербского ученого А. Мохоровичича, который ее открыл),или просто граница М. Она отделяет земную кору от мантии. Плотность веществаземной коры, как указано выше, не превышает 2,7—3,0 г/см3. Граница Мрасположена под континентами на глубине от 30 до 80 км, а под дном океанов — от4 до 10 км.
Учитывая,что радиус Земного шара равен 6371 км, земная кора представляет собой тонкуюпленку на поверхности планеты, составляющую менее 1% ее общей массы и примерно1,5% ее объема.
земная кора минерал
1. Земнаякора и типы ее строения
Строениеземной коры. Земная кора —термин, хотя и вошедший в естественнонаучный обиход в эпоху Возрождения,длительное время трактовался весьма свободно по причине того, чтонепосредственно определить толщину коры и изучить ее глубинные части былоневозможно. Открытие сейсмических колебаний и создание метода определенияскорости распространения их волн в средах разной плотности дали мощный импульс дляизучения земных недр. С помощью сейсмографических исследований в начале XX в. было обнаружено принципиальноеразличие скорости прохождения сейсмических волн через горные породы, слагающиеземную кору, и вещество мантии и объективно установлена граница их раздела(граница Мохоровичича). Тем самым понятие «земная кора» получило конкретноенаучное обоснование.
Экспериментальноеизучение скорости распределения ударных упругих колебаний в горных породах сразной плотностью, с одной стороны, а с другой — «просвечивание» земной корысейсмическими волнами во многих точках земной поверхности, позволилиобнаружить, что земная кора состоит из следующих трех слоев, сложенных горнымипородами разной плотности:
1.) Наружный слой,состоящий из осадочных горных пород, в которых волны сейсмических колебанийраспространяются со скоростью 1—3 км/сек, что соответствуют плотности около 2,7г/см3. Этот слой некоторые ученые называют осадочной оболочкойЗемли.
2.) Слой плотныхкристаллических пород, слагающих под осадочной толщей верхнюю частьконтинентов, в котором сейсмические волны распространяются со скоростью от 5,5до 6,5 км/сек. По причине того, что продольные сейсмические волныраспространяются с указанной скоростью в гранитах и близких к ним по составупородам, условно эту толщу называют гранитным слоем, хотя в ней имеются самыеразнообразные магматические и метаморфические породы. Преобладают гранитоиды,гнейсы, кристаллические сланцы, встречаются кристаллические породы среднего идаже основного состава (диориты, габбро, амфиболиты).
3.) Слой более плотных кристаллическихпород, образующий нижнюю часть континентов и слагающий океаническое дно. Впородах этого слоя скорость распространения продольных сейсмических волнсоставляет 6,5—7,2 км/сек, что соответствует плотности около3,0 г/см3.Такие скорости и плотность характерны для базальтов, благодаря чему этот слойбыл назван базальтовым, хотя базальтыне всюду полностью слагают этот слой.
Каквидим, понятия «гранитный слой» и «базальтовый слой» условны и употребляются дляобозначения второго и третьего горизонтов земной коры, характеризующихсяскоростями распространения продольных сейсмических волн соответственно 5,5—6,5 и6,5—7,2 км/сек. В дальнейшем эти названия будут приводиться без кавычек, но обих условности надо помнить.
Нижнейграницей базальтового слоя является поверхность Мохоровича. Ниже располагаютсягорные породы, относящиеся к веществу верхней мантии. Они обладают плотностью3,2—3,3 г/м3 и больше, скорость распространения продольныхсейсмических волн в них 8,1 м/сек. Их состав соответствует ультраосновнымпородам (перидотитам, дунитам).
Следуетобратить внимание на то, что термины «земная кора» и «литосфера» (каменнаяоболочка) не являются синонимами и имеют разное содержание. Литосфера —наружная оболочка земного шара, сложенная твердыми горными породами, в томчисле породами верхней мантии ультраосновного состава. Земная кора — частьлитосферы, лежащая выше границы Мохоровичича. В указанных границах общий объемземной коры составляет более 10 млрд. км3, а масса — свыше 1018 т.
Типыстроения земной коры. Приизучении земной коры было обнаружено ее неодинаковое строение в разных районах.Обобщение большого фактического материала позволило выделить два типа строенияземной коры — континентальный и океанический.
Для континентальноготипа характерна весьма значительная мощность коры и присутствие гранитногослоя. Граница верхней мантии здесь расположена на глубине 40—50 км и больше.Мощность толщи осадочных горных пород в одних местах достигает 10—15 км, вдругих — толща может полностью отсутствовать. Средняя мощность осадочных породконтинентальной земной коры составляет 5,0 км, гранитного слоя — около 17 км(от 10—40 км), базальтового — около 22 км (до 30 км).
Какупоминалось выше, петрографический состав базальтового слоя континентальнойкоры пестрый и скорее всего в нем преобладают не базальты, а метаморфическиепороды основного состава (гранулиты, эклогиты и т.п.). По этой причиненекоторые исследователи предлагали этот слой называть гранулитовым.
Мощностьконтинентальной земной коры увеличивается на площади горноскладчатыхсооружений. Например, на Восточно-Европейской равнине мощность коры около 40 км(15 км — гранитный слой и более 20 км — базальтовый), а на Памире — в полторараза больше (около 30 км в сумме составляют толща осадочных пород и гранитныйслой и столько же базальтовый слой). Особенно большой мощности достигаетконтинентальная кора в горных областях, расположенных по краям материков.Например, в Скалистых горах (Северная Америка) мощность коры значительнопревышает 50 км. Совершенно иным строением обладает земная кора, слагающая дноокеанов. Здесь мощность коры резко сокращается и вещество мантии подходитблизко к поверхности. Гранитный слой отсутствует, мощность осадочной толщисравнительно небольшая. Выделяются верхний слой неуплотненных осадков сплотностью 1,5—2 г/см3 и мощностью около 0,5 км,вулканогенно-осадочный слой (переслаивание рыхлых осадков с базальтами)мощностью 1—2 км и базальтовый слой, среднюю мощность которого оценивают в 5—6км. На дне Тихого океана земная кора имеет суммарную мощность 5—6 км; на днеАтлантического океана под осадочной толщей в 0,5—1,0 км располагаетсябазальтовый слой мощностью 3—4 км. Отметим, что с увеличением глубины океанамощность коры не уменьшается.
В настоящеевремя выделяют также переходные субконтинентальный и субокеанический тип коры, отвечающиеподводной окраине материков. В пределах коры субконтинентального типа сильносокращается гранитный слой, который замещается толщей осадков, а затем понаправлению к ложу Океана начинается уменьшение мощности базальтового слоя.Мощность этой переходной зоны земной коры обычно 15—20 км. Граница междуокеанической и субконтинентальной корой проходит в пределах материкового склонав интервале глубин 1 —3,5 км.
Хотя кораокеанического типа занимает большую площадь, чем континентальная исубконтинентальная, в силу ее небольшой мощности в ней сосредоточен лишь 21%объема земной коры. Сведения об объеме и массе разных типов земной корыприведены в таблице 1.
Таблица1
Объем,мощность и масса горизонтов разных типов земной коры (составлено по данным А.Б. Ронова иА.Л. Ярошевского. 1976)Типы коры Горизонты коры
Объем, млн. км3 Средняя мощность, км
Масса, 1021 кг Континентальный Осадочный Гранитный Базальтовый
740
2520
3240
5,0
16,9
21,7
1,85
6,83
9,39 Кора континентов в целом 6500 43,6 18,07 Переходная зона Осадочный Гранитный Базальтовый
160
520
860
2,5
8,0
13,2
0,40
1,41
2,49 Переходная (субконтинентальная) кора в целом 1540 23,7 4,30 Океанический
Осадочный Вулканогенно-осадочный
Базальтовый
120
360
1690
0,4
1,2
5,7
0,19
1,00
4,90 Океаническая кора в целом 2170 7,3 6,9 Земная кора в целом 10210 20,0 46
Земнаякора залегает на подкорковом мантийном субстрате и составляет всего 0,7% отмассы мантии. В случае малой мощности коры (например, на океаническом ложе)самая верхняя часть мантии будет находиться также в твердом состоянии, обычномдля горных пород земной коры. Поэтому, как отмечено выше, наряду с понятием оземной коре как об оболочке с определенными показателями плотности и упругихсвойств, имеется понятие о литосфере — каменной оболочке, толще твердоговещества, покрывающего поверхность Земли.
Структурытипов земной коры. Типыземной коры различаются также своими структурами. Для земной коры океаническоготипа характерны разнообразные структуры. По центральной части дна океановпротягиваются мощные горные системы — срединно-океанические хребты. В осевойчасти эти хребты рассечены глубокими и узкими рифтовыми долинами с крутымибортами. Эти образования представляют собой зоны активной тектоническойдеятельности. Вдоль островных дуг и горных сооружений по окраинам материковрасполагаются глубоководные желоба. Наряду с этими образованиями имеются глубоководныеравнины, занимающие огромные площади.
Столь женеоднородна континентальная земная кора. В ее пределах можно выделить молодыегорноскладчатые сооружения, где мощность коры в целом и каждого из еегоризонтов сильно возрастает. Выделяются также площади, где кристаллическиегорные породы гранитного слоя представляют древние складчатые области,выровненные на протяжении длительного геологического времени. Здесь мощностькоры значительно меньше. Эти обширные участки континентальной коры называются платформами.Внутри платформ различают щиты — районы, где кристаллический фундамент выходитнепосредственно на поверхность, и плиты, кристаллическое основание которыхпокрыто толщей горизонтально залегающих отложений. Примером щита являетсятерритория Финляндии и Карелии (Балтийский щит), в то время как на Восточно-Европейскойравнине складчатый фундамент глубоко опущен и перекрыт осадочными отложениями.Средняя мощность осадков на платформах около 1,5 км. Для горноскладчатыхсооружений характерна значительно большая мощность толщи осадочных пород,средняя величина которой оценивается в 10 км. Накопление таких мощных отложенийдостигается длительным постепенным опусканием, прогибанием отдельных участковконтинентальной коры с последующим их подъемом и складкообразованием. Такиеучастки называются геосинклиналями. Это наиболее активные зоны континентальнойкоры. К ним приурочено около 72% всей массы осадочных пород, в то время как наплатформах сосредоточено около 28%.
Проявлениямагматизма на платформах и геосинклиналях резко различается. В периодыпрогибания геосинклиналей по глубинным разломам поступает магма основного иультраосновного состава. В процессе превращения геосинклинали в складчатуюобласть происходит образование и внедрение огромных масс гранитной магмы. Дляпоздних этапов характерны вулканические излияния лав среднего и кислогосостава. На платформах магматические процессы выражены значительно слабее ипредставлены преимущественно излияниями базальтов или лав щелочно-основногосостава.
Средиосадочных пород континентов преобладают глины и глинистые сланцы. На днеокеанов увеличивается содержание известковых осадков.
Итак,земная кора состоит из трех слоев. Ее верхний слой сложен осадочными породами ипродуктами выветривания. Объем этого слоя составляет около 10% общего объемаземной коры. Большая часть вещества находится на континентах и переходной зоне,в пределах океанической коры его не более 22% объема слоя.
/>В так называемом гранитном слоенаиболее распространенными породами являются гранитоиды, гнейсы икристаллические сланцы. На породы более основного состава приходится около 10%этого горизонта. Это обстоятельство хорошо отражается на среднем химическомсоставе гранитного слоя. При сопоставлении величин среднего состава обращает насебя внимание ясное различие этого слоя и осадочной толщи (табл. 2).
Таблица2
Химическийсостав земной коры (в весовых процентах)
(поданным Л.Б. Ронова и А.Л. Ярошевского, 1976)Компоненты Средний состав осадочной толщи Средний состав гранитного слоя Средний состав базальтового слоя континентов океанов
SiO2
TiO2
A12O3
Fe2O3
FeO
MnO
MgO
CaO
Na2O
K2O
P205
Cорганический
CO2
SO3
Cl
H2O+
44,03
0,53
10,67
2,82
1,89
0,24
2,79
15,91
1,50
1,91
0,13
0,62
12,38
0,50
0,27
3,59
63,08
0,54
15,38
2,24
3,60
0,09
2,96
3,79
2,71
2,89
0,16
0,05
0,81
0,10
0,21
1,46
54,84
0,84
14,28
2,42
4,25
0,16
6,37
8,09
2,34
1,32
0,16
0,02
0,37
0,03
0,02
1,40
49,43
1,49
15,50
2,47
7,97
0,18
7,89
11,23
2,60
0,24
0,23
-
-
-
-
0.69 * — за исключением включений эффузивных пород
Составбазальтового слоя в двух основных типах земной коры неодинаков. На континентахэта толща характеризуется разнообразием горных пород. Здесь присутствуютглубоко метаморфизованные и магматические породы основного и даже кислогосостава. Основные породы составляют около 70% всего объема этого слоя.Базальтовый слой океанической коры значительно более однороден. Преобладающимтипом пород являются так называемые толеитовые базальты, отличающиеся отконтинентальных базальтов низким содержанием калия, рубидия, стронция, бария,урана, тория, циркония и высоким отношением Na/K. Это связано сменьшей интенсивностью процессов дифференциации при их вплавлении из мантии. Вглубоких рифовых разломах выходят ультраосновные породы верхней мантии.
Распространенностьгорных пород в земной коре, сгруппированных для определения соотношения их объемаи масс, приведена в таблице 3.
Таблица 3
Распространенностьгорных пород в земной коре
(по А.Б.Ронову и А.Л. Ярошевскому, 1976)№ п/п Группы пород Распространенность, % объема земной коры
Масса, 1018т
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Пески и песчаные породы
Глины, глинистые сланцы, кремнистые породы
Карбонаты
Соленосные отложения
Гранитоиды, гранитогнейсы, кислые эффузивы и их метаморфические эквиваленты
Габбро, базальты и их метаморфические эквиваленты
Дуниты, перидотиты, серпентиниты
Метапесчаники
Парагнейсы и кристаллические сланцы
Метаморфизованные карбонатные породы
Железистые породы
1,83
4,48
2,79
0,09
20,86
50,34
0,07
1,74
16,91
0,69
0,17
0,43
1,14
0,71
0,02
5,68
15,00
0,02
0,47
4,74
0,18
0,06 Сумма 100,00 28,46
2. Эволюцияхимического состава земной коры
Проблемаобразования существующей структуры земной коры имеет не только фундаментальноетеоретическое значение. Познание процессов, формирующих земную кору,одновременно означает выяснение закономерностей образования и размещения промышленныхместорождений полезных ископаемых. Поэтому над изучением этих процессовработают крупные научные коллективы многих стран.
Экспериментальныеисследования, изучение горных пород на поверхности материков и на дне океанов,результаты глубокого бурения позволили разработать представление о радиальнонаправленном выправлении и дегазации вещества земной коры из мантии. Веществомантии до сих пор непосредственно не подвергалось химическому анализу, так какдостать его пока еще технически невозможно. Однако есть основания считать, чтосостав мантии отвечает составу каменных метеоритов (хондритов).
Результатыанализов показывают, что в них содержатся определенные количества некоторыххимических элементов, образующих относительно легкоплавкие соединения, а такжеэлементов, входящих в состав газов и воды (табл. 4).
Таблица4
Содержаниев хондритах химических элементов и соединений, образующих пары и газы
(по А.П.Виноградову, 1964)Элементы соединений Содержание, в весовых процентах Состав газов
S
Н20
C
N
F
С1
Br
В
J
1,8
0,5
4*102
2*103
2,8*10 -3
7*10-3
5*10-5
4*10-5
4*10-6
H2S, S02 и др.
H2O,H2, O2
СН4, СО, СO2
N2,NH3
HF
НСl
HBr
В (ОН)3, и др.
HJ
Веществомантии находится в равновесном твердом состоянии в условиях высоких температури давления. Однако это равновесное состояние будет нарушено, если внешниеусловия изменятся, например, понизится давление или повысится температура.Тогда вещество перейдет в расплавленное, жидкое состояние. Такое явление вполневероятно, если внутри мантии возникнет очаг сильного разогревания. Причиной егоможет служить энергия радиоактивного распада. Расплавленная масса, содержащаяисточник тепловой энергии, будет перемещаться в радиальном направлении кповерхности Земли, проплавляя при своем движении вещество мантии. При этомдолжна происходить закономерная дифференциация этого вещества.
Чтобыпредставить себе механизм этого процесса, мысленно проделаем следующий опыт.
Поместимв термоустойчивую трубку смесь соединений, обладающих различной температуройплавления. При помощи кольцевого нагревателя расплавим узкую зону внизу трубкии затем будем медленно перемещать нагреватель вверх вдоль трубки. При подъеменагревателя расплавится следующая зона, а нижележащая масса остынет и вновьзакристаллизуется. По мере движения нагревателя все вещество в трубке пройдетстадии плавления и последующей кристаллизации. Если эту операцию повторитьнеоднократно, то исходная смесь закономерно разделится: вверху обособятся болеелегкоплавкие соединения, а внизу — менее плавкие.
Изложенныйпринцип «зонной» плавки был использован известным геохимиком А.П. Виноградовымдля создания модели образования земной коры. Согласно этой модели, определенныеочаги расплава, перемещающиеся в радиальном направлении, обеспечилизакономерную дифференциацию вещества мантии. Состав первоначально возникающегорасплава не отличался от состава исходного материала. Но многократноеповторение этого процесса обусловило разделение вещества, вынос из манииотносительно легкоплавких соединений и накопление их на поверхности планеты.
Врезультате дифференциации исходного вещества происходит закономерноеперераспределение химических элементов по оболочкам Земли. Если принять, чтосостав исходного вещества мантии близок к составу каменных метеоритов, то можнопроследить, как менялось содержание важнейших химических элементов в процессеобразования земной коры.
Втаблице 5 хорошо видно, что выделение легкоплавких соединений из исходноговещества планеты сопровождалось прогрессирующим накоплением кремния, алюминия,кальция, калия, натрия, фтора, хлора. В то же время большая часть железа,магния, серы оставалась в веществе мантии.
Предложеныи другие модели, но независимо от тех или иных представлений о механизмемассопереноса большая часть ученых разделяет мнение о том, что земная кораобразовалась путем выноса из мантии легкоплавких и легколетучих химическихсоединений.
Таблица 5
Среднеесодержание основных химических элементов в главных типах горных пород и вкаменных метеоритах, в весовых процентах
(поА.П.Виноградову)Элементы Каменные метеориты (хондриты) Горные породы верхней мантии (дуниты и др.) Горные породы земной коры базальты гранитоиды
Si
Al
Ca
К
Na
F
Cl
Mg
Fe
S
35,0
18,0
1,3
1,4
0,085
0,7
0,0028
0,007
14,0
25,0
2,0
42,5
19,0
0,45
0,7
0,03
0,57
0,01
0,005
25,9
9,85
0,02
43,5
24,0
8,76
6,72
0,83
1,94
0,037
0,005
4,5
8,56
0,03
48,7
32,3
7,7
1,58
3,34
2,77
0,08
0,024
0,56
2,7
0,04
Процессвыноса легколетучих и легкоплавких химических соединений весьма сложен. Еслиобразование базальтовой коры как продукта выплавления из вещества мантии невызывает сомнений, то в процессе образования гранитного слоя еще очень многонеясного. Многочисленные факты свидетельствуют, что образование крупных массгранитов приурочено к определенной стадии развития геосинклиналей, на которой процессырегионального метаморфизма достигают своей наивысшей степени — палингенеза. Приэтом происходит расплавление метаморфизуемых пород под воздействием не тольковысоких температур и давления, но также глубинных флюидов, дегазированных измантии. Образующийся расплав насыщается химическими элементами, поступившими врезультате дегазации, состав его становится более сложным по сравнению свыплавляемыми базальтами, изливающимися на океаническом дне из глубинныхразломов. Рассмотренный процесс получил название гранитизация. Возможно, чтотаким путем образовались огромные массы гранитных батолитов.
Активныйвынос легколетучих соединений, обусловливающих гранитизацию мощных толщосадков, происходит не повсеместно на поверхности земного шара, а лишь вопределенных структурных элементах земной коры — геосинклиналях. Локализацияпроцессов активного выноса, по-видимому, связана с неравномерным распределениемисточников энергии, в частности, масс радиоактивных элементов в мантии. Такимобразом, континенты, кора которых содержит гранитный слой, можно рассматриватькак участки земной коры, в пределах которых особенно активно происходил вынослегколетучих и легкоплавких химических соединений из мантии. На площадираспространения океанической коры этот процесс происходил менее активно, о чемсвидетельствуют не только меньшая мощность слоя выплавленных базальтов, но ибедность океанических базальтов многими химическими элементами по сравнению сбазальтами континентальной коры. По расчетам А.Б. Ронова и А.А. Ярошевского, общаямасса вещества, вынесенного из мантии в континентальную кору, составляет22,37*1018 т, а в океаническую — почти в четыре раза меньше.
Особенноважное значение процесс образования континентальной земной коры имел дляперераспределения металлов. Как следует из данных таблицы 6, содержание однихметаллов резко возрастает в гранитном слое по сравнению с исходным веществоммантии,
Таблица 6
Перераспределениенекоторых редких и рассеянных химических элементов в процессе образованияземной коры, в 1-10-3%Элементы Каменные метеориты Породы верхней мантии (дунит и др.) Породы земной коры базальты гранитоиды Элементы, концентрирующиеся в гранитоидах
Ва
Zr
Sn
Pb
U
0,6
3
0,1
0,02
0,0015
0,1
3
0,05
0,01
0,0007
30
10
0,15
0,8
0,05
83
20
0,3
2
0,35 Элементы, концентрирующиеся в базальтах
Ti
V
Сu
Zn
50
7
10
5
30
4
2
3
900
20
20
13
230
4
2
66 Элементы, содержание которых уменьшается в земной коре
Ni
Со
Сг
Hg
Pt
1350
80
250
0,3
0,2
200
20
200
0,001
0,02
160
4,5
90
0,009
0,01
0,8
0,5
2,5
0,008
-
асодержание других — уменьшается. В процессе выплавления вещества земной коры вмантии задерживались металлы группы железа — никель, кобальт, хром, отчастимарганец. Поэтому содержание никеля в породах верхних горизонтов Земной коры посравнению с содержанием в исходном веществе уменьшается в десятки раз, примернов сто раз уменьшается содержание кобальта и хрома, в тысячу раз платины. Впроцессе выплавления земной коры уменьшилось также содержание ртути, но этопроизошло по причине выноса паров этого металла, поступавших в атмосферу ирастворявшихся в природных водах.
Металлы,содержание которых в целом увеличивается в земной коре, распределяются в горныхпородах неодинаково. Выделяется группа металлов, концентрирующихся в гранитномслое континентальной земной коры, обогащенной кремнием, алюминием, щелочами,легколетучими соединениями. Сюда относятся цирконий, ниобий, барий, олово,свинец, уран. Например, концентрация свинца увеличивается в 100 раз, урана —еще более. Другая группа металлов концентрируется в базальтовых породах. В этугруппу входят титан, ванадий, медь, цинк.
Одновременнос выплавлением легкоплавких соединений из вещества мантии происходило выделениегазов разных веществ. В результате дегазации мантии образовалась основная массагазов и воды, имеющихся на нашей планете. При этом расчеты показывают, что напротяжении геологической истории из мантии вынесено только около 10%содержавшихся в ней каждого газа. Так, например, по данным А.П. Виноградова, содержаниеводы в мантии составляет 2*1022 кг, а ее общее количество вгидросфере и атмосфере — 1,5*1021 кг. В результате процессадегазации выносились также возгоняемые соединения тяжелых металлов.
Совершенноособое положение в земной коре занимает самый наружный слой, который некоторыеученые называют осадочной оболочкой Земли. По минералогическому составу онпринципиально отличен от двух других слоев коры. В составе осадочной оболочкипреобладают не силикаты с разнообразной кристаллохимической структурой, как вгранитном и базальтовом слоях земной коры, а дисперсные силикаты со сложнойструктурой — глины, составляющие 40% осадочного слоя, карбонаты — 23%. Средиобломочных минералов, сохранившихся при гипергенном преобразовании гранитногослоя, входящих в состав осадочной оболочки и составляющих 19% ее массы,доминирует кварц — наиболее устойчивый к выветриванию эндогенный минерал.Химический состав осадочного слоя обогащен не только Н2O и СO2, но также окисленными формами серы, органическим углеродом,хлором, фтором, азотом и тяжелыми металлами. Все эти соединения и элементывыносятся из мантии путем дегазации, но в процессе гипергенеза иседиментогенеза связываются и аккумулируются в веществе осадочного слоя. Такимобразом, на поверхности Земли происходит глубокое преобразование веществагранитного слоя. Главным фактором этого процесса является суммарныйгеохимический эффект жизнедеятельности организмов. Это проявляется как внепосредственном участии организмов в осадкообразовании, так и в регулированииусловий, определяющих направленность преобразования горных пород гранитногослоя: содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере, щелочно-кислотныхпараметров природных вод, окислительно-восстановительных условий, присутствиеорганических соединений и др. Установлено, что большая часть массы веществаосадочных пород, образованных на протяжении последних 600 млн. лет, находится впределах континентальной коры, причем примерно половина этой массысосредоточена в геосинклиналях. Формирование метаморфических пород древнихщитов — главных фрагментов гранитного слоя — также происходило в тектонически-активныхструктурах. Можно предполагать, что многие особенности гранитного слоя сложносвязаны с суммарным геохимическим эффектом жизнедеятельности организмовгеологического прошлого. Имея это в виду, В.И. Вернадский назвал гранитный слойземной коры «следами былых биосфер».
3. Формированиеминералогического разнообразия земной коры
Земнаякора слагается природными химическими соединениями — минералами, количествовидов которых немногим превышает 2 тыс. Ограниченность природных химическихсоединений по сравнению со значительно большим количеством искусственныхсоединений обусловлена многими причинами, главной из которых является оченьнеравномерное содержание разных химических элементов в земной коре. Диапазонсреднего содержания разных химических элементов достигает шести математическихпорядков.
Наибольшееколичество минеральных видов образуют элементы, содержащиеся в земной коре внаибольшем количестве. К ним относятся кислород, кремний, алюминий, железо,кальций, магний, калий, натрий. Эти элементы образуют группу соединений, массыкоторых в наибольшем количестве выплавлялись из мантии.
Наряду сними значительные количества минералов образуют такие элементы, как сера,мышьяк, сурьма, медь, свинец, цинк и некоторые другие металлы, которые активновыносились в процессе дегазации вещества мантии.
Таблица7
Образованиеминералов при основных процессах минералообразованияПроцессы минералообразования Минералы, образующиеся преимущественно при данном процессе, в % к общему количеству минералов Магматизм 8 Пегматитообразование 10 Пневматолитово-гидротермальная деятельность 28 Гипергенез и литогенез 45 Метаморфизм 9
Еслирассматривать разнообразие минералообразования при различных эндогенныхпроцессах, то наибольшее количество минеральных видов образуется при процессах,которые протекают при участии продуктов дегазации. Минералы, образующиеся припневматолитово-гидротермальных и пегматитовых процессах, по подсчетамизвестного украинского минералога Е.К. Лазаренко, составляют около 30% всехминеральных видов. Еще большее количество минеральных веществ возникает припроцессах гипергенеза и осадкообразования, в которых под геохимическимконтролем суммарного эффекта жизнедеятельности организмов образуются химическиесоединения дегазированных элементов, поступивших в атмосферу и гидросферу(табл. 7).
Определенныезакономерности обнаруживаются в разнообразии и распределении масс минералов поклассам. Отдельные данные приводились при описании минеральных групп, общая ихсводка представлена в таблице 8.
Данныеэтой таблицы позволяют, прежде всего, отметить наиболее многочисленные классы.Несмотря на расхождения в результатах расчетов разных авторов, совершенноочевидно, что наибольшее количество минералов характерно для силикатов. Весьмаразнообразен состав класса фосфатов и их аналогов, которые занимают второеместо по количеству минералов (17,7%— 16,4%), а также класса сульфидов и имподобных соединений (9,4—13,0%), оксидов и гидроксилов (9,4—12,5%), сульфатов(9,0—12,2%). Состав других классов менее многочислен и составляет несколькопроцентов или даже доли процента, как, например, минералы класса хроматов.
Таблица 8
Соотношениемежду отдельными классами минералов и их содержанием в земной кореКлассы минералов Минералы
Содержание в земной коре
(вес, в %) количество в % к общему количеству минералов
I1
II2 I II I II
Самородные элементы
Сульфиды и им подобные соединения
Галогениды
Оксиды и гидроксиды
Силикаты
Сульфаты
Фосфаты, арсенаты, ванадаты
Карбонаты
Бораты
Вольфраматы и молибдаты
Хроматы
Нитраты
Органические соединения
50
195
86
187
375
135
266
67
42
14
5
8
70
90
200
100
200
800
260
350
80
40
15
не учтены
3,30
13,00
5,70
12,50
25,00
9,00
17,70
4,50
2,80
1,00
0,30
0,50
4,70
4,2
9,4
4,7
9,4
37,4
12,2
16,4
3,7
1,9
0,7
0,10
1,15
0,50
17,00
75,00
0,50
0,70
1,70
3,35
0,10
0,25
незначит.
17,00
80,00
0,10
0,70
1,70
назначит.
«
«
«
« Всего 1500 2135 100,0 100,0 100,0 99,85
I1 — данные Е. К. Лазаренко, 1963
II2 данные Н. И. Сафронова и Б. А. Гаврусевича, 1968
Многочисленностьминералов того или иного класса не обязательно означает, что эти минералысоставляют значительную часть массы земной коры. Хотя наиболее разнообразныйвидами класс силикатов и преобладает в земной коре, но второй по многочисленностиминералов класс фосфатов и их аналогов составляет менее процента массылитосферы (0,7%). Близкие по численности видов классы сульфидов и оксидов резкоразличаются по своему весовому содержанию в земной коре: первые находятся вколичестве 0,15% (по В.И. Вернадскому), вторые — 17% массы коры. Следуетотметить, что значения масс минералов в земной коре точно не установлены иопределяются разными учеными неодинаковыми величинами. Так, даже для группыпреобладающих минералов — силикатов — рассчитаны сильно различающиеся значения.Американский геохимик Г. Вашингтон (1925) определил массу силикатов в земнойкоре в 63%, В.И. Вернадский (1937) — в 85%, А.Е. Ферсман (1934) — в 74,5%, Е.К.Лазаренко (1963) — в 75%, Б.А. Гаврусевич и Н.И. Сафронов (1968) — в 80%, А.Б.Ронов и А.А. Ярошевский (1967) — в 83%. Последняя цифра, по-видимому, наиболеедостоверна.
В целомможно считать, что преобладающую часть массы земной коры составляют силикаты(включая кварц) и отчасти минералы класса оксидов и гидроксилов.
Образованиемассы представителей некоторых классов связано преимущественно с однимопределенным процессом минералообразования. Как показывают данные Е.К.Лазаренко, большая часть минералов класса сульфидов (89%) имеетпневматолитово-гидротермалыгое происхождение и лишь 5% возникают прилитогенезе. Вольфрамиты и молибдаты поровну делятся между гипергенным ипневматолитово-гидротермальным генезисом. Для некоторых классов характерновозникновение преобладающего количества минеральных видов при процессах гипергенногоминералообразования. Таковы сульфаты, фосфаты и им близкие соединения, нитраты.
Заключение
Представленияо земной коре, ее вещественном составе и образовании по мере развития геологиипостепенно менялись от наивных представлений о застывшей корке шлака наповерхности огненно-жидкого металлического шара до создания сложных моделейобразования земной коры в результате неоднократной переработки аккумуляцийлегкоплавких и легколетучих веществ, выносимых тепловыми потоками из мантии.
Накоплениегеологических знаний долгое время происходило двумя почти не связанными междусобой путями. С одной стороны, для решения разнообразных практических задачизучались минералы, руды, горные породы, т.е. составные части вещества земнойкоры. В этом направлении были сделаны важные открытия и накоплен опыт,способствовавший развитию не только минералогии, но и других наук и отраслейчеловеческой деятельности. Накопленный опыт способствовал становлениюминералогии и смежных геологических наук, а также химии и металлургии.
С другойстороны, благодаря наблюдениям натуралистов был собран огромный материал,характеризующий разнообразные геологические процессы: геологическуюдеятельность морей и рек, ледников и вулканов и т.п. Особое внимание уделялосьвыявлению процессов образования и возрастному соотношению различных осадков,которые почти сплошь покрывают сушу и с которыми в первую очередь сталкиваетсяв своей работе геолог.
Одновременноисследователи стремились понять процессы образования различных осадков ивыяснить их возрастные соотношения. В начале XIX в. знаменитый английский геолог Ч. Лайель показал,что осадки, образованные в отдаленном геологическом прошлом, являютсярезультатом тех же процессов, которые происходят в настоящее время. Немногимранее его соотечественник У.Смит установил, что относительный геологическийвозраст изучаемых осадков вне зависимости от их географического нахожденияможно определять с помощью окаменелых останков организмов, которые существоваливо время отложения данных осадков. Эти фундаментальные открытия явилисьтеоретической основой для развернувшегося изучения геологического строенияразных территорий.
В то жевремя изучались условия залегания горных пород глубинного происхождения. Всередине XIX в. был разработан метод изученияплотных горных пород под микроскопом, который открыл недоступный ранее дляизучения мир кристаллизационных и метасоматических процессов, происходящих приобразовании магматических и метаморфических пород, руд и пневматолитово-гидротермальныхобразований. Во второй половине XIX в.начинается синтезирование достижений минералогии, петрографии и рудногоискусства с результатами изучения геологического строения отдельных регионовмира. На этой основе русскими, американскими, французскими геологами создаютсяпервые гипотезы образования и строения крупных геотектонических элементовземной коры — геосинклиналей, платформ, кристаллических щитов и плит. В 1881 г.австрийский геолог Э. Зюсс вводит в научный лексикон термин «земная кора», а встранах Западной Европы разрабатываются методы изучения земных недр с помощьюрегистрации скорости распространения сейсмических воли.
Первыедесятилетия XX в. знаменуются открытием границраздела земной коры и мантии и закономерностей вертикального строения корыконтинентов и океанов. Минералогия и петрография из описательных наукпостепенно превращаются в генетические, изучающие процессы образованияминералов и пород. Возникла новая наука — геохимия, на атомном уровне изучающаяэволюцию химического состава вещества Земли и земной коры, устанавливающаязакономерности миграции химических элементов при геологических процессах.Опираясь на достижения физики и физической химии, быстро развиваются новыеметоды изучения вещества земной коры и экспериментального моделированияпроцессов образования и преобразования горных пород в условиях высокихтемператур и давлений.
Досередины XX в. геологические исследованияограничивались границами суши и ее подводной окраины. С конца 50-х гг.развертываются работы по изучению строения дна океанов и происходящих тамгеологических процессов с помощью подводных аппаратов и глубоководного бурения.Новая информация вносит существенные коррективы во взгляды на геологическоестроение земной коры и формирующие ее процессы. В свете современных научныхдостижений стало ясно, что отдельные геологические эндо- и экзодинамическиепроцессы представляют собой звенья единого планетарного процесса формированиятвердой, жидкой и газовой наружных оболочек планеты. Грандиозный процесс выносаиз мантии легкоплавких и газообразных веществ происходит не равномерно по всейповерхности земного шара, а регулируется мощными тепловыми потоками,генерируемыми источниками энергии, образующими сгущения в недрах мантии.
Радиальныепотоки тепловой энергии и выносимых веществ обусловливают формированиеглобальных структур земной коры. Базальты, изливающиеся в активных срединныххребтах океанов, образуют сравнительно маломощный слой, под которымрасполагается твердое вещество мантии, представленное породами ультраосновногосостава. Есть основания предполагать, что имеющая такой состав твердая оболочкарасчленена на крупные фрагменты — литосферные плиты, которые перемещаются поповерхности пластичных масс мантии. Эти фрагменты под воздействием конвективныхперемещений масс вещества мантии могут опускаться под мощные блоки материковойкоры или взаимодействовать с ними на контакте. В том и другом случае фрагментыокеанической коры снова оказываются в мантии и вновь подвергаются процессамвыплавления и дегазации. Таким образом, формирование состава вещества иструктур океанической коры происходит на фоне циклического процесса массообменав системе земная кора верхняя мантия. Эта система стационарна, но не замкнута,так как в нее вовлекаются в разное время неодинаковые массы, и открытая, ибо вциклический процесс включаются не только массы базальтового слоя океаническойкоры, но также породы верхней мантии, участки континентальной коры и морскиеосадки.
Ещеболее сложным представляется формирование континентальной коры, в которой надбазальтовым слоем располагается мощный гранитный слой. В образовании веществаэтого слоя, состоящего не только из легкоплавких соединений, но также изминералов, богатых легколетучими химическими соединениями, еще много неясного.Тем не менее, можно предполагать, что в его формировании важное значение имелипроцессы глубокого метаморфизма мощных осадочных толщ, накапливавшихся вспецифических структурах континентальной коры — геосинклиналях. При этомследует отметить, что присутствие легколетучих соединений, отличающих гранитныйслой от базальтового слоя океанической коры, выплавляемой из мантии,предопределено составом осадков. Именно осадочная оболочка Земли является аккумуляторомлегколетучих продуктов дегазации мантии — производных угольной, фторводородной,соляной, борной, серной кислот.
Выдающимсярусским ученым В.И. Вернадским еще в 20-е гг. было показано, что самой мощнойгеохимической силой, действующей на поверхности Земли, является эффектсуммарной жизнедеятельности всех организмов. Под влиянием этого эффекта напротяжении геологической истории изменялся состав атмосферы и природных вод,регулировались процессы гипергенного минералообразования и осадконакопления,т.е. образования того вещества, которое поступает в геосинклинали иподвергается метаморфизму и гранитизация.
Значениеидей В.И. Вернадского было осознано лишь в последние десятилетия XX в. Вклад биогенных процессов вобразование гранитного слоя еще недостаточно изучен, но можно предполагать, чтовключение биогенных минеральных образований в процессы палингенеза имело важноезначение для формирования гранитной магмы, метаморфических пород кислогосостава и постепенного наращивания структур гранитного слоя — древнихкристаллических щитов и платформ.
Такимобразом, в континентальной коре намечаются две связанные между собой открытыестационарные циклические системы эволюции вещества: система базальтового слоя исистема гранитного слоя. Породы гранитного слоя, на заключительном этаперазвития геосинклиналей, поступающие в биосферу, подвергаются гипергеннойтрансформации, происходящей в ландшафтно-геохимических условиях, контролируемыхбиогенными факторами, а образующиеся продукты выветривания претерпеваютдальнейшее биогенное преобразование в процессе осадконакопления. Значительнаячасть континентальных осадков аккумулируется в геосинклиналях, где происходятих метаморфические превращения и частичная гранитизация. Цикл формированиябазальтового слоя континентальной коры проблематичен по причине отсутствияданных глубинного бурения. Можно лишь предполагать, что вещество этого слоясущественно отличается от вещества базальтового слоя океанической коры, какминералогическим составом, так и большим содержанием легколетучих соединений.
Взавершение рассмотрения идеи циклического образования вещества земной корыследует отметить, что мощная континентальная кора, возможно, намечает ареалывыхода наиболее мощных тепловых потоков и выноса наибольших масс легкоплавких илегколетучих веществ из мантии. В то же время на континентах сосредоточено 99%массы живых организмов. Это совпадение вряд ли случайно. Дальнейшее изучениеглобальной системы циклических процессов массообмена веществ в биосфере и наразных «этажах» земной коры — одна из актуальных проблем науки о Земле.
Списокиспользованной литературы
1. Апродов В.А.Земная кора. — М.:Мысль, 1982.
2. Короновский Н.В.,Якушева А.Ф. Основыгеологии. М., 1991.
3. Никонов А. А. Голоценовые и современные движенияземной коры. — М.: Наука, 1977.
4. СорохтинО.Г.,Ушаков С.А. Справочник по геологии. М., 1991.
5. Хаин В.Е. Основные проблемы современнойгеологии (геология на пороге XXIвека). М., 1995.