Вещественный состав литосферы. Литосферные плиты движутся в горизонтальном направлении. Явления, происходящие на границе литосферных плит

Термин «литосфера» употребляется в науке с середины 19 в., но современное значение он приобрел менее полувека назад. Еще в геологическом словаре издания 1955 г. сказано: литосфера – то же, что земная кора. В словаре издания 1973 г. и в последующих: литосфера … в современном понимании включает земную кору… и жесткую верхнюю часть верхней мантии Земли. Верхняя мантия – это геологический термин, обозначающий очень большой слой; верхняя мантия имеет мощность до 500, по некоторым классификациям – свыше 900 км, а в состав литосферы входят лишь верхние от нескольких десятков до двух сотен километров.

Литосфера – это внешняя оболочка «твёрдой» Земли, расположенная ниже атмосферы и гидросферы над астеносферой. Мощность литосферы изменяется от 50 км (под океанами) до 100 км (под материками). В её составе – земная кора и субстрат, входящий в состав верхней мантии. Пространственное (горизонтальное) строение литосферы представлено её крупными блоками – т.н. литосферными плитами, отделёнными друг от друга глубинными тектоническими разломами. Литосферные плиты движутся в горизонтальном направлении со средней скоростью 5-10 см в год.

Внутреннее строение Земли включает три оболочки: земную кору, мантию и ядро. Такое строение Земли установлено дистанционными методами, основанными на измерении скорости распространения сейсмических волн, имеющих две составляющие - продольные и поперечные волны.

Земная кора - каменистая оболочка, сложенная твердым веществом с избытком кремнезема, щелочи, воды и недостаточным количеством магния и железа. Она отделяется от верхней мантии границей Мохоровичича (слоем Мохо), на которой происходит скачок скоростей продольных сейсмических волн примерно до 8 км/с. Этот рубеж, установленный в 1909 г. югославским ученым А. Мохоровичичем, как считают, совпадает с внешней перидотитовой оболочкой верхней мантии. Мощность земной коры (1% от общей массы Земли) составляет в среднем 35 км: под молодыми складчатыми горами на континентах она увеличивается до 80 км, а под срединно-океаническими хребтами уменьшается до 6 - 7 км (считая от поверхности океанского дна).

Мантия представляет собой наибольшую по объему и весу оболочку Земли, простирающуюся от подошвы земной коры до границы Гутенберга, соответствующей глубине приблизительно 2900 км и принимаемой за нижнюю границу мантии. Мантию подразделяют на нижнюю (50% массы Земли) и верхнюю (18%). По современным представлениям, состав мантии достаточно однороден вследствие интенсивного конвективного перемешивания внутримантийными течениями. Прямых данных о вещественном составе мантии почти нет. Предполагается, что она сложена расплавленной силикатной массой, насыщенной газами. Скорости распространения продольных и поперечных волн в нижней мантии возрастают, соответственно, до 13 и 7 км/с. Верхняя мантия с глубины 50-80 км (под океанами) и 200-300 км (под континентами) до 660-670 км называется астеносферой. Это слой повышенной пластичности вещества, близкого к температуре плавления.

Ядро представляет собой сфероид со средним радиусом около 3500 км. Прямые сведения о составе ядра также отсутствуют. Известно, что оно является наиболее плотной оболочкой Земли. Ядро также подразделяется на две сферы: внешнее, до глубины 5150 км, находящееся в жидком состоянии, и внутреннее - твердое. Во внешнем ядре скорость распространения продольных волн падает до 8 км/с, а поперечные волны не распространяются вовсе, что принимается за доказательство его жидкого состояния. Глубже 5150 км скорость распространения продольных волн возрастает и вновь проходят поперечные волны. На внутреннее ядро приходится 2% массы Земли, на внешнее - 29%.

Внешняя «твердая» оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии, образует литосферу . Ее мощность составляет 50-200 км.

Литосферу и подстилающие подвижные слои астеносферы, где обычно зарождаются и реализуются внутриземные движения тектонического характера, а также часто находятся очаги землетрясений и расплавленной магмы, называют тектоносферой. Строение и мощность земной коры неодинаковы: та её часть, которую можно назвать материковой, имеет три слоя (осадочный, гранитный и базальтовый) и среднюю мощность около 35 км. Под океанами её строение более простое (два слоя: осадочный и базальтовый), средняя мощность – около 8 км. Выделяются также переходные типы земной коры (см. тема 3).

В науке прочно укрепилось мнение, что земная кора в том виде, в котором она существует, есть производное от мантии. В течение всей геологической истории происходил направленный необратимый процесс обогащения поверхности Земли веществом из земных недр. В строении земной коры принимают участие три основных типа горных пород: магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические породы образуются в недрах Земли в условиях высоких температур и давлений в результате кристаллизации магмы. Они составляют 95% массы вещества, слагающего земную кору. В зависимости от условий, в которых происходил процесс застывания магмы, формируются интрузивные (образовавшиеся на глубине) и эффузивные (излившиеся на поверхность) горные породы. К интрузивным относятся: гранит, габбро, к изверженным – базальт, липарит, вулканический туф и др.

Осадочные породы образуются на земной поверхности различными путями: часть из них формируется из продуктов разрушения пород, образовавшихся ранее (обломочные: пески, гелечники), часть за счет жизнедеятельности организмов (органогенные: известняки, мел, ракушечник; кремнистые породы, каменный и бурый уголь, некоторые руды), глинистые (глины), химические (каменная соль, гипс).

Метаморфические породы образуются в результате превращения пород другого происхождения (магматических, осадочных) под воздействием различных факторов: высокой температуры и давления в недрах, контакта с породами другого химического состава и др. (гнейсы, кристаллические сланцы, мрамор и др.).

Большую часть объема земной коры занимают кристаллические породы магматического и метаморфического происхождения (около 90%). Непосредственно контактирует с водой, воздухом, принимает активное участие в географических процессах (мощность – 2,2 км: от 12 км в прогибах, до 400 – 500 м в океаническом ложе). Наиболее распространены – глины и глинистые сланцы, пески и песчаники, карбонатные породы. Важную роль в географической оболочке играют лёссы и лёссовидные суглинки, слагающие поверхность земной коры во внеледниковых районах северного полушария.

В земной коре – верхней части литосферы – обнаружено 90 химических элементов, но только 8 из них широко распространены и составляют 97,2%. кислород – 49%, кремний – 26, алюминий – 7,5, железо – 4,2, кальций – 3,3, натрий – 2,4, калий – 2,4, магний – 2,4%.

Земная кора разделена на отдельные геологически разновозрастные, более или менее активные (в динамическом и сейсмическом отношении) глыбы, которые подвержены постоянным движениям, как вертикальным, так и горизонтальным. Крупные, относительно устойчивые глыбы земной коры с низкой сейсмичностью и слабо расчленённым рельефом получили название платформ. Они имеют кристаллический складчатый фундамент и разновозрастный осадочный чехол. В зависимости от возраста, платформы делятся на древние (докембрийские по возрасту) и молодые (палеозойские и мезозойские). Древние платформы являются ядрами современных континентов, общее вздымание которых сопровождалось более быстрым поднятием или опусканием их отдельных структур (щиты и плиты).

Пути развития литосферы.

До настоящего времени нет единого представления о путях развития литосферы. Существует несколько тектонических концепций, каждая из которых хотя и основана на бесспорных фактах, однако отражает одну сторону тектонической истории Земли, не охватывая общего ее хода, и противоречит другим фактам, которые, в свою очередь, удачно объясняются другой теорией. Такое состояние тектонической проблемы объясняется тем, что геология и геофизика основывают свои выводы на исследовании материков, которые занимают всего 29,2% Земли, а изучение океанического дна, т.е. большей части планеты, только еще началось.

1. «Фиксисты» (от лат. неподвижный, неизменный) утверждают, что материки всегда оставались на тех местах, которые они занимают сейчас, и всю историю рельефа, палеоклиматов и органического мира пытаются объяснить с этих позиций.

2. «Мобилисты» (от лат. – подвижный) доказывают, что блоки литосферы движутся. Эта теория особенно укрепилась в последние годы в связи с получением новых фактических материалов при исследовании дна океанов.

3. Концепция роста материков за счет дна океанов. Сторонники этой концепции считают, что первоначальные материки образовались в виде сравнительно небольших массивов (теперь составляющие платформы материков), а затем разрастались за счет образования гор на океанском дне, примыкающем к краям первоначальных «ядер» суши.

4. Увеличение размеров суши происходит путем образования гор в геосинклиналях. Геосинклинальный процесс, как один из основных в развитии коры материков, положен в основу дальнейшего объяснения развития рельефа суши.

5. Ротационная теория. Поскольку фигура Земли не совпадает с поверхностью математического сфероида и перестраивается в связи с неравномерным вращением, зональные полосы и меридиональные секторы на вращающейся планете неизбежно тектонически неравнозначны, с разной степенью активности реагируют на тектонические напряжения, вызванные внутриземными процессами.

Теория литосферных плит впервые высказана Е. Быхановым (1877) и окончательно разработана немецким геофизиком А. Вегенером (1912). Согласно этой гипотезе до верхнего палеозоя земная кора была собрана в материк Пангею, Поначалу данная гипотеза (теория мобилизма) покорила всех, ее приняли с восторгом, но через 2-3 десятилетия выяснилось, что физические свойства пород не допускают такого «плавания», и на теории дрейфа материков был поставлен жирный крест. Вплоть до 1960-х гг. господствующей системой воззрений на динамику и развитие земной коры была т. н. теория фиксизма (fixus – твёрдый; неизменный; закреплённый (лат.), утверждавшая неизменное (фиксированное) положение континентов на поверхности Земли и ведущую роль вертикальных движений в развитии земной коры.

Лишь к 60-м годам, когда уже была открыта общемировая система срединно-океанических хребтов, построили практически новую теорию, в которой от гипотезы А. Вегенера осталось только изменение взаимного расположения материков, в частности объяснение сходства очертаний континентов по обе стороны Атлантики.

Важнейшее отличие современной тектоники плит (новая глобальная тектоника) от гипотезы А. Вегенера состоит в том, что у А. Вегенера материки двигались по веществу, которым сложено океаническое дно, в современной же теории в движении участвуют плиты, в состав которых входят участки и суши и дно океана; границы между плитами могут проходить и по дну океана, и по суше, и по границам материков и океанов.

Движение литосферных плит – спрединг (англ. spreading - расширение, распространение). Но поверхность земного шара не может увеличиваться. Возникновение новых участков земной коры по сторонам от срединно-океанических хребтов должно где-то компенсироваться ее исчезновением. Если мы считаем, что литосферные плиты достаточно устойчивы, естественно предположить, что исчезновение коры, как и образование новой, должно происходить на границах сближающихся плит. При этом могут быть три различных случая:

Сближаются два участка океанической коры;

Участок континентальной коры сближается с участком океанической;

Сближаются два участка континентальной коры.

Процесс, происходящий при сближении участков океанической коры, может быть схематически описан так: край одной плиты несколько поднимается, образуя островную дугу; другой уходит под него, здесь уровень верхней поверхности литосферы понижается, формируется глубоководный океанический желоб. Таковы Алеутские острова и обрамляющий их Алеутский желоб; Курильские острова и Курило-Камчатский желоб; Японские острова и Японский желоб; Марианские острова и Марианский желоб - это в Тихом океане. В Атлантическом – Антильские острова и желоб Пуэрто-Рико; Южные Сандвичевы острова и Южно-Сандвичев желоб. Движение плит относительно друг друга сопровождается значительными механическими напряжениями, поэтому во всех этих местах наблюдаются высокая сейсмичность, интенсивная вулканическая деятельность. Очаги землетрясений располагаются в основном на поверхности соприкосновения двух плит и могут быть на большой глубине. Край плиты, ушедшей вглубь, погружается в мантию, где постепенно превращается в мантийное вещество. Погружающаяся плита подвергается разогреву, из нее выплавляется магма, которая изливается в вулканах островных дуг.

Процесс погружения одной плиты под другую носит название субдукция (буквально – поддвигание). Типичный пример – Кордильеры Центральной и Южной Америки и идущая вдоль берега система желобов – Центральноамериканский, Перуанский и Чилийский.

При сближении двух участков континентальной коры край каждой из них испытывает складкообразование (характерны разломы, формируются горы, интенсивны сейсмические процессы). Наблюдается и вулканизм, но меньше, чем в первых двух случаях, т.к. земная кора в таких местах очень мощная. Так образовался Альпийско-Гималайский горный пояс, протянувшийся от Северной Африки и западной оконечности Европы через всю Евразию до Индокитая; в его состав входят самые высокие горы на Земле, по всему его протяжению наблюдается высокая сейсмичность, на западе пояса есть действующие вулканы.

Согласно прогнозу, при сохранении общего направления движения литосферных плит, значительно расширятся Атлантический океан, Восточно-Африканские рифты (они заполнятся водами МО) и Красное море, которое напрямую соединит Средиземное море с Индийским океаном.

Переосмысление идей А. Вегенера привело к тому, что, вместо дрейфа континентов, вся литосфера стала рассматриваться как подвижная твердь Земли, и данная теория, в конечном итоге, свелась к так называемой «тектонике литосферных плит» (на сегодняшний день – «новая глобальная тектоника»).

Основные положения новой глобальной тектоники состоят в следующем:

1. Литосфера Земли, включающая кору и самую верхнюю часть мантии, подстилается более пластичной, менее вязкой оболочкой – астеносферой.

2. Литосфера разделена на ограниченное число крупных, несколько тысяч километров в поперечнике, и среднего размера (около 1000 км) относительно жестких и монолитных плит.

3. Литосферные плиты перемещаются друг относительно друга в горизонтальном направлении; характер этих перемещений может быть трояким:

а) раздвиг (спрединг) с заполнением образующегося зияния новой корой океанического типа;

б) поддвиг (субдукция) океанской плиты под континентальную или океаническую же с возникновением над зоной субдукции вулканической дуги или окраинно-континентального вулкано-плутонического пояса;

в) скольжение одной плиты относительно другой по вертикальной плоскости т. н. трансформных разломов, поперечных к осям срединных хребтов.

4. Перемещение литосферных плит по поверхности астеносферы подчиняется теореме Эйлера, гласящей, что перемещение сопряженных точек на сфере происходит вдоль окружностей, проведенных относительно оси, проходящей через центр Земли; места выхода оси на поверхность получили название полюсов вращения, или раскрытия.

5. В масштабе планеты в целом спрединг автоматически компенсируется субдукцией, т. е. сколько за данный промежуток времени рождается новой океанической коры, столько же более древней океанической коры поглощается в зонах субдукции, благодаря чему объем Земли остается неизменным.

6. Перемещение литосферных плит происходит под действием конвективных течений в мантии, включая астеносферу. Под осями раздвига срединных хребтов образуются восходящие течения; они превращаются в горизонтальные на периферии хребтов и в нисходящие в зонах субдукции на окраинах океанов. Сама конвекция имеет своей причиной накопление тепла в недрах Земли вследствие его выделения при распаде естественно-радиоактивных элементов и изотопов.

Новые геологические материалы о наличии вертикальных токов (струй) расплавленного вещества, поднимающихся от границ самого ядра и мантии к земной поверхности, легли в основу построения новой, т. н. «плюмовой» тектоники, или гипотезы плюмов. Она опирается на представления о внутренней (эндогенной) энергии, сосредоточенной в нижних горизонтах мантии и во внешнем жидком ядре планеты, запасы которой практически неисчерпаемы. Высокоэнергетические струи (плюмы) пронизывают мантию и устремляются в виде потоков в земную кору, определяя тем самым все особенности тектоно-магматической деятельности. Некоторые приверженцы плюмовой гипотезы склонны даже считать, что именно этот энергообмен лежит в основе всех физико-химических преобразований и геологических процессов в теле планеты.

В последнее время многие исследователи все больше стали склоняться к мысли, что неравномерным распределением эндогенной энергии Земли, как и периодизацией некоторых экзогенных процессов, управляют внешние по отношению к планете (космические) факторы. Из них наиболее действенной силой, непосредственно влияющей на геодинамическое развитие и преобразование вещества Земли, по-видимому, служит эффект гравитационного воздействия Солнца, Луны и других планет, с учётом инерционных сил вращения Земли вокруг своей оси и её движения по орбите. Основанная на этом постулате концепция центробежно-планетарных мельниц позволяет, во-первых, дать логическое объяснение механизму дрейфа материков, во-вторых – определить главные направления подлитосферных потоков.

Движения литосферы.

Взаимодействие земной коры с верхней мантией – причина глубинных тектонических движений, возбуждаемых вращением планеты, тепловой конвекцией или гравитационной дифференциацией вещества мантии (медленное опускание более тяжелых элементов вглубь и поднятие более легких кверху), зона их появления до глубины около 700 км получила название тектоносферы.

Существует несколько классификаций тектонических движений, каждая из которых отражает одну из сторон – направленность (вертикальные, горизонтальные), место проявления (поверхностные, глубинные) и т.п.

С географической точки зрения удачным представляется деление тектонических движений на колебательные (эпейрогенические) и складкообразовательные (орогенические).

Сущность эпейрогенических движений сводится к тому, что огромные участки литосферы испытывают медленные поднятия или опускания, являются существенно вертикальными, глубинными, проявление их не сопровождается резким изменением первоначального залегания горных пород.

Для становления современных ландшафтов большое значение имели колебательные движения недавнего геологического прошлого – неогена и четвертичного периода. Они получили название новейших или неотектонических . Размах неотектонических движений очень значителен. В горах Тянь-Шаня, например, их амплитуда достигает 12-15 км и без неотектонических движений на месте этой высокой горной страны существовал бы пенеплен – почти равнина, возникшая на месте разрушенных гор. На равнинах амплитуда неотектонических движений намного меньше, но и здесь многие формы рельефа – возвышенности и низменности, положение водоразделов и речных долин – связаны с неотектоникой.

Новейшая тектоника проявляется и в настоящее время. Скорость современных тектонических движений измеряется миллиметрами, реже первыми сантиметрами (в горах). На Русской равнине максимальные скорости поднятия до 10 мм в год установлены для Донбасса и северо-востока Приднепровской возвышенности, максимальные опускания, до 11,8 мм в год – в Печорской низменности.

Следствиями эпейрогенических движений являются:

1. Перераспределение соотношения между площадями суши и моря (регрессия, трансгрессия).Медленная трансгрессия моря на крутые побережья сопровождается выработкой абразионной (абразия – срезание морем берега) поверхности и ограничивающего ее со стороны суши абразионного уступа.

2. В связи с тем, что колебания земной коры происходят в разных точках либо с разным знаком, либо с разной интенсивностью – меняется сам вид земной поверхности. Чаще всего поднятия или опускания, охватывающие обширные районы, создают на ней крупные волны: при поднятиях – купола огромных размеров, при опусканиях – чаши и огромные депрессии

Складкообразовательные движения – движения земной коры, в результате которых образуются складки, т.е. различной сложности волнообразный изгиб пластов. Отличаются от колебательных (эпейрогенических) рядом существенных признаков: они эпизодичны во времени, в отличие от колебательных, которые никогда не прекращаются; они не повсеместны и каждый раз приурочены к относительно ограниченным участкам земной коры; охватывая очень большие промежутки времени, складкообразовательные движения тем не менее протекают быстрее, чем колебательные, и сопровождаются высокой магматической активностью. В процессах складкообразования движение вещества земной коры всегда идет по двум направлениям: по горизонтальному и по вертикальному, т.е. тангенциально и радиально. Следствием тангенциального движения и является образование складок, надвигов и т.п.

Колебательные и складкообразовательные движения – это две крайние формы единого процесса движения земной коры. Колебательные движения первичны, универсальны, временами, при определенных условиях и на определенных территориях они перерастают в движения орогенические: в поднимающихся участках возникает складчатость.

Наиболее характерным внешним выражением сложных процессов движения земной коры является образование гор, горных хребтов и горных стран.. Эти два случая наиболее характерны и отвечают двум главным типам горных стран: типу складчатых гор (Альпы, Кавказ, Кордильеры, Анды) и типу глыбовых гор (Тянь-Шань, Алтай).

Сейсмические исследования свидетельствуют о том, что при землетрясениях возникают различные сейсмические волны, распространяющиеся в породах Земли с разными скоростями. Наиболее быстрые из них - первичные, или Р-волны, - распространяются подобно звуковым, с колебаниями, совпадающими с направлением распространения (продольные волны). Наиболее медленные сейсмические волны, так называемые S-волны, или вторичные , по характеру колебаний подобны световым. Они имеют колебания, перпендикулярные к направлению распространения. В 1926 г. югославский геолог А. Мохоровичич обнаружил резкое увеличение скоростей Р и S волн на глубине около 50 км. Эту границу раздела стали называть поверхностью Мохоровичича, или, сокращенно, Мохо. литосфера выветривание загрязнение почва

Оболочку твердой литосферы, лежащую выше поверхности Мохо, принято называть земной корой, а лежащую ниже мощную оболочку - мантией. Мощность коры под континентами значительно больше, нежели под океаном.

Земная кора сложена магматическими и осадочными породами, а также метаморфическими породами, образовавшимися за счет тех и других.

Горные породы - это естественные минеральные агрегаты определенного состава и строения, сформировавшиеся в результате геологических процессов и залегающие в земной коре в виде самостоятельных тел. Состав, строение и условия залегания горных пород обусловлены особенностями формирующих их геологических процессов, которые происходят в определенной обстановке внутри земной коры или на земной поверхности. В зависимости от характера главных геологических процессов различают три генетических класса горных пород: осадочные, магматические и метаморфические.

Магматические горные породы - это естественные минеральные агрегаты, возникающие при кристаллизации магм (силикатных, а иногда и несиликатных расплавов) в недрах Земли или на ее поверхности. Классификация магматических пород отражает существование двух главных групп, различающихся по условиям образования и залегания: плутонических (глубинных) и вулканических, сформировавшихся на поверхности Земли или вблизи нее. По содержанию кремнезема магматические породы делятся на кислые (SiО 2 - 70_90%), средние (SiO 2 около 60%), основные (SiO 2 около 50%) и ультраосновные (SiO 2 менее 40%). Примером магматических пород служат вулканическая основная порода и гранит (кислая плутоническая порода).

Осадочные горные породы - это те породы, которые существуют в термодинамических условиях, характерных для поверхностной части земной коры, и образуются в результате переотложения продуктов выветривания и разрушения различных горных пород, химического и механического выпадения осадка из воды, жизнедеятельности организмов или всех трех процессов одновременно. Многие осадочные породы являются важнейшими полезными ископаемыми. Примерами осадочных пород служат песчаники, которые можно рассматривать как скопления кварца и, следовательно, концентраторы кремнезема (SiO 2), и известняки - концентраторы СаО. К минералам наиболее распространенных осадочных пород относятся кварц (SiО 2), ортоклаз (KAlSi 3 O 8) каолинит (Al 4 Si 4 O 10 (OH) 8), кальцит (СаСО 3), доломит СаМg(СО 3) 2 и др.

Ил, пыль и песчаные отложения образуются главным образом за счет выветривания - разрушения и изменения твердой породы. Эти отложения обычно переносятся реками в океаны. В морской воде они погружаются на дно, где в результате физических процессов и химических реакций превращаются в осадочные породы, которые со временем вновь становятся сушей, обычно в процессе образования гор.

Метаморфическими называют породы, основные особенности которых (минеральный состав, структура, текстура) обусловлены процессами метаморфизма, тогда как признаки первичного магматического происхождения частично или полностью утрачены. Метаморфические породы - сланцы, гранулиты, эклогиты и др. Типичные для них минералы - слюда, полевой шпат и гранат соответственно. Породы, испытывающие метаморфизм, преобразуются, стремясь к химическому или физическому равновесию с новыми для них температурными и бароическими условиями. Происходящие при этом химические реакции управляются законами термодинамики. Так, реакции с отрицательными значениями изобарно-изотермического потенциала (G) сопровождаются выделением водяного пара из-за его большой энтропии. Закономерное строение метаморфических комплексов и соответствие в целом состава многих метаморфических пород принципам термодинамики служат подтверждением того, что для метаморфических пород достигается (хотя и не всегда) почти полное химическое равновесие. Для большинства из них типична крупнозернистая структура (исключение составляют сланцы, роговики и др.).

Вещество земной коры сложено в основном легкими элементами (по Fe включительно), а элементы, следующие в Периодической системе за железом, в сумме составляют лишь доли процента. Отмечается также, что элементы, имеющие четное значение атомной массы, значительно преобладают: они образуют 86% общей массы земной коры. Следует отметить, что в метеоритах это отклонение еще выше и составляет в металлических метеоритах 92%, в каменных - 98%.

Средний химический состав земной коры, по данным разных авторов, приведен в таблице 1:

Таблица 1

Химический состав земной коры, мас. %

Элементы и окислы	Кларк, 1924	Гольдшмидт, 1954	Полдерваатр, 1955	Ярошевский. 1971

Ее анализ позволяет сделать следующие важные выводы:

1) земная кора сложена в основном из восьми элементов: О, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, К; 2) на долю остальных 84 элементов приходится менее одного процента массы коры; 3) среди главнейших по распространенности элементов особая роль в земной коре принадлежит кислороду.

Особая роль кислорода состоит в том, что его атомы составляют 47% массы коры и почти 90% объема важнейших породообразующих минералов.

Имеется ряд геохимических классификаций элементов. В настоящее время получает распространение геохимическая классификация, согласно которой все элементы земной коры делятся на пять групп: литофильные, халькофильные, сидерофильныe, атмофильные и биофильные (табл. 2).

Таблица 2

Вариант геохимической классификации элементов

Литофильные - это элементы горных пород. На внешней оболочке их ионов находится 2 или 8 электронов. Литофильные элементы трудно восстанавливаются до элементарного состояния.

Обычно они связаны с кислородом и составляют основную массу силикатов и алюмосиликатов. Встречаются также в виде сульфатов, фосфатов, боратов, карбонатов и галогенидов.

Халькофильные элементы - это элементы сульфидных руд. На внешней оболочке их ионов располагается 8 (S, Se, Те) или 18 (у остальных) электронов.

В природе встречаются в виде сульфидов, селенидов, теллуридов, а также в самородном состоянии (Сu, Hg, Ag, Pb, Zn, As, Sb, Bi, S, Se, Те, Sn).

Сидерофильные элементы - это элементы с достраивающимися электронными d- и f-оболочками. Они обнаруживают специфическое сродство к мышьяку и сере (PtAs 2 , FeAs 2 , NiAs 2 , FeS, NiS, MoS 2 и др.), а также к фосфору, углероду, азоту. Почти все cидерофильные элементы встречаются также и в самородном состоянии.

Атмофильные элементы - это элементы атмосферы. Большинство из них имеет атомы с заполненными электронными оболочками (инертные газы).

К атмофильным относят также азот и водород. Вследствие высоких потенциалов ионизации атмофильные элементы с трудом вступают в соединения с другими элементами и потому в природе находятся (кроме H) главным образом в элементарном (самородном) состоянии.

Биофильные элементы - это элементы, входящие в состав органических компонентов биосферы (C, Н, N, O, P, S). Из этих (в основном) и других элементов образуются сложные молекулы углеводов, белков, жиров и нуклеиновых кислот. Средний химический состав белков, жиров и углеводов приведен в табл. 3.

Таблица 8

Средний химический состав белков, жиров и углеводов, маc. %

В настоящее время в различных организмах установлено более 60 элементов. Элементы и их соединения, требующиеся организмам в сравнительно больших количествах, часто называют макробиогенными элементами. Элементы же и их соединения, которые хотя и необходимы для жизнедеятельности биосистем, но требуются в крайне малых количествах, называют микробиогенными элементами. Для растений, например, важны 10 микроэлементов: Fe, Mn, Cu, Zn, B, Si, Mo, Cl, W, Co. По функциям эти элементы можно разделить на три группы:

1. Mn, Fe, Cl, Zn, V - необходимы для фотосинтеза;
2. Mo, B, Fe - необходимы для азотного обмена;
3. Mn, B, Co, Cu, Si - необходимы для других метаболических функций.

Все эти элементы, кроме бора, требуются и животным. Кроме того, животным могут требоваться селен, хром, никель, фтор, йод, олово. Между макро- и микроэлементами нельзя провести четкую и одинаковую для всех групп организмов границу. В.И.Вернадский показал, что элементы, постоянно присутствующие в живых организмах, выполняют вполне определенные жизненные функции. Содержание же их в организмах зависит от химизма среды обитания, биологической специфики, экологических особенностей организма и др.

Важным компонентом литосферы являются подземные воды, они вносят существенный вклад в общий водный баланс биосферы в целом. Не случайно подземные воды относят еще и к гидросфере, называя их «подземной гидросферой». Поскольку речь идет о подземных водах, то естественно, что их присутствие, свойства, распределение во многом определяются свойствами пород, такими, как пористость, водопроницаемость, влагоемкость, водоносность. Формально все породы по отношению к воде можно разделить на водопроницаемые и водоупорные. Однако в геологическом масштабе пространства и времени водоупорных пород в природе не существует. Даже такие жесткие породы, как базальт и гранит, дают микротрещины уже при ничтожных подвижках сейсмического порядка.

Вода в породах может находиться в свободном и связанном состоянии. В свободном состоянии в пространстве между частицами пород она подчиняется силам земного притяжения (гравитации) либо частично удерживается в капиллярах пород менисковыми силами. Образно это можно сравнить с водой, пропитывающей губку.

В связанном состоянии вода в породах может быть либо в пленочном, либо в адсорбированном виде, удерживаясь между зернами пород адсорбционными силами. Говоря о связанной воде, следует иметь в виду две формы ее связи: физически связанную и химически связанную. Химически связанная вода - это так называемая кристаллизационная вода. Она прочно связана с кристаллами минералов химическими силами и входит в состав минерала. Примером может служить медный купорос CuSO 4 *5H 2 O. Физически связанная вода, в свою очередь, может быть как прочносвязанной с породами, так и рыхлосвязанной.

Прочносвязанная вода удерживается физическими законами - громадными давлениями в недрах. Рыхлосвязанная вода обволакивает частицы породы. Она обладает повышенной вязкостью, может очень медленно передвигаться по поверхности частиц породы, как жидкость. На эту воду не оказывает влияния гравитация, и замерзает она не при нуле, а при минус 1,5°С. Количество физически и химически связанных вод в составе минерала может быть подчас весьма значительным, достигая 60 - 65 вес.%.

Важными характеристиками, связанными с отношением пород к воде, являются влагоемкость и водоотдача.

Влагоемкостью называют способность горных пород вмещать и удерживать определенное количество воды. Высокой влагоемкостью обладают глины, средней - мелкие пески, слабой - галечники. Влагоемкость зависит от размера частиц: чем меньше их размер, тем больше влагоемкость.

Водоотдача - это отношение количества воды, которое может отдать порода, к общему содержанию воды в ней. Здесь зависимость обратная: процент водоотдачи тем больше, чем крупнее частицы породы. Вода, заполняющая поры, трещины и пустоты пород, может находиться в них во всех трех фазах - твердой, жидкой и газообразной, из которых первая наиболее характерна для зон вечной мерзлоты. В парообразном отношении подземная вода может конденсироваться до жидкости и переходить из жидкости в пар. Она передвигается из областей с повышенными давлением и температурой в области с более низкими их значениями.

Передвижение гравитационных подземных вод происходит главным образом тремя путями: флюацией, диффузией и фильтрацией.

Флюацией называется «вливание» воды в какую-либо емкость в породах. Например, в известняках в результате выщелачивания в земной поверхности образуются воронки, которые продолжаются вглубь многочисленной системой трубок, каналов, каверн и пустот, иногда даже пещер. Стекающая с поверхности дождевая и талая вода через эти воронки будет проникать в породы. Флюация происходит преимущественно под влиянием силы тяжести.

Диффузия сводится к перемещению подземных водных растворов с мест с большей концентрацией в места с меньшей. Скорость этого процесса, хотя и невелика, но все же реально ощутима в геологическом масштабе времени. Сюда же следует отнести и осмос - медленное проникновение одной жидкости в другую через полупроницаемые перегородки.

Фильтрация - это просачивание воды по мелким порам породы. Именно таким образом дождевая вода проникает в песок. Фильтрация протекает под влиянием гравитации, а также может происходить в сторону снижения давления и температуры. Под влиянием давления пород и газов она может протекать и снизу вверх. Что касается скорости фильтрации, то она значительно выше скорости диффузии и зависит от многих факторов (пористости пород, вязкости водного раствора, градиента давления и т. д.).

Химический состав подземных вод

Подземные воды представляют собой природные растворы различных минеральных солей и некоторых органических соединений. Интегрированным показателем содержания минеральных веществ служит общая минерализация вод -- сумма растворимых веществ, выраженная в миллиграммах на литр (мг/л) или граммах на литр (г/л). Среди растворенных веществ преобладают соли распространенных кислот натрия, кальция, магния. Эти соли определяют главные показатели химизма вод: жесткость, соленость и щелочность.

Жесткость вод определяется главным образом присутствием бикарбонатов кальция СаНСО 3 , сульфатов и хлоридов. Мягкие воды содержат до 0,25 г/л солей, жесткие воды -- более 0,25 г/л.

Соленость вод связана с содержанием сульфатов и хлоридов кальция, магния, натрия -- CaSO 4 , MgSO 4 , Na 2 SO 4 , CaCl 2 , MgCl 2 , NaCl. Щелочность вод зависит главным образом от бикарбоната натрия NaHCCX, а иногда даже Na,CO. -- соды. В химической класси-фикации подземных вод типы выделяются по преобладающим катионам, которые затем делятся на классы по содержанию катионов.

Химический состав и температура пластовых подземных вод закономерно меняются по мере возрастания глубины их залегания.

Пресные воды содержат солей менее 0,5 г/л, соленые от 1 до 3 г/л, рассолы -- более 50 г/л.

Особую группу подземных вод составляют так называемые минеральные воды. Они имеют различную минерализацию, но их главное свойство -- целебное действие. Среди них наиболее распространены бикарбонатно-кальциево-натриевые с большим количеством растворенного углекислого газа (нарзаны Минеральных Вод и Закавказья), сероводородные воды (источники Мацесты), воды со специфическими растворимыми органическими соединениями (источники Предкарпатья -- Трускавец и др.). Все эти воды различаются температурной характеристикой и бывают холодные с температурой около и ниже 20°С, теплые -- от 20 до 37°С, горячие -- от 37 до 42°С и очень горячие -- выше 42°С.

Контрольные вопросы

1. Виды сейсмических волн.
2. Различие земной коры и мантии. Где граница?
3. Что такое горные породы?
4. Чем отличаются кислые, средние, основные магматические породы?
5. Анализ элементов земной коры. Геохимические классификации элементов.
6. В результате каких процессов образуются осадочные горные породы?
7. В чем разница между прочносвязанной и рыхлосвязанной водой?
8. От чего зависит влагоемкость и влагоотдача?

Одной из важных тем при изучении географии считается состав и строение литосферы, которая оказывает значительно влияние на жизнь людей.

Понятие литосферы

Самой верхней и твердой оболочкой, состоящей из близких по составу к гранитам пород, является литосфера. Точно толщина литосферы еще не определена, многие считают, что толщина составляет 60-30 км, многие, что она равна 90-100 км.

К литосфере имеет определенное отношение и земная кора, особенно к верхней и твердой ее части. Зачастую к литосфере также относят рудную, базальтовую и гранитную оболочки - более мощные слои, их толщина может составлять около 1200 км.

Состав литосферы: химические элементы

Исследовать литосферу можно только в области суши, благодаря этому географы изучают состав и строение земной коры. На данный момент, есть возможность исследовать области, которые относятся к поверхности земной коры вплоть до больших глубин. Это происходит за счет естественных обнажений, который можно найти по берегам морей, рек и сильно разрушенных гор.

Поэтому состав и строение земной коры известен приблизительно до глубины 16 км. А о тех слоях, которые находятся намного глубже, мы можем лишь догадываться. Специальные гравиметрические исследования и изучение сейсмических явлений позволяет нам строить догадки по этому поводу.

Земная кора в основном состоит из пород магматического происхождения - это около 90 %. Граниты пользуются наибольшим распространением, именно из них сложена верхняя и твердая часть земной коры. Но химический состав гранитов существенно отличается от магматических пород, являющихся результатами современных извержений.

Первая группа пород носит название сиалических - в них содержится большое количество кремния и алюминия. Для второй группы характерно содержание большого количества магния - это симатические породы. Породы из первой группы имеют меньший удельный вес.

Благодаря многочисленным исследованиям, стало понято, что поверхностная часть литосферы - та часть, которая доступна для изучения людям, главным образом состоит из сиалических пород. А те слои, которые находятся намного глубже - это породы симатические.

Следует помнить, что большая часть поверхности литосферы скрыта от человеческих глаз океанами и морями. Поэтому состав и строение литосферы относится лишь к тем участкам, которые находятся на суше.

Также породы, из которых состоит литосфера можно разделить на три основные группы. Породы, которые произошли от расплавленных магматических масс, относят к первой группе. Это - базальт, диорит и гранит, их общее название - магматические породы .

Вторая группа состоит из осадочных пород , которые образовались путем осаждения материалов из воды и воздуха. К ним относятся песчаник, известняк и глинистый сланец. Третья группа - это породы, испытавшие сильные изменения под влиянием высокой температуры и давления. Их называют метаморфическими , в состав входит мрамор, гнейс и графит. Такие изменения также могли испытать и магматические, и осадочные породы.

Литосфера – наружная твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии. Литосфера включает осадочные, изверженные и метаморфические породы.

Нижняя граница литосферы нечеткая и определяется по уменьшению вязкости среды, скорости сейсмических волн и повышению теплопроводности. Литосфера охватывает земную кору и верхнюю часть мантии толщиной несколько десятков километров до астеносферы, в которой изменяется пластичность пород. Основные способы определения границы между верхней границей литосферы и астеносферой – магнитотеллурический и сейсмологический.

Толщина литосферы под океанами составляет от 5 до 100 км (максимальное значение на периферии океанов, минимальное – под Срединно-океаническими хребтами), под материками – 25-200 км (максимум – под древними платформами, минимум – под сравнительно молодыми горными массивами, вулканическими дугами). Строение литосферы под океанами и континентами имеет существенные различия. Под материками в структуре земной коры литосферы различают осадочный, гранитный и базальтовый слои, толщина которых в целом достигает 80 км. Под океанами земная кора неоднократно подвергалась процессам частичного плавления в ходе формирования океанической коры. Поэтому она обеднена легкоплавкими редкими соединениями, лишена гранитного слоя, а толщина ее значительно меньше, чем континентальной части земной коры. Толщина астеносферы (слоя размягченных, тестообразных горных пород) составляет около 100-150 км.

Образование атмосферы, гидросферы и земной коры

Образование произошло в ходе высвобождения веществ из верхнего слоя мантии молодой Земли. В настоящее время на океаническом дне в срединных хребтах продолжается процесс образования земной коры, что сопровождается выделением газов и небольших объемов воды. В составе современной земной коры в большой концентрации присутствует кислород, далее по процентному содержанию следуют кремний и алюминий. В основном, литосферу формируют такие соединения, как диоксид кремния, силикаты, алюмосиликаты. В формировании большей части литосферы принимали участие кристаллические вещества магматического происхождения. Они образовались при остывании вышедшей на поверхность Земли магмы, которая в недрах планеты находится в расплавленном состоянии.

В холодных областях мощности литосферы наибольшие, а в теплых – наименьшие. Мощность литосферы может повышаться при общем понижении плотности теплового потока. Верхний слой литосферы упругий, а нижний пластичный по характеру реакции на постоянно воздействующие нагрузки. В тектонически активных участках литосферы выделяют горизонты сниженной вязкости, где сейсмические волны проходят с более низкой скоростью. По мнению ученых, по данным горизонтам одни слои по отношению к другим «проскальзывают». Этот феномен называют расслоением литосферы. В структуре литосферы различают подвижные участки (складчатые пояса) и сравнительно стабильные области (платформы). По относительно пластичной астеносфере передвигаются блоки литосферы (литосферные плиты), достигающие в поперечнике размеров от 1 до 10 тысяч километров. В настоящее время литосфера делится на семь главных и ряд малых плит. Границами, отделяющими плиты друг от друга, являются зоны максимальной вулканической и сейсмической активности.

Земля состоит из множества химических элементов - кислорода, азота, кремния, железа и т. д. Соединяясь между собой, химические элементы образуют минералы. Всего в природе насчитывается около 2650 минералов, которые образуют 3780 минеральных разновидностей (табл. 4). Для их определения и изучения большое значение имеют физические свойства, к которым относят облик кристаллов, блеск, цвет минерала, цвет черты минерала, прозрачность, твердость, спайность, излом и удельный вес.

Таблица 4

Кристаллохимические кларки (средние содержания) распределения минералов в природе

Классификационная группа минерала	Процент минералов данной группы	Основные составы минералов	С приближенным учетом химических разновидностей минералов
1. Самородные
2. Сульфиды
3. Хроматы (хромшпинелиды)
4. Вольфраматы и молибдаты

6. Силикаты
7. Фосфаты
8. Нитраты
9. Сульфаты
10. Галогениды
11. Йодаты
12. Бораты
13. Карбонаты
14. Органические соединения

По облику выделяют кристаллы с изометричными формами, вытянутыми в одном или в двух направлениях.

Блеск минералов подразделяют на стеклянный, алмазный, полуме-таллический, металлический, жирный, восковой, матовый. У минера-

лов с параллельно-волокнистым строением наблюдается шелковистый отлив (асбест, селенит, тигровый глаз), прозрачных минералов со слоистой кристаллической структурой - перламутровый отлив (мусковит, гипс, тальк и др.).

Цвет минералов - один из важнейших признаков, по которым диагностируют минералы. Под термином «цвет черты» подразумевается цвет тонкого порошка минерала, если проводить им по матовой поверхности фарфоровой пластины.

Прозрачность - свойство вещества пропускать через себя свет. По нему различают прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные минералы.

Для оценки твердости принята шкала Мооса, представленная десятью минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие: тальк - гипс - кальцит - флюорит -апатит - ортоклаз - кварц - топаз - корунд - алмаз.

Спайностью называется способность кристаллов раскалываться или расщепляться по определенным кристаллографическим плоскостям, параллельным действительным или возможным граням. Здесь принята пятиступенчатая шкала спайности: весьма совершенная, совершенная, средняя, несовершенная, весьма несовершенная, переходящая в раковистый излом, как у толстого стекла.

Удельный вес минералов изменяется от небольших значений (2,1- 2,5 т/м 3 у галита) до очень высоких (23 т/м 3 у осмистого иридия).

Например, у кварца (8102) форма кристаллов призматическая, блеск стеклянный, спайность отсутствует, излом раковистый, твердость 7 баллов, удельный вес 2,65 г/см 3 , из-за высокой твердости черты не имеет; у галита (№С1) форма кристалла кубическая, твердость 2 балла, удельный вес 2,1 г/см 3 , блеск стеклянный, цвет белый, цвет черты также белый, спайность совершенная, вкус соленый и т. д.

Большинство минералов имеют кристаллическое строение. Форма кристалла для данного минерала всегда постоянна. Например, кристаллы кварца имеют форму призмы, галита - форму куба и т. д. Размеры минералов колеблются от микроскопических до гигантских. Так, на острове Мадагаскар найден кристалл берилла длиной 8 м и в поперечном сечении 3 м. Вес его составляет почти 400 т.

Объемное разделение минералов Земли. Минералы по происхождению подразделяют на магматические, осадочные, метаморфические, метасоматические, контактово-пневматолитовые и пневматолитовые, гидротермальные, экзогенного выветривания, органогенного происхождения. Распределение породообразующих минералов в земной коре соответствует соотношению основных групп горных пород (табл. 5). В земной коре наиболее распространены порядка 40-50 минералов, которые называются породообразующими.

Существуют различные классификации минералов: по происхождению, форме кристаллов и т. д. Но наибольшее значение для исполь-

зования минералов в промышленных целях имеет их химическая классификация. Большая часть минералов состоит из двух или нескольких химических элементов. Некоторые минералы образованы одним химическим элементом. О содержании химических элементов в минерале можно узнать по его химической формуле.

Таблица 5

Распределение породообразующих минералов в земной коре