Вещественный состав земной коры

Вещественный состав земной коры

Минералы и горные породы. Земная кора сложена минералами и горными породами. Минералы — это достаточно устойчивые химические соединения и самородные элементы, имеющие строго конкретное, только им присущее внутреннее строение. Минералы образуются в результате эндогенных и экзогенных процессов, а также могут выращиваться в лабораториях, на заводах (драгоценные камни) и на морских фермах (жемчуг).

В природе существуют твердые (алмаз, кварц), жидкие (вода, нефть, ртуть) и газообразные (все газы) минералы. Твердые минералы могут быть кристаллическими (галит, кварц) и аморфными (опал, все смолы). Кристаллические состоят из множества структурных элементов, представляющих собой многогранники-кристаллы, аморфные кристаллов не имеют. Строение минералов определяет их свойства. Один и тот же химический элемент (или соединение) может образовывать разные кристаллические формы, т.е. разные минералы. Так, алмаз и графит состоят из углерода (С), пирит и марказит — из сульфида железа (FeS2), кальцит и арагонит — из карбоната кальция (CaCO3) и т.д.

Известно более 2500 минералов, а если учесть и их разновидности — около 4000, однако только немногим больше 50 (до1%) из них имеют породообразующее значение. Современная классификация минералов основывается на их составе и строении.

Горные породы — минеральные агрегаты с более или менее постоянным минеральным составом. Они могут быть мономинеральными, т.е. состоящими из одного минерала, как, например, каменная соль (из галита), или из нескольких минералов, как, например, гранит (из полевых шпатов, кварца, биотита, амфибола). Многие мономинеральные породы носят такие же названия, как и слагающие их минералы: нефть, вода, слюда, глина, ангидрит, гипс и т.д. Сыпучие, жидкие и пластичные горные породы нередко называют геологическими образованиями.

По генезису (происхождению) горные породы классифицируют на магматические, метаморфические и осадочные. Из них только магматические породы являются первичными. Метаморфические и осадочные породы образовались за счет изменения и разрушения магматических пород.

Магматические горные породы. Магматические горные породы, как и слагающие их минералы, формируются из магматического расплава при застывании магмы в недрах (интрузивные) и на поверхности (эффузивные) Земли. Большинство магматических пород сложено силикатными минералами и по содержанию в них кремнекислоты (SiO2) делятся на кислые, средние, основные и ультраосновные.

Интрузивные магматические горные породы формируются при застывании магмы на глубине. Процесс этот идет достаточно медленно, и времени оказывается достаточно для роста кристаллов, поэтому интрузивные породы имеют кристаллическое строение. Эффузивные магматические породы образуются при быстром остывании вырвавшейся на земную поверхность магмы (лавы), и кристаллы не успевают сформироваться, поэтому породы имеют стекловатое (т.е. некристаллическое) строение. Особую группу магматических образований представляют собой жильные породы, с которыми связаны месторождения железа, меди, цинка, олова, золота, серебра, драгоценных камней и многих других полезных ископаемых. Таким образом, интрузивные породы отличают от эффузивных по их внутреннему строению, а кислые, средние, основные и ультраосновные — по окраске, которая отражает содержание в породе SiO2, а для интрузивных пород — их минеральный состав.

Метаморфические горные породы. Метаморфические горные породы образуются в результате сложных преобразований в составе и строении горных пород в связи с воздействием на них высоких температур и давлений. С каждым типом метаморфизма (региональным, дислокационным, контактном и ударном) связаны определенные породы. С региональным, типичным для обширных платформенных территорий, связан наиболее обширный спектр пород. Ближе к поверхности (но на достаточной глубине!) образуются породы так называемой зеленокаменной фации, содержащие много зеленого минерала хлорита. Наиболее типичны для этой зоны сланцы — породы со сланцеватым строением и серпентиниты. Глубже, т.е. при более высоких температурах и давлении, формируются более плотные кристаллические сланцы, гнейсы, амфиболиты и, как результат частичного переплавления амфиболитов, — мигматиты. На больших глубинах, близ границы раздела с мантией, возникают гранулиты и эклогиты — своеобразные плотные кристаллические породы с набором метаморфических минералов.

Динамометаморфизм (дислокационный) сопровождается образованием материала разрушения материнской породы, в котором присутствуют метаморфические новообразования (хлорит, тальк, слюда). Эти рыхлые породы называются милонитами. Уплотняясь, милониты приобретают сланцеватое строение. В этой уже крепкой породе все минеральные зерна и их агрегаты расплюснуты. Такие породы называют бластомилонитами.

При контактовом типе метаморфизма преобразованию подвергаются породы, контактирующие с внедрившейся интрузией. Если вмещающей породой являются известняки, а из магмы выделяется большое количество горячих минерализованных газов и паров воды, в зоне контакта образуется разнокристаллическая своеобразная порода, называемая скарном. Скарны — породы, являющиеся настоящей природной кладовой промышленных скоплений железа, вольфрама, олова, цинка и многих драгоценных камней. При простом обжиге пород в контактной зоне образуются роговики.

Падение на Землю метеоритов вызывает процесс ударного метаморфизма. Разумеется, степень метаморфизма в таких зонах (астроблемах) максимальна в точке удара и конусовидно сокращается с глубиной. Породы, возникшие в результате ударного типа метаморфизма, объединены общим названием — импактиты. С ними связаны месторождения алмазов и гранатов.

Таким образом, метаморфические горные породы очень и очень разнообразны. Различать их может помочь знание особенностей строения и набора типично метаморфических минералов.

Осадочные горные породы. Осадочные горные породы формируются на поверхности Земли или чуть глубже из продуктов выветривания, жизнедеятельности организмов, посредством химической садки солей из перенасыщенных растворов. Особую группу пород составляют горючие полезные ископаемые. Осадочные породы покрывают около 75% поверхности континентов, и подавляющая их часть образовалась из осадков морских водоемов. По генетическому признаку их делят на четыре классификационные группы: обломочные; глинистые; химические и органогенные; каустобиолиты.

Обломочные породы сложены преимущественно продуктами физического выветривания и подразделяются по величине слагающих их обломков на: грубообломочные (валуны, щебень, галька, гравий — рыхлые, конгломераты и брекчии — сцементированные); среднеобломочные (пески и песчаники); мелкообломочные (алевриты и алевролиты). Нижний предел размера частиц, слагающих обломочные материалы, — 0,01 мм.

Глинистые породы состоят преимущественно из продуктов химического выветривания и сложены частицами размером 0,01-0,001 мм и мельче. Кроме того, глинистые породы сложены глинистыми минералами, имеющими специфические свойства. Глинистые породы составляют около 50% массы всех осадочных пород. Окаменелая глина называется аргиллитом.

В четвертичных отложениях, особенно ледникового происхождения, присутствуют песчано-глинистые (больше глины, чем песка) и глинисто-песчанистые (больше песка, чем глины), которые при содержании меньшей составной части около 30% называются суглинками и супесями соответственно.

Химические и органогенные породы по происхождению либо являются химически осажденными, либо сформированы скелетными фрагментами организмов. Некоторые породы этой группы могут быть как химического, так и органогенного генезиса (карбонатные, кремнистые, фосфатные).В специфических морских обстановках образуются железо-марганцевые, фосфоритовые, баритовые конкреции, арагонитовые иглы и оолиты и другие минеральные образования. В водоемах аридных (засушливых) зон формируются залежи хлоридных (каменная и калийная), сульфатных (гипс, ангидрит, барит), карбонатных (известняк, доломит) и других солей.

Горючие полезные ископаемые (каустобиолиты) образуют два генетических ряда: угля и нефти. Ряд угля включает торф, лигнит, бурый и каменный уголь, антрацит. В нефтяной ряд входят все углеводородные газы, нефть, озокерит (горный воск), асфальт. Однако, антрацит, как и относящиеся к этой группе пород горючие сланцы, По-существу, являются метаморфическими породами и к осадочным отнесены условно.

Вещественный состав и строение земной коры

Химический и минеральный состав Земли.

Анализ химического и минерального состава Земли имеет существенный теоретический и практический интерес: он может приоткрыть многие тайны образования и эволюции нашей планеты и дать ключ к более эффективному поиску минеральных ресурсов. О среднем составе Земли судят по веществу, из которого состоят метеориты, так как считается, что именно из этого материала в свое время произошли планеты Солнечной системы, в том числе Земля . Выделяют каменные (97,7 % всех находок), железокаменные (1,3 %) и железные (5,6 %) метеориты. Их химический анализ позволяет предположить, что в составе Земли преобладают железо (30—36 %), кислород (29—31 %), кремний (14-15 %) и магний (13—16 %). Кроме того, количество серы, никеля, алюминия и кальция измеряется единицами процентов каждый. Все остальные элементы присутствуют в количестве, меньшем 1 %.

В 1924 г. норвежский исследователь В.М. Гольдшмит предложил широко используемую и в настоящее время геохимическую классификацию химических элементов, разделив их на четыре группы:

  • 0 сидерофильная группа химических элементов включает в себя элементы семейства железа, платиновые металлы, а также молибден и рений (всего 11 элементов), по геохимическим особенностям близкие железу;
  • 0 литофильные элементы составляют группу из 53 элементов, составляющих основную массу минералов земной коры (литосферы): кремний, титан, цирконий, фтор, хлор, алюминий, натрий, калий, магний, кальций и т.д.;
  • 0 халькофильная группа химических элементов представлена серой, сурьмой, висмутом, мышьяком, селеном, теллуром и рядом тяжелых цветных металлов (медь и др.) — всего 19 элементов, склонных к образованию природных сульфидов, селенидов, тел- луридов, сульфосолей и иногда встречающихся в самородном состоянии (золото, серебро, ртуть, висмут, мышьяк и др.);

О к атмофильной группе причислены химические элементы (азот, водород, благородные газы), типичные для земной атмосферы, в составе которой они присутствуют в виде свободных атомов или молекул.

Земную кору слагают разные группы горных пород, различающихся условиями образования и составом. Горные породы представляют собой минеральные агрегаты, т.е. определенное сочетание минералов. Минервами называют природные химические соединения или самородные химические элементы, которые возникли в результате определенных физико-химических процессов, протекающих в земной коре и на ее поверхности. Большинство минералов представляет собой кристаллические тела, и лишь немногие из них — аморфные. Формы природных кристаллов разнообразны и зависят от закономерного расположения в пространстве микрочастиц — атомов, ионов, молекул, образующих структуру кристаллов, или их кристаллическую (пространственную) решетку. Для формирования этой структуры большое значение имеют физико-химические и термодинамические условия. Так, графит — самый мягкий (твердость 1) минерал — образует таблитчатые кристаллы, а алмаз — самый твердый минерал (твердость 10) — имеет самую совершенную кубическую группу симметрии. Такая разница в свойствах связана с разницей в расположении атомов в кристаллической решетке.

В настоящее время известно более 2500 природных минералов, не считая разновидностей, но только немногие (около 50) — породообразующие — участвуют в образовании горных пород, слагающих земную кору. Остальные минералы в горных породах встречаются в виде незначительных примесей и называются акцессорными минералами. Классификация минералов основана на их химическом составе и кристаллической структуре. Главнейшие породообразующие и рудные минералы объединяются в несколько минеральных классов:

О галоидные соединения: галит (поваренная соль), сильвин, карналлит и флюорит;

О оксиды и гидроксиды: кварц, опал, магнетит (магнитный железняк), гематит, корунд, лимонит, гетит;

О карбонаты: кальцит (известковый шпат), прозрачная разновидность которого называется исландским шпатом, доломит;

О фосфаты: апатит, фосфорит;

О сульфаты: гипс, ангидрит, мирабилит (глауберова соль), барит;

О вольфраматы: вольфрамит;

О силикаты: кварц, оливин, берилл, пироксены, роговая обманка, слюды, змеевик, тальк, глауконит, полевые шпаты.

Особый класс минералов составляют силикаты. В этот класс входят наиболее распространенные в земной коре (более 90 % по весу) породообразующие минералы, чрезвычайно сложные по химическому составу и участвующие в строении всех типов горных пород, в первую очередь магматических и метаморфических. Они составляют примерно треть всех известных минералов. Иногда в силикаты включают кварц. Основу кристаллической решетки силикатов составляет ионная четырехвалентная группировка 8Ю4.

Еще древние рудокопы подметили, что в рудных месторождениях отдельные минералы всегда встречаются совместно. Совместное нахождение минералов обозначается термином «парагенезис» или «парагенез» (греч. «пара» — возле, подле). Для каждого процесса ми- нералообразования характерны свои закономерные сочетания минералов. В качестве примеров парагенезиса можно привести кварц и золото, халькопирит и серебряные руды. Знание парагенезиса минералов облегчает задачу поиска полезных ископаемых по их спутникам. Так, спутник алмаза пироп (разновидность граната) помог в свое время открыть коренные месторождения алмазов в Якутии.

Определенное сочетание минералов, как указывалось выше, образует горные породы — природные агрегаты минералов более или менее постоянного минералогического и химического состава, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. Форма, размеры и взаимное расположение минеральных зерен обусловливают структуру и текстуру горных пород. Слагающие земную кору горные породы в большинстве своем представляют агрегат многих минералов, реже они состоят из зерен одного минерала. Минеральный состав, строение и формы залегания горной породы отражают условия ее образования.

По происхождению горные породы разделяют на три группы:

  • 1) магматические горные породы, образующиеся в результате внедрения (интрузивные породы) в земную кору или извержения на поверхность магмы (эффузивные породы). Излившаяся на поверхность магма называется лавой. С магматическими породами связаны многие месторождения металлических полезных ископаемых, а также апатитов, алмазов и т.д.;
  • 2) осадочные горные породы, образовавшиеся при осаждении разрушенных магматических пород и некоторыми другими путями в океане, морях, озерах и реках. В их составе выделяют обломочные, глинистые, химические и органогенные. Как полезные ископаемые имеют значение следующие осадочные породы: нефть, газ, уголь, торф, бокситы, фосфориты и др.;
  • 3) метаморфические породы, т.е. преобразованные и из магматических, и из осадочных. В метаморфических условиях формируются железные, медные, полиметаллические, урановые и другие руды, а также графит, драгоценные камни, огнеупоры и т.п. Иногда из группы метаморфических выделяют как самостоятельный класс метасоматические горные породы, образовавшиеся в результате метасоматизма — процесса замещения одних минералов другими с существенными изменениями химического состава горной породы, но с сохранением ее объема и твердого состояния при воздействии растворов высокой химической активности. При этом происходит миграция химических элементов.

Химические элементы. В конце прошлого столетия американский геохимик Франк У. Кларк (1847—1931) задался целью установить состав земной коры и, проанализировав около 6 000 горных пород, в 1889 г. впервые получил среднее содержание различных элементов. В его честь русский геохимик и минералог А. Е. Ферсман предложил среднее содержание химических элементов в земной коре называть кларками. Необходимо отметить, что термин «кларк» в настоящее время используется также и для количественной оценки среднего содержания химических элементов в атмосфере, гидросфере, живом веществе биосферы, Земле в целом, горных породах, космических объектах и т. п. Выражается в единицах массы (% , г/т и др.) или в атомных процентах.

Более поздние исследования показали, что, в целом, результаты Кларка были близки к истине.

Менее всего земная кора содержит инертных газов — гелия, неона и радона, что связано с их высокой подвижностью: они легко переходят в атмосферу, откуда рассеиваются в космическом пространстве. Одновременно земная кора пополняется космическим веществом, выпадающим в виде метеоритов и космической пыли.

В настоящее время установлено, что более чем на 80 % земная кора состоит из кислорода, кремния и алюминия (табл. 2.8).

Таблица 2.8. Кларки наиболее распространенных химических элементов

Химический элемент Кларк, % Химический элемент Кларк, %
наименование символ Наименование Символ
Кислород О 46,6—49,1 Натрий Na 2,01—2,83
Кремний Si 26,0—29,5 Калий К 2,35—2,59
Алюминий А1 7,45—8,14 Магний Mg 1,79—2,35
Железо 4,20—5,00 Водород H до 1
Кальций Са 2,71—3,63 И Т О Г О более 99%

Со временем некоторые химические элементы, в частности радиоактивные, трансформируются. На этом основании предполагают, что кларки урана и тория в минувшие геологические эпохи были значительно выше, а свинца — ниже, чем сейчас. Это относится ко всем элементам и изотопам, подверженным изменениям. По А. А. Саукову, 2 млрд лет назад атомов изотопа U235, имеющего период полураспада 7,1 • 108 лет, на Земле было в 6 раз больше, чем сейчас.

Кларки химических элементов в современных горных породах следующие: в среднем в 1 м3 содержится железа 130 кг, алюминия 230 кг, меди 0,26 кг, олова 0,1 кг. В природе встречаются участки, где фактическое содержание того или иного химического элемента значительно выше его кларкового значения. Такие участки геологи исследуют с целью поиска месторождений полезных ископаемых.

Минералы. Химические элементы земной коры образуют естественные соединения, состоящие из одного, но чаще всего из нескольких элементов. Минералы (от лат. minera — руда) — однородные по составу, внутренней структуре и свойствам твердые химические соединения. Иногда к минералам относят и жидкие природные вещества — жидкую ртуть, воду, нефть.

Известно более 3 тыс. минералов, большинство из которых являются кристаллами и обычно имеют форму многогранников. В строении земной коры существенную роль играют всего несколько десятков минералов, называемых породообразующими. Наиболее распространены из них — полевые шпаты (55 %), иные силикаты (15 %), кварц (12 %), различные виды слюды (3 %), магнетит и гематит (3 %).

Минералы отличаются друг от друга по внешним признакам, к которым относят облик кристаллов: цвет самого минерала, цвет его черты, твердость, плотность, спайность — и др., а также химическому составу и структуре. Цвет черты — цвет следа, остающегося на матовой шероховатой поверхности фарфоровой пластины, оцарапанной каким-нибудь минералом. Обычно он совпадает с цветом самого минерала, но иногда резко отличается. Так, черный гепатит имеет красную черту. Под спайностью понимают способность минералов раскалываться по ровным плоскостям в определенных кристаллографических направлениях.

Чем выше природный кларк химического элемента, тем больше минералов, в которые входит этот элемент. Кислород встречается почти в половине известных минералов. Так, большое количество химически связанного кислорода находится в силикатах (от лат. silicis — кремень), относящихся к одному из важных классов минералов.

Горные породы. В земной коре минералы группируются в естественные ассоциации — горные породы. Выделяют магматические, осадочные и метаморфические породы.

Магматические (изверженные) горные породы. Они образуются при остывании расплавленных магм, поднимающихся из глубин Земли к ее поверхности. Различают глубинные породы, если магма застыла на глубине, и излившиеся, если остывание произошло уже на поверхности. Магматические породы состоят преимущественно из силикатов и алюмосиликатов, наиболее важными компонентами которых являются кремнезем и глинозем. Дальнейшая классификация ведется, прежде всего, в зависимости от содержания в породе кремнезема — ангидрида кремниевой кислоты (табл. 2.9).

Таблица 2.9. Деление магматических пород по содержанию диоксида кремния

Породы Характерные породы
Глубинные Излившиеся
Ультраосновные Менее 40 Дунит, пироксенит, перидотит
Основные 40—52 Габбро Базальт, долерит
Средние 52—65 Диорит Андезит
Кислые Более 65 Гранит, гранодиорит Дацит, липарит

Ультраосновные и основные породы содержат много оснований (соединений кальция, магния, железа и др.) и бедны кремнекислотой.

Осадочные горные породы. Они образуются путем переотложения на поверхности Земли или на дне морей, озер, болот, рек продуктов разрушения различных коренных пород. Ими покрыто более 75 % поверхности континентов. Осадочные породы накапливались и уплотнялись иногда миллионы лет. С ними связаны такие важнейшие полезные ископаемые, как нефть и природный газ, уголь, железо, алюминий, золото и др.

В зависимости от происхождения осадочные породы делят на обломочные, глинистые, химические и биохимические.

Обломочные породы. Это продукты механического разрушения коренных горных пород. Их классифицируют по размерам обломков (в мм):

грубообломочные породы ………………….. более 1

песчаные породы ……………………………….. 0,1—1,0

алевритовые фракции ………………………… 0,01—0,1

Обломочные породы могут быть разделены на рыхлые и сцементированные, а также на угловатые и окатанные (округленные).

Рыхлые песчаные породы — пески, а сцементированные — песчаники.

Алеврит (от греч. aleuron — мука) — разновидность рыхлой осадочной горной породы, по составу является промежуточной между песчаными и глинистыми породами. Размер главной массы зерен 0,01—0,1 мм.

Глинистые породы. Они состоят из мельчайших минеральных частиц размерами менее 0,01 мм и содержат свыше 30 % тонкодисперсных частиц размером менее 0,001 мм. По минеральному составу глины резко отличаются от типичных обломочных пород, они состоят преимущественно из кремнезема и глинозема.

Глины обладают пластичностью и низкой водопроницаемостью, благодаря которой они играют роль водоупорных горизонтов подземных вод.

Химические и биохимические породы. Они образуются в результате химических реакций или выпаривания либо при косвенном участии биологических организмов, а также при концентрации их тел и скелетов. К данной группе относятся такие широко известные породы, как бокситы, фосфориты, бурые железняки, известняки, мел, доломиты, гипс, бурые и каменные угли, горючие сланцы и др.

Метаморфические горные породы. Они образуются путем глубокого преобразования магматических и осадочных пород под действием огромных давлений и высоких температур на большой глубине. В результате получаются породы, отличающиеся от исходных минералогическим составом.

К метаморфическим породам относятся твердые глинистые и слюдянистые сланцы (получающиеся из мягкой сланцевой глины), мрамор (из известняков), кварциты (из песчаников), яшмы, серпентиниты (из ультраосновных пород) и др. Эти породы обычно более устойчивы к выветриванию, чем другие.

Геологические циклы. Взаимное расположение и очертание континентов и океанского дна постоянно изменяются. В пределах верхних оболочек Земли происходит непрерывная постепенная замена одних пород другими, называемая большим круговоротом вещества. Геологические процессы образования и разрушения гор являются величайшими энергетическими процессами в биосфере Земли.

Рис. 2.16. Схема геологического цикла Земли (по Дж. Андерсону)

В пределах литосферы горные породы постоянно, хотя и очень медленно, перемещаются, образуя геологические циклы (рис. 2.16). Геофизические процессы (извержение магмы, вулканическая активность и поднятие крупных блоков земной коры) осуществляются за счет теплоты, выделяющейся в результате распада в недрах Земли изотопов калия, урана и тория. Процессы, протекающие на земной поверхности, — эрозия, выветривание и перенос осадков, — происходят за счет энергии Солнца, трансформированной в кинетическую энергию ветра и водных потоков, а также в тепловую энергию.

Наиболее быстро движение в геологическом цикле происходит при извержении вулканов и излиянии лав в районах рифтовых долин. Круговорот осадочного вещества осуществляется за десятки и сотни миллионов лет. В экологическом масштабе времени минералы, отложившиеся в глубоководных осадках, можно считать полностью выведенными из круговорота.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *