Химический состав земной коры таблица. Внутреннее строение земли. Литосферные плиты и дрейф континентов

Кафедра экологии и природопользования

Контрольная работа вариант № 1

Геоморфология с основами геологии

Студента заочного факультета, специальности

"Прикладная геодезия"

Курс 3 СПГ

Леонова Александра Владимировича

Химический состав Земной Коры.

Процессы выветривания.

Пликтивные дислокации (складки, их элементы, типы складок в разрезе и плане. Элементы залегания слоя).

Происхождение минералов.

Классификация магматических горных пород.

Построение инженерно- геологического профиля.

Химический состав Земной Коры.

Химические изменения в земной коре определяются преимущественно геохимической историей главных породообразующих элементов, содержание которых составляет свыше 1%. Вычисления среднего химического состава земной коры проводились многими исследователями как за рубежом (Ф. Кларк, Г. С. Вашингтон, В. М. Гольдшмидт, Ф.Тейлор, В. Мейсон и др.), так и в Советском Союзе (В.И.Вернадский, А. Е. Ферсман, А. П. Виноградов, А. А. Ярошевский и др.)

Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды. К настоящему времени хорошо изучено много выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов.

На основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных, рядом исследователей дается современная оценка валового элементарного состава Земли, представленная в таблице.

Химический состав земной коры (вес, %)

Элементы	По А.П.Bиноградову	По В. Мейсону	По А.А.Ярошевскому

Повышенное распространение относится к четырем важнейшим элементам - О, Fe, Si, Mg, составляющим свыше 91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Ca, A1. Остальные элементы периодической системы Менделеева в глобальных масштабах по общему распространению имеют второстепенное значение.

Процессы выветривания.

Под выветриванием понимается совокупность физических, химических и биохимических процессов преобразования горных пород и слагающих их минералов в приповерхностной части земной коры. Это преобразование зависит от многих факторов: колебаний температуры; химического воздействия воды и газов - углекислоты и кислорода (находящихся в атмосфере и в растворенном состоянии в воде); воздействия органических веществ, образующихся при жизни растений и животных и при их отмирании и разложении. Процессы выветривания тесно связаны с взаимодействием приповерхностной части земной коры с атмосферой, гидросферой и биосферой. Именно граничная область разных фаз обладает высокой реактивной способностью. Часть земной коры, в которой происходит преобразование минерального вещества, называется зоной выветривания или зоной гипергенеза (от греч. "гипер" - над, сверху). Процесс гипергенеза, или выветривания, очень сложен и зависит от климата, рельефа, того или иного органического мира и времени. Разнообразные сочетания перечисленных факторов обусловливают сложность и многообразие хода выветривания. Особенно велика роль климата, являющегося одной из главных причин и движущих сил процессов выветривания. Из всей совокупности климатических элементов наибольшее значение имеют тепло (приходно-расходный баланс лучистой энергии и др.) и степень увлажнения (водный режим). В зависимости от преобладания тех или иных факторов в едином и сложном процессе выветривания условно выделяются два взаимосвязанных типа: 1) физическое выветривание и с химическое выветривание.

1) ФИЗИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ

В этом типе наибольшее значение имеет температурное выветривание, которое связано с суточными и сезонными колебаниями температуры, что вызывает то нагревание, то охлаждение поверхностной части горных пород.

Интенсивное физическое (механическое) выветривание происходит в районах с суровыми климатическими условиями (в полярных и субполярных странах) с наличием многолетней мерзлоты, обусловливаемой ее избыточным поверхностным увлажнением. В этих условиях выветривание связано главным образом с расклинивающим действием замерзающей воды в трещинах и с другими физико-механическими процессами, связанными с льдообразованием. Температурные колебания поверхностных горизонтов горных пород, особенно сильное переохлаждение, зимой, приводят к объемно-градиентному напряжению и образованию морозобойных трещин, которые в дальнейшем разрабатываются замерзающей в них водой.

1) ХИМИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ

Одновременно с физическим выветриванием в областях с промывным типом режима увлажнения происходят и процессы химического изменения с образованием новых минералов. При механической дезинтеграции плотных горных пород образуются макротрещины, что способствует проникновению в них воды и газа и, кроме того, увеличивает реакционную поверхность выветривающихся пород. Это создает условия для активизации химических и биогеохимических реакций. Проникновение воды или степень увлажненности не только определяют преобразование горных пород, но и обусловливают миграцию наиболее подвижных химических компонентов. Это находит особенно яркое отражение во влажных тропических зонах, где сочетаются высокая увлажненность, высокотермические условия и богатая лесная растительность. Последняя обладает огромной биомассой и значительным спадом. Эта масса отмирающего органического вещества преобразуется, перерабатывается микроорганизмами, в результате в большом количестве возникают агрессивные органические кислоты (растворы). Высокая концентрация ионов водорода в кислых растворах способствует наиболее интенсивному химическому преобразованию горных пород, извлечению из кристаллических решеток минералов катионов и вовлечению их в миграцию.

Пликтивные дислокации (складки, их элементы, типы

складок в разрезе и плане. Элементы залегания слоя).

Пликативные дислокации (складчатые нарушения) - это дислокации, которые происходят без разрыва сплошности пластов горных пород.Среди них различают следующие основные виды тектонических нарушений: моноклинали, флексуры и складки.

Основной формой пликативных дислокаций являются складки – волнообразные изгибы слоев (пластов) горных пород разнообразной формы и величины. Различают антиклинальные и синклинальные складки, которые в большинстве случаев бывают сопряженными. Антиклинальная складка (антиклиналь, рис.1) характеризуется тем, что перегиб слоев выпуклостью обращен к верху. В центральной части антиклиналей расположены наиболее древние слои, вокруг них по мере удаления от ядра - более молодые. Синклинальная складка (синклиналь, рис.2) выпуклой частью обращена к низу. В синклинальных складчатых образованиях (синклиналях), наоборот, центральная часть сложена более молодыми слоями, чем их периферия.

Рис.1 Рис.2

В каждой складке выделяют следующие элементы: замок, или ядро, - часть складки в месте перегиба слоев, которая называется сводом у антиклинали и мульдой - у синклинали; крыло – периферийная часть или склон складки (у смежной антиклинальной и синклинальной складок одно крыло общее); шарнир - линия, соединяющая точки перегиба слоя; осевая поверхность – плоскость, проходящая через шарниры всех слоев складки на равном удалении от их крыльев; ось складки – линия пересечения осевой поверхности с поверхностью рельефа; угол складки – угол образующийся при пересечении поверхностей одного слоя разных крыльев складки; высота складки – расстояние между наиболее высокой точкой антиклинали и наиболее низкой точкой смежной синклинали.

Происхождение минералов.

Минералами называются природные химические соединения или отдельные химические элементы, возникшие в результате физико-химических процессов, происходящих в Земле. В земной коре минералы находятся преимущественно в кристаллическом состоянии, и лишь незначительная часть - в аморфном.

Формы нахождения минералов в природе разнообразны и зависят главным образом от условий образования. Это либо отдельные кристаллы или их закономерные сростки (двойники), либо четко обособленные минеральные скопления, либо, чаще, скопления минеральных зерен - минеральные агрегаты.

Большинство минералов кристаллизуется из некоторых видов растворов. Они образуются в результате:

- остывания магмы или аналогичного ей вещества на земной поверхности называемой лавой;

- выделения из глубинных растворов, содержащих горячую воду или горячие газы, в том числе водяной пар, как в случае многих минеральных жил руд металлов;

- конденсации горячих паров при образовании минералов типа сублимационной серы вблизи жерл вулканов;

- химических реакций с уже существующими минералами, как например, при гидротермальном преобразовании полевого шпата в слюду или при окислении железосодержащих минералов в зоне химического выветривания у поверхности Земли;

- замещения одного, более раннего минерала другим

- перекристаллизации ранее существовавших минералов с образованием новых соединений под влиянием изменившихся условий температуры и давления;

- выпаривание водных растворов.

Классификация магматических горных пород

Магматические породы классифицируются с учетом их структуры и минерального состава. Их разнообразие обусловлено первичным различием магм, происходящими в них реакциями, ассимиляцией окружающих пород, смешиванием магм, а также деффиренциацией(при фракционной кристаллизации, осаждении кристаллов, фильтрующем выжимании, гравитационном разделении в жидком состоянии, отделении несмешивающихся фракций, и стечении газа).

Наиболее распространенные магматические породы. Нормальный ряд. Ультраосновные породы (гипербазиты, или ультра-мафиты) в строении земной коры играют незначительную роль, причем особенно редки эффузивные аналоги этой группы (пикриты и пикритовые порфириты). Все ультраосновные породы обладают большой плотностью (3,0-3,4), обусловленной их минеральным составом (см. выше).

Дуниты - глубинные породы, обладающие полнокристаллической обычно мелко- и среднезернистой структурой. Состоят на 85- 100% из оливина, который обусловливает их темно-серую, желто-зеленую и зеленую окраску. В результате вторичных изменений оливин часто переходит в серпентин и магнетит, что придает породам темно-зеленый и черный цвет. В этом случае зернистая структура становится практически невидимой. Для выветрелой поверхности характерна вторичная бурая корка гидроокислов железа.

Перидотиты - наиболее распространенные из ультраосновных глубинных пород. Обладают полнокристаллической средне- или мелкозернистой, порфировидной и скрытокристаллической структурой. Состоят из оливина (70-50%) и пироксенов. Темно-зеленые или черные, что обусловливается цветом оливина или вторичного серпентина. На этом фоне выделяются более крупные вкрапленники пироксенов, хорошо заметные по стеклянному блеску на плоскостях спайности.

Пироксениты - глубинные породы, обладающие полнокристаллической, крупно- или среднезернистой структурой. Состоят главным образом из пироксенов, придающих породам зеленовато-черный и черный цвет; в меньшем количестве (до 10-20%) присутствует оливин. По содержанию окиси кремния пироксениты относятся к основным и даже средним породам, но отсутствие полевых шпатов позволяет относить их к ультраосновным.

Ультраосновные породы слагают массивы разных размеров, образуя согласные тела и секущие жилы. С ними связаны месторождения многих ценных минералов и руд, таких, как платина, хром, титан и др.

Главными породообразующими минералами основных пород являются пироксены и основные плагиоклазы. Могут присутствовать оливин и роговая обманка. В качестве второстепенных с ними связан также ряд рудных минералов, таких, как магнетит, титаномагнетит и др. Большое количество цветных минералов придает породам темную окраску, на фоне которой выделяются светлые вкрапленники плагиоклазов. Основные породы широко распространены в земной коре, особенно их эффузивные разновидности (базальты).

Габбро - глубинные породы с полнокристаллической средне- и крупнозернистой структурой. Из цветных наиболее типичными минералами являются пироксены (до 35-50%), реже встречаются роговая обманка и оливин. Светлые минералы представлены основными плагиоклазами. Разновидность габбро, состоящая почти целиком из плагиоклазов, называется анортозитом. Если этим плагиоклазом является Лабрадор, порода называется лабрадоритом. Эффузивными аналогами габбро являются базальты (долериты).

Базальты - черные или темно-серые породы, обладающие афанитовой или порфировой структурой. На стекловатом фоне основной массы выделяются очень мелкие порфировые вкрапленники плагиоклазов, пироксенов, иногда оливина. Текстура массивная, часто пористая. Долериты - излившиеся породы того же состава, но с мелкозернистой полнокристаллической структурой. Базальты залегают в виде потоков и покровов, нередко достигающих значительной мощности и покрывающих большие пространства как на континентах, так и на дне океанов.

Средние породы характеризуются большим содержанием светлых минералов, чем цветных, из которых наиболее типична роговая обманка. Такое соотношение минералов определяет общую светлую окраску породы, на фоне которой выделяются темноокрашенные минералы.

Диориты - глубинные породы, обладающие полнокристаллической структурой. Светлые минералы, составляющие около 65-70%, представлены главным образом средним плагиоклазом, придающим породам светло-серую или зеленовато-серую окраску. Из темноцветных чаще всего присутствует роговая обманка, реже пироксены. В небольших количествах могут встречаться кварц, ортоклаз, биотит, однако при макроскопическом изучении они практически не могут быть обнаружены. Если количество кварца достигает 5-15%, породы называются кварцевыми диоритами. Диориты и кварцевые диориты встречаются в массивах гранитов и габбро, а также образуют небольшие отдельные тела типа жил, штоков, лакколитов.

Излившимися аналогами диоритов являются андезиты, обладающие обычно порфировой структурой. Основная скрытокристаллическая или очень мелкокристаллическая масса, содержащая стекло, имеет светло-серый или светло-бурый цвет. На ее фоне выделяются блестящие светло-серые вкрапленники плагиоклазов и черные - роговой обманки и пироксенов. Текстура массивная, часто пористая.

Для всех кислых пород характерно наличие кварца. Кроме того, в значительных количествах присутствуют полевые шпаты - калиевые и кислые плагиоклазы. Из цветных характерны биотит и роговая обманка, реже пироксены. В этой группе наиболее широко развиты интрузивные породы.

Граниты - глубинные породы, обладающие полнокристаллической, обычно среднезернистой, реже крупно- и мелкозернистой структурой. Породообразующие минералы-кварц (около 25-35%), калиевые полевые шпаты (35-40%) и кислые плагиоклазы (около 20-25%), из цветных - биотит, в некоторых разностях частично замещающийся мусковитом, реже роговая обманка, еще реже пироксены. Если содержание кварца в породе не превышает 15-25%, а из полевых шпатов преобладают плагиоклазы и увеличивается количество темноцветных, порода называется гранодиоритом. Граниты - самая распространенная интрузивная порода. Они слагают огромные тела на щитах и в складчатых областях, а также мелкие секущие интрузии.

Излившимися аналогами гранитов являются липариты (риолиты), аналогами гранодиоритов - дациты.

Липариты имеют порфировую структуру - в светлой, часто белой, обычно стекловатой, реже афанитовой основной массе вкраплены редкие мелкие кристаллические зерна калиевых полевых шпатов (обычно санидина) и еще более редкие плагиоклазов и кварца, очень редко темноцветных. В дацитах во вкрапленниках преобладают кислые плагиоклазы, однако, макроскопически это не определяется.

Кислые породы со стекловатой структурой, представляющие однородную аморфную массу серой, до черной, иногда буро-красной окраски, в зависимости от содержания воды называются обсидианами (при содержании воды до 1%) и пехштейнами (при большем количестве воды, около 6-10%). Первые имеют стеклянный блеск и раковистый излом, у вторых блеск смоляной. Если стекловатая порода имеет пористую текстуру, она называется пемзой, обладающей очень низкой плотностью (плавает на воде).

Земной коры , гидросферы и атмосферы исследовал миграцию химических элементов в литосфере и роль... и 10 км под дном океана. Химический состав земной коры в основном представлен восемью элементами (кислород...

Земная кора в научном понимании представляет собой самую верхнюю и твердую геологическую часть оболочки нашей планеты.

Научные исследования позволяют изучить ее досконально. Этому способствуют многократные бурения скважин как на континентах, так и на океанском дне. Строение земли и земной коры на различных участках планеты отличаются и и по составу, и по характеристикам. Верхней границей земной коры является видимый рельеф, а нижней - зона разделения двух сред, которая также известна как поверхность Мохоровичича. Часто ее называют просто "граница М". Это наименование она получила благодаря хорватскому сейсмологу Мохоровичичу А. Он долгие годы наблюдал за скоростью сейсмических движений в зависимости от уровня глубины. В 1909 году он установил наличие разницы между земной корой и раскаленной мантией Земли. Граница М пролегает на том уровне, где скорость сейсмических волн повышается с 7.4 до 8.0 км/с.

Химический состав Земли

Изучая оболочки нашей планеты, ученые делали интересные и даже потрясающие выводы. Особенности строения земной коры делают ее схожей с такими же участками на Марсе и Венере. Более чем 90 % составляющих элементов ее представлены кислородом, кремнием, железом, алюминием, кальцием, калием, магнием, натрием. Сочетаясь между собой в различных комбинациях, они образуют однородные физические тела - минералы. Они могут войти в состав горных пород в разных концентрациях. Строение земной коры весьма неоднородно. Так, горные породы в обобщенном виде представляют собой агрегаты более-менее постоянного химического состава. Это самостоятельные геологические тела. Под ними понимается четко очерченная область земной коры, имеющая в своих границах одинаковое происхождение, возраст.

Горные породы по группам

1. Магматические. Название говорит само за себя. Они возникают из остывшей магмы, вытекающей из жерла древних вулканов. Строение этих пород напрямую зависит от скорости застывания лавы. Чем она больше, тем меньше кристаллы вещества. Гранит, например, сформировался в толще земной коры, а базальт появился в результате постепенного излияния магмы на ее поверхность. Многообразие таких пород довольно велико. Рассматривая строение земной коры, мы видим, что она состоит из магматических минералов на 60 %.

2. Осадочные. Это породы, которые стали результатом постепенного отложения на суше и дне океана обломков тех или иных минералов. Это могут быть как рыхлые компоненты (песок, галька), сцементированные (песчаник), остатки микроорганизмов (каменный уголь, известняк), продукты химических реакций (калийная соль). Они составляют до 75 % всей земной коры на материках.
По физиологическому способу образования осадочные породы делятся на:

Обломочные. Это остатки различных горных пород. Они разрушались под воздействием природных факторов (землетрясение, тайфун, цунами). К ним можно отнести песок, гальку, гравий, щебень, глину.
Химические. Они постепенно образуются из водных растворов тех или иных минеральных веществ (соли).
Органические или биогенные. Состоят из останков животных или растений. Это горючие сланцы, газ, нефть, уголь, известняк, фосфориты, мел.

3. Метаморфические породы. В них могут превращаться другие компоненты. Это происходит под воздействием изменяющейся температуры, большого давления, растворов или газов. Например, из известняка можно получить мрамор, из гранита - гнейс, из песка - кварцит.

Минералы и горные породы, которые человечество активно использует в своей жизнедеятельности, называются полезными ископаемыми. Что они собой представляют?

Это природные минеральные образования, которые влияют на строение земли и земной коры. Они могут использоваться в сельском хозяйстве и промышленности как в естественном виде, так и подвергаясь переработке.

Виды полезных минералов. Их классификация

В зависимости от физического состояния и агрегации, полезные ископаемые можно разделить на категории:

Твердые (руда, мрамор, уголь).
Жидкие (минеральная вода, нефть).
Газообразные (метан).

Характеристики отдельных видов полезных ископаемых

По составу и особенностям применения различают:

Горючие (уголь, нефть, газ).
Рудные. Они включают радиоактивные (радий, уран) и благородные металлы (серебро, золото, платина). Есть руды черных (железо, марганец, хром) и цветных металлов (медь, олово, цинк, алюминий).
Нерудные полезные ископаемые играют существенную роль в таком понятии, как строение земной коры. География их обширна. Это неметаллические и негорючие горные породы. Это строительные материалы (песок, гравий, глина) и химические вещества (сера, фосфаты, калийные соли). Отдельный раздел посвящен драгоценным и поделочным камням.

Распределение полезных ископаемых по нашей планете напрямую зависит от внешних факторов и геологических закономерностей.

Так, топливные полезные ископаемые в первую очередь добываются в нефтегазоносных и угольных бассейнах. Они имеют осадочное происхождение и формируются на осадочных чехлах платформ. Нефть и уголь крайне редко залегают вместе.

Рудные полезные ископаемые чаще всего соответствуют фундаменту, выступам и складчатым областям платформенных плит. В таких местах они могут создавать огромные по протяженности пояса.

Ядро

Земная оболочка, как известно, многослойна. Ядро располагается в самом центре, а его радиус приблизительно равен 3 500 км. Его температура гораздо выше, чем у Солнца и составляет около 10000 К. Точных данных о химическом составе ядра не получено, но предположительно оно состоит из никеля и железа.

Внешнее ядро находится в расплавленном состоянии и имеет еще большую мощность, чем внутреннее. Последнее подвергается колоссальному давлению. Вещества, из которых оно состоит, находятся в постоянном твердом состоянии.

Мантия

Геосфера Земли окружает ядро и составляет около 83 процентов от всей оболочки нашей планеты. Нижняя граница мантии находится на огромной глубине почти 3000 км. Данную оболочку принято условно разделять на менее пластичную и плотную верхнюю часть (именно из нее образуется магма) и на нижнюю кристаллическую, ширина которой составляет 2000 километров.

Состав и строение земной коры

Для того чтобы говорить о том, какие элементы входят в состав литосферы, нужно дать некоторые понятия.

Земная кора - это самая внешняя оболочка литосферы. Ее плотность меньше в два раза по сравнению со средней плотностью планеты.

От мантии земная кора отделена границей М, о которой уже говорилось выше. Так как процессы, происходящие на обоих участках, взаимно влияют друг на друга, их симбиоз принято называть литосферой. Это означает "каменная оболочка". Ее мощность колеблется в пределах 50-200 километров.

Ниже литосферы расположена астеносфера, которая обладает менее плотной и вязкой консистенцией. Ее температура составляет около 1200 градусов. Уникальной особенностью астеносферы является возможность нарушать свои границы и проникать в литосферу. Она является источником вулканизма. Здесь находятся расплавленные очаги магмы, которая внедряется в земную кору и изливается на поверхность. Изучая эти процессы, ученые смогли сделать много удивительных открытий. Именно так изучалось строение земной коры. Литосфера была сформирована много тысяч лет назад, но и сейчас в ней происходят активные процессы.

Структурные элементы земной коры

По сравнению с мантией и ядром, литосфера - это жесткий, тонкий и очень хрупкий слой. Она сложена из комбинации веществ, в составе которых на сегодняшний день обнаружено более 90 химических элементов. Они распределены неоднородно. 98 процентов массы земной коры приходится на семь составляющих. Это кислород, железо, кальций, алюминий, калий, натрий и магний. Возраст самых древних пород и минералов составляет более 4.5 миллиардов лет.

Изучая внутреннее строение земной коры, можно выделить различные минералы.
Минерал - сравнительно однородное вещество, которое может находиться как внутри, так и на поверхности литосферы. Это кварц, гипс, тальк и т.д. Горные породы слагаются из одного или нескольких минералов.

Процессы, формирующие земную кору

Строение океанической земной коры

Данная часть литосферы преимущественно состоит из базальтовых пород. Строение океанической земной коры изучено не так досконально, как континентальное. Теория тектонических плит объясняет, что океаническая земная кора является относительно молодой, а самые ее последние участки можно датировать поздней юрой.
Ее толщина практически не изменяется со временем, так как она определяется количеством расплавов, выделяющихся из мантии в зоне срединно-океанических хребтов. На нее существенно влияет глубина осадочных слоев на дне океана. В наиболее объемных участках она составляет от 5 до 10 километров. Данный вид земной оболочки относится к океанической литосфере.

Континентальная кора

Литосфера взаимодействует с атмосферой, гидросферой и биосферой. В процессе синтеза они образуют самую сложную и реакционно активную оболочку Земли. Именно в тектоносфере происходят процессы, изменяющие состав и строение этих оболочек.
Литосфера на земной поверхности не однородна. Она имеет несколько слоев.

Осадочный. Он в основном образуется горными породами. Здесь преобладают глины и сланцы, а также широко распространены карбонатные, вулканогенные и песчаные породы. В осадочных слоях можно встретить такие полезные ископаемые, как газ, нефть и каменный уголь. Все они имеют органическое происхождение.
Гранитный слой. Он состоит из магматических и метаморфических пород, которые наиболее близки по своей природе к граниту. Этот слой встречается далеко не везде, наиболее ярко он выражен на континентах. Здесь его глубина может составлять десятки километров.
Базальтовый слой образуют породы, близкие к одноименному минералу. Он более плотный, чем гранит.

Глубина и изменение температуры земной коры

Поверхностный слой прогревается солнечным теплом. Это гелиометрическая оболочка. Она испытывает сезонные колебания температуры. Средняя мощность слоя составляет около 30 м.

Ниже находится слой, еще более тонкий и хрупкий. Его температура постоянна и приблизительно равна среднегодовой, характерной для этой области планеты. В зависимости от континентального климата глубина этого слоя увеличивается.
Еще глубже в земной коре находится еще один уровень. Это геотермический слой. Строение земной коры предусматривает его наличие, а его температура определяется внутренним теплом Земли и возрастает с глубиной.

Повышение температуры происходит за счет распада радиоактивных веществ, которые входят в состав горных пород. В первую очередь это радий и уран.

Геометрический градиент - величина нарастания температуры в зависимости от степени увеличения глубины слоев. Этот параметр зависит от разных факторов. Строение и типы земной коры влияют на него, так же как и состав горных пород, уровень и условия их залегания.

Тепло земной коры является важным энергетическим источником. Его изучение очень актуально на сегодняшний день.

Верхняя каменная оболочка Земли -- земная кора -- сложена различными по составу и происхождению горными породами. Любая горная порода представляет собой определенное сочетание минералов, являющихся, в свою очередь, химическими элементами или их природными соединениями.

Таким образом, вещество земной коры в порядке усложнения степени его организации образует иерархический ряд: химический элемент -- минерал -- горная порода. Именно в такой последовательности и рассматривается ниже вещественный состав земной коры.

Наиболее достоверные сведения о химическом составе земной коры относятся к ее верхней части (до глубины 16-20 км), доступной для непосредственного изучения. Проблемами химического состава, закономерностями его изменения в пространстве и во времени занимается сравнительно молодая еще наука геохимия.

По данным современной геохимии, в земной коре установлено 93 химических элемента. Большинство из них являются сложными, то есть представлены смесью различных изотопов. Лишь 22 химических элемента (например, натрий, марганец, фтор, фосфор, золото) не имеют изотопов и поэтому называются простыми.

Распределены химические элементы в земной коре крайне неравномерно.

Первые серьезные исследования, касающиеся распространенности химических элементов, принадлежат американскому геохимику Ф. Кларку. Путем математической обработки имевшихся в его распоряжении результатов 6000 химических анализов различных горных пород Ф. Кларк установил средние содержания в земной коре 50 наиболее распространенных химических элементов. Данные Ф. Кларка, опубликованные впервые в 1889 г., впоследствии уточнялись многими отечественными и зарубежными исследователями: Г. Вашингтоном, В. Гольшмидтом, Г. Хевеши, В. Мейсоном, В. И. Вернадским, А. Е. Ферсманом, А. П. Виноградовым, А. А. Ярошевским и др.

В знак особой заслуги Ф. Кларка перед геохимической наукой средние содержания химических элементов в земной коре называют Кларками и выражают в весовых, атомных или объемных процентах. Наиболее и часто используют весовые кларки элементов. Ниже в таблице приведены кларки наиболее распространенных элементов земной коры по данным различных исследователей.

Весовые кларки наиболее распространенных химических элементов земной коры.

Химический	Кларк, вес. %
По Ф. Кларку (1924)	По А. П. Виноградову (1962)	В. Мейсону(1971)	По А. А. Ярошевскому(1988)
Кислород

Алюминий

Приведенные данные показывают, что главными элементами-строителями земной коры являются О, Si, Al , Fe, Са, Na, К, Mg, составляющие более 98 % ее веса. Ведущее место среди них принадлежит кислороду, на долю которого приходится почти половина массы земной коры и около 92 % ее объема. По преобладающим химическим элементам земную кору иногда называют оксисферой, а также сиалической оболочкой.

Распространенность химических элементов связана с их положением в периодической системе. Как отмечал еще Д. И. Менделеев, наиболее распространенные элементы земной коры располагаются в начале периодической системы. С увеличением порядкового номера распространенность элементов неравномерно убывает.

Так, среди первых 30 элементов кларки редко опускаются ниже сотых долей процента и чаще выражаются в десятых долях или даже в целых процентах. У остальных элементов преобладают малые кларки, которые лишь очень редко поднимаются до тысячных долей процента.

Таким образом, в земной коре явно преобладают легкие элементы, что отличает ее от других внутренних геосфер, более бедных этими элементами и обогащенных тяжелыми металлами. Взаимосвязь между кларками химических элементов и их положением в периодической системе позволяет предположить, что одной из основных причин различной распространенности химических элементов в земной коре являются строение и энергетическая устойчивость ядер их атомов.

Следует отметить, что наши представления о распространенности химических элементов не всегда согласуются с истинными значениями их кларков. Например, такие обычные элементы, как медь, цинк, свинец, имеют кларки во много раз меньшие, чем считающиеся редкими цирконий, ванадий. Причиной такого несоответствия является различная способность химических элементов к образованию значительных концентраций в земной коре -- месторождений. Эта способность определяется их химическими свойствами, зависящими от структуры внешних электронных оболочек атомов, а также термодинамическими условиями земной коры.

Химический состав земной коры изменяется в течение геологического времени, причем эта эволюция продолжается по сей день. Основными причинами изменения химического состава являются:

Процессы радиоактивного распада, приводящие к самопроизвольному

превращению одних химических элементов в другие, более устойчивые в условиях земной коры. Согласно расчетам В. И. Вернадского, в современную эпоху только за счет ядерных превращений ежегодно обновляют свой химический состав 10в -101Н т вещества земной коры;

Поступление метеорного вещества в виде метеоритов и космической пыли (16 тыс. т. ежегодно);

Продолжающиеся процессы дифференциации вещества Земли, приводящие к миграции химических элементов из одной геосферы в другую.

Атомы химических элементов в земной коре образуют разнообразные сочетания друг с другом, главным образом химические соединения. Формы их нахождения достаточно многообразны, однако основной формой существования химических элементов в земной коре является минеральная. При этом в одних случаях они образуют самостоятельные минеральные виды, в других -- входят в кристаллические решетки других минералов в виде примесей.

Введение

Три наружные оболочки Земли, различающиеся фазовым состоянием, – твердая земная кора, жидкая гидросфера и газовая атмосфера – тесно связаны между собой, а вещество каждой из них проникает в пределы других. Подземные воды пронизывают верхнюю часть земной коры, значительный объем газов находится не в атмосфере, а растворен в гидросфере и заполняет пустоты в почве и горных породах. В свою очередь, вода и мелкие твердые минеральные частицы насыщают нижние слои атмосферы.

Наружные оболочки связаны не только пространственно, но и генетически. Происхождение оболочек, формирование их состава и его дальнейшая эволюция взаимосвязаны. В настоящее время эта связь в значительной мере обусловлена тем, что наружная часть планеты охвачена геохимической деятельностью живого вещества.

Массы оболочек сильно различаются. Масса земной коры оценивается в 28,46×10 18 т, Мирового океана – 1,47×10 18 т, атмосферы – 0,005×10 18 т. Следовательно, в земной коре находится основной резерв химических элементов, которые вовлекаются в миграционные процессы под воздействием живого вещества. Концентрации и распределение химических элементов в земной коре оказывают сильное влияние на состав живых организмов суши и всего живого вещества Земли.

Рассматривая проблему состава живого вещества, В.И. Вернадский отмечал: «…химический состав организмов теснейшим образом связан с химическим составом земной коры; организмы приноравливаются к нему».

Химики и петрографы начиная со второй половины XIX в. изучали химический состав горных пород методами весового и объемного химического анализа. Суммируя результаты многочисленных анализов горных пород, Ф. Кларк показал, что в земной коре преобладают восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, калий и натрий. Этот основной вывод неоднократно подтвержден результатами последующих исследований. Методами химического анализа, которыми пользовались в XIX в., определение низких концентраций элементов было невозможно. Требовались принципиально иные подходы.

Мощный импульс изучению химических элементов с очень низкой концентрацией в веществе земной коры дало применение более чувствительного метода – спектроскопического анализа. Новые факты позволили В.И. Вернадскому сформулировать принцип «всюдности» всех химических элементов. В докладе на XII съезде российских естествоиспытателей и врачей в декабре 1909 г. он заявил: «В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы… В песчинке или в капле, как в микрокосмосе, отражается общий состав космоса».

Идея «всюдности» химических элементов долгое время вызывала настороженность даже со стороны крупных ученых. Это было связано с тем, что элементы, содержащиеся в количестве ниже уровня чувствительности метода, при анализе не обнаруживались. Создавалась иллюзия их полного отсутствия, что отразилось на терминологии. В геохимии возникли термины редкие элементы (dieselteneElementen– нем.; rareelements– англ.), частота (dieHaufigkeit– нем.) обнаружения. В действительности имеет место не реальная редкость или малая частота встречаемости элемента при анализах, а его низкая концентрация в изучаемых пробах, которая не может быть определена недостаточно чувствительными методами анализа.

Низкая чувствительность метода часто не позволяла определять количество элемента, а лишь констатировать присутствие его «следов». С тех пор в геохимической литературе широко используется термин? применявшийся В.М. Гольдшмидтом и его коллегами в 1930-х гг.: элементы-следы (dieSpurelemente– нем.; traceelements– англ.; deselementstraces– фр.).

В итоге усилий ученых разных стран в 20-х гг. XX в. сложилось общее представление о составе земной коры. Средние значения относительного содержания химических элементов в земной коре и других глобальных и космических системах известный геохимик А.Е. Ферсман предложил называть кларками в честь ученого, который наметил путь к количественной оценке распространения химических элементов.

Кларк – весьма важная величина в геохимии. Анализ значений кларков позволяет понять многие закономерности распределения химических элементов на Земле, в Солнечной системе и доступной нашим наблюдениям части Вселенной. Кларки химических элементов земной коры различаются более чем на десять математических порядков. Столь существенное количественное различие должно отразиться на качественно неодинаковой роли двух групп элементов в земной коре. Наиболее ярко это проявляется в том, что элементы первой группы, содержащиеся в относительно большом количестве, образуют самостоятельные химические соединения, а элементы второй группы с малыми кларками преимущественно распылены, рассеяны среди химических соединений других элементов. Элементы первой группы называют главными, элементы второй – рассеянными. Их синонимами в английском языке являются minorelements, rareelements, наиболее употребляемый синоним traceelements. Условной границей между группами главных и рассеянных элементов в земной коре может служить величина 0,1%, хотя кларки большей части рассеянных элементов значительно меньше и измеряются тысячными и меньшими долями процента. Понятие о состоянии рассеяния химических элементов, так же как и о их «всюдности», было введено в науку В.И. Вернадским.

Полный химический состав верхнего, так называемого гранитного, слоя континентального блока земной коры приведен в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Кларки химических элементов гранитного слоя коры континентов

Химический элемент	Атомный номер	Среднее содержание, 1 × 10 -4 %	Химический элемент	Атомный номер	Среднее содержание, 1 × 10 -4 %
О	8	481 000	Mg	12	12000
Si	14	399 000	Ti	22	3300
А1	13	80 000	H	1	1000
Fe	26	36000	P	15	800
К	19	27000	F	9	700
Са	20	25000	Мn	25	700
Na	11	22000	Ва	56	680
S	16	400	Ег	68	3,6
С	6	300	Yb	70	3,6
Sr	38	230	Hf	72	3,5
Rb	37	180	Sn	50	2,7
Cl	17	170	и	92	2,6
Zr	40	170	Be	4	2,5
Се	58	83	Br	35	2,2
V	23	76	Та	73	2,1
Zn	30	51	As	33	1,9
La	57	46	W	74	1,9
Yr	39	38	Ho	67	1,8
Cl	24	34	Tl	81	1,8
Nd	60	33	Eu	63	1,4
Li	3	30	Tb	65	1,4
N	7	26	Ge	32	1,3
Ni	28	26	Mo	42	1,3
Cu	29	22	Lu	71	1,1
Nb	41	20	I	53	0,5
Ga	31	18	Tu	69	0,3
Pb	82	16	In	49	0,25
Th	90	16	Sb	51	0,20
Sc	21	11	Cd	48	0,16
В	5	10	Se	34	0,14
Sm	62	9	Ag	47	0,088
Gd	64	9	Hg	80	0,033
Pr	59	7,9	Bi	83	0,010
Co	27	7,3	Au	79	0,0012
Dy	66	6,5	Те	52	0,0010
Cs	55	3,8	Re	75	0,0007

Для образования любого химического соединения требуется концентрация исходных компонентов не меньше минимальной, ниже которой реакция невозможна. Поэтому в земной коре преобладают химические соединения главных элементов с высокими кларками. Несмотря на то, что общее количество природных химических соединений – минералов – составляет 2-3 тыс. видов, число минералов, образующих распространенные горные породы, невелико. Более 80% массы земной коры представлено силикатами алюминия, железа, кальция, магния, калия и натрия; около 12% составляет оксид кремния. Все эти минералы имеют кристаллическое строение, которое и определяет общие особенности кристаллохимии земной коры.

В.М. Гольдшмидт показал, что силикатный состав и кристаллическое строение земной коры весьма важны для распределения не главных, рассеянных элементов. Согласно концепции Гольдшмидта в кристаллохимических структурах ионы ведут себя как жесткие сферы (твердые шары). Поэтому радиус каждого иона рассматривается как постоянная величина.

Главная особенность ионов в кристаллохимических структурах заключается в том, что радиусы отрицательно заряженных ионов (анионов) значительно больше радиусов положительно заряженных ионов (катионов). Представим анионы в виде крупных шаров, а катионы – в виде мелких. Тогда моделью кристаллического вещества с ионным типом связи будет пространство, заполненное плотно прилегающими большими шарами – анионами, между которыми должны размещаться мелкие шарики – катионы. Согласно представлениям Гольдшмидта этот каркас играет роль своеобразного геохимического фильтра, способствующего дифференциации химических элементов по величине их ионов. В конкретную кристаллохимическую структуру могут войти не любые элементы, обладающие необходимой валентностью, а лишь те, ионы которых имеют соответствующий размер радиусов.

Образование распространенных минералов сопровождается своего рода сортировкой рассеянных элементов. Для пояснения этого процесса обратимся к распространенному минералу – полевому шпату. Его кристаллохимическая структура образована группировками, состоящими из трех катионов кремния и одного алюминия, каждый из которых связан с четырьмя анионами кислорода. Группировка в целом представляет собой комплексный анион, где восемь ионов кислорода, три кремния и один алюминия. Это создает один отрицательный заряд, который уравновешивается одновалентным катионом калия. В итоге существует трехкамерная структура, состав которой отвечает формуле K.

Величина радиуса иона калия составляет 0,133 нм. Его место в структуре может занять только катион с близкой величиной радиуса. Таковым является двухвалентный катион бария, радиус которого равен 0,134 нм. Барий менее распространен, чем калий. Обычно он присутствует в виде незначительной примеси в полевых шпатах. Только в особых случаях создается его значительная концентрация и образуется редкий минерал цельзиан (бариевый полевой шпат).

Аналогичным образом в распространенных минералах и горных породах избирательно задерживаются химические элементы, концентрация которых не так велика для образования самостоятельных минералов. Взаимное замещение ионов в кристаллической структуре благодаря близости их радиусов называется изоморфизмом. Это явление было обнаружено еще в начале XIX в., но его значение для глобальной дифференциации рассеянных химических элементов установлено только спустя столетие.

В результате изоморфизма рассеянные элементы закономерно концентрируются в определенных минералах. Полевые шпаты служат носителями бария, стронция, свинца; оливины – никеля и кобальта; цирконы – гафния и т.д. Такие элементы, как рубидий, рений, гафний, не образуют самостоятельных соединений в литосфере и полностью рассеяны в кристаллохимических структурах минералов-хозяев.

Изоморфные замещения – не единственная форма нахождения рассеянных элементов. Феномен рассеяния в земной коре проявляется в разных формах на разном уровне дисперсности.

Наиболее грубодисперсной формой рассеяния являются хорошо окристаллизованные, очень мелкие (обычно менее 0,01 – 0,02 мм в поперечнике) акцессорные минералы. Они образуют механические включения в породообразующих минералах (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Включение акцессорных апатита (1) и циркона (2) в зерне полевого шпата. Прозрачный шлиф, увеличение 160 ´

Содержание акцессориев весьма незначительное, но концентрация рассеянных элементов в них настолько высокая, что эти элементы образуют самостоятельные соединения. В кристаллических породах в качестве акцессориев присутствуют циркон Zr, рутил, реже анатаз и брукит, имеющие однотипный состав ТiO 2 , апатит Са 5 [РО 4 ] 3 F, магнетит Fe 2+ Fe 2 3+ O 4 , ильменит FeTiO 3 , монацит СеРО 4 , ксенотим YPO 4 , касситерит SnO 2 , хромит ЕеСг 2 О 4 и другие сорных апатита (7) и минералы группы шпинели, минералы группы колумбита (Fe, Mg) (Nb, Та) 2 О 6 и др. Содержание акцессориев в некоторых породообразующих минералах, особенно в слюдах, довольно заметно.

В некоторых минералах, преимущественно среди сульфидов и им подобных соединений, широко распространены так называемые структуры распада твердого раствора – мелкие выделения минерала-примеси в веществе минерала-хозяина. Их примером могут служить «эмульсионная вкрапленность» халькопирита CuFeS 2 и станина Cu 2 FeSnS 4 в сфалерите ZnS, тонкие пластинчатые выделения ильменита FeTiO 3 в магнетите Fe 2+ Fe 2 3+ O 4 , мелкие выделения минералов серебра в галените PbS. В результате в сульфиде свинца присутствует ощутимая примесь серебра, в сульфиде меди – примесь олова, в магнетите – примесь титана.

Применение поляризационного микроскопа и прозрачных шлифов позволило обнаружить в минералах не только твердые включения, но и микро-пустоты, заполненные остатками растворов, из которых осуществлялась кристаллизация (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Микрополости в кварце: 1 – кристалл сильвина; 2 – кристалл галита; 3 – пузырек газа; 4 – жидкая фаза. Прозрачный шлиф, увеличение 900 ´

Это явление, впервые специально рассмотренное в 1858 г. основателем оптической петрографии Г. Сорби, к настоящему времени всесторонне изучено. Микрополости в минералах обычно содержат жидкую и газовую фазы, иногда к ним добавляются мелкие кристаллы. Проблема жидких включений была основательно проанализирована У. Ньюхаузом, который отметил присутствие в жидкостях тяжелых металлов (до нескольких процентов).

Некоторая часть примеси рассеянных элементов, легко экстрагируемая из тонко растертых мономинеральных проб, связана именно с жидкими включениями. Н.П. Ермаков (1972), изучив микровключения из флюорита, обнаружил в них n×10 -1 % цинка, марганца, n×10 -2% бария, хрома, меди, никеля и свинца, n× 10 -3% титана. В дальнейшем в жидких включениях были обнаружены и другие рассеянные элементы.

Вместе с тем тщательный анализ мономинеральных проб и использование электронного зондирования показали, что все без исключения породообразующие минералы содержат рассеянные элементы в настолько высокодисперсной форме, что они не могут быть обнаружены не только при помощи оптической, но и электронной микроскопии. В этом случае имеет место рассеяние элементов на уровне ионов и молекул. Формы такого рассеяния не ограничиваются рассмотренными ранее явлениями изоморфизма. Известны многочисленные случаи присутствия химических элементов в минералах, не имеющих никакой связи с изоморфизмом.

Результаты многих тысяч анализов, выполненных в разных странах за последние 50 лет, позволяют утверждать, что все породообразующие минералы являются носителями рассеянных элементов. Именно в них сосредоточена основная масса рассеянных элементов, содержащаяся в земной коре. Зная содержание минералов-носителей и концентрацию в них рассеянных элементов, можно рассчитать баланс внутри конкретной горной породы.

При изучении гранитов Тянь-Шаня было обнаружено, что в кварце, несмотря на ничтожную концентрацию свинца, заключено более 5% всей массы этого металла, содержащегося в породе (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Распределение свинца в минералах, слагающих граниты хребта Джумгол

Невозможно предположить изоморфное вхождение свинца, цинка или другого металла в структуру кварца, образованную комбинацией ионов кремния и кислорода. Между тем кварц служит носителем многих рассеянных элементов. Разработан особый метод оценки потенциальной рудоносности горных пород и жил по содержанию в кварце лития, рубидия, бора.

При экспериментальном изучении прочности закрепления рассеянных металлов в породообразующих минералах было обнаружено, что при обработке тонко измельченной минеральной массы последовательными порциями слабых кислотно-щелочных растворителей значительная часть металлов легко извлекается при первой же экстракции, причем это извлечение не сопровождается разрушением кристаллохимической структуры минералов. При дальнейших обработках количество экстрагируемых металлов резко сокращается или прекращается совсем. Это позволило высказать предположение, что часть рассеянных элементов не входит в собственно кристаллохимическую структуру, а приурочена к дефектам реальных кристаллов. Дефекты представляют собой разного рода трещины, причем настолько мелкие, что не обнаруживаются оптическим микроскопом. Легкость извлечения рассеянных металлов объясняется тем, что они связаны с поверхностью минерала-носителя сорбционными силами. В породообразующих силикатах эта форма нахождения рассеянных металлов составляет 10 – 20% от всей массы рассеянных металлов. В частности, непрочно связанная форма свинца в гранитах Тянь-Шаня составляет от 12 до 18% всей массы рассеянного элемента.

Можно выделить следующие формы нахождения рассеянных элементов в кристаллическом веществе земной коры:

I. Микроминералогические формы:

1. Элементы, входящие в акцессорные минералы.

2. Элементы, содержащиеся в микроскопических выделениях в результате распада твердых растворов.

3. Элементы, находящиеся во включениях остаточных растворов. П. Неминералогические формы:

4. Элементы, сорбированные поверхностью дефектов реальных кристаллов.

5. Элементы, входящие в структуру минерала-носителя по законам изоморфизма.

6. Элементы, находящиеся в структуре минерала-носителя в неупорядоченном состоянии.

Сочетание рассмотренных форм нахождения рассеянных элементов сильно меняется в зависимости от многих факторов. Соответственно меняется и суммарное содержание рассеянного элемента в разных участках земной коры.

3. Особенности распределения химических элементов в земной коре

Варьирование содержания элемента в разных пробах обусловлено многими независимыми причинами. Когда распределение величины определяется достаточно большим числом примерно равнодействующих и взаимно независимых причин, то оно подчиняется так называемому нормальному закону Гаусса. Его графическим выражением является кривая с симметричными ветвями по обе стороны максимальной ординаты. При нормальном распределении наиболее вероятным значением служит среднее арифметическое х, которое совпадает с наиболее часто встречающимися значениями – модой. Растянутость симметричной кривой по оси абсцисс, т.е. разброс значений в большую и меньшую стороны от моды, характеризуется средним квадратичным отклонением а.

Нормальное распределение может также проявляться не для самой величины, а для ее логарифма (логарифмически нормальный, или логнормальный, закон распределения). В этом случае мода совпадает со средним геометрическим, а разброс значений характеризуется логарифмом а.

В 1940 г. Н.К. Разумовский эмпирическим путем обнаружил, что содержание металлов в рудах соответствует логарифмически нормальному распределению. Л.X. Арене в 1954 г., обработав обширный материал, независимо от Разумовского установил, что распределение рассеянных элементов в магматических породах аппроксимируется логарифмически нормальным законом. Многочисленные факты указывают на то, что распределение элементов с высокими кларками обычно подчиняется нормальному закону, а рассеянных – логнормальному. Это еще раз подтверждает принципиальное различие главных и рассеянных элементов.

С высокой вариабельностью низкокларковых элементов связана их способность к высокой степени концентрации. Максимальная степень концентрации главных элементов составляет 10 – 20 раз по отношению к их кларку, а для рассеянных элементов – в сотни и тысячи раз больше. Например, в рудах промышленных месторождений степень концентрации свинца, никеля, олова, хрома составляет 1000×п.

Говоря об огромных массах тяжелых металлов, сосредоточенных в месторождениях руд, следует помнить, что эти массы – ничтожная часть общего количества металлов, рассеянных в земной коре. В частности, общемировые запасы руд цинка, меди, свинца, никеля составляют всего лишь тысячные доли процента от масс этих металлов, рассеянных в верхнем километровом слое земной коры континентов.

Залежи руд связаны с окружающими горными породами постепенными переходами. Рудные тела находятся как бы в чехле постепенно убывающей концентрации металлов. Такие образования получили название ореолов рассеяния Первичные, сингенетичные рудные ореолы возникают одновременно с рудными телами и в результате одних и тех же процессов. Они имеют разнообразную конфигурацию, зависящую от геологического строения, состава вмещающих пород и условий рудообразования.

В рудах наряду с одним или несколькими главными рудообразующими элементами присутствуют сопутствующие элементы, концентрация которых также повышена, но не настолько, как главных. Элементы-спутники часто образуют изоморфные замещения главных. Например, в цинковых рудах постоянно содержится кадмий, в меньшем количестве – индий, галлий, германий. В медно-никелевых рудах присутствует значительная примесь кобальта, в меньшем количестве – селена и теллура. Все сопутствующие элементы также рассеиваются вокруг рудных тел. Обладая неодинаковой геохимической подвижностью, они образуют переходные зоны разной протяженности. В итоге состав и строение ореолов рассеяния очень сложны.

Среднее содержание химического элемента представляет собой норму – геохимический фон – для данного типа пород в определенном районе. На геохимическом фоне выделяются геохимические аномалии – участки горных пород с повышенной концентрацией рассеянных элементов. Если они связаны с залежами руд, то это ореолы рассеяния. Если же концентрации металлов не достигают кондиции руды, то такие аномалии называют ложными. Используя статистическую обработку массовых аналитических данных, можно обнаружить закономерные изменения величины геохимического фона в пространстве и выявить геохимические провинции. В пределах провинций горные породы одного типа обладают выдержанными статистическими параметрами, в первую очередь значениями среднего содержания одного или нескольких рассеянных элементов. Среднее содержание некоторых элементов в однотипных породах разных геохимических провинций может сильно различаться (в несколько раз). При этом химический состав этих пород, определяемый содержанием главных элементов, остается одинаковым или имеет очень слабые отличия. Например, в гранитах разных провинций, имеющих практически одинаковое количество кремния, алюминия, железа, калия, содержание олова, свинца, молибдена, урана может различаться в 2–3 раза.

Изложенный материал свидетельствует о неравномерности распределения рассеянных элементов в земной коре. Поэтому наряду с определением кларков, т.е. величины средней концентрации элементов в земной коре в целом, необходимо учитывать их способность концентрироваться или рассеиваться в различных объектах – разных типах горных пород или в однотипных породах, но находящихся в разных геохимических провинциях, в рудах и др. Чтобы количественно оценить неоднородность химических элементов в земной коре, В.И. Вернадский ввел специальный показатель – кларк концентрации К к. Его числовое значение характеризует отклонение содержания элемента в данном объеме от кларка:

К К = А/К,

где А – содержание химического элемента в горной породе, руде, минерале и др.;

К – кларк этого элемента в земной коре. Если кларк концентрации больше единицы, это указывает на обогащение элементом, если меньше – означает снижение его содержания по сравнению с данными для земной коры в целом.

Изменение концентрации химических элементов в пространстве, отклонение от глобальной или местной геохимической нор МЬ1 __ не отдельные случаи, а характерная черта геохимической структуры земной коры. Это имеет очень важное значение для состава фотосинтезирующих организмов суши, которые образуют основную часть массы живого вещества Земли.

Литература

1. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. – М.: Логос, 2000. – 627 с.

2. Арене Л. X. Распределение элементов в изверженных породах // Химия земной коры. – М.: Наука, 1964. – Т. 2. – С. 293–300.

3. Вернадский В.И. Очерки геохимии // Избр. соч.: В 5 т. – М.: Изд-во АН СССР, 1954. – Т. 1. – С. 7–391.

4. Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Повареных А.С., Прохоров В.Г. Краткий справочник по геохимии. – М.: Недра, 1977. – 183 с.

5. Гольдшмит В.М. Принципы распределения химических элементов в минералах и горных породах // Сб. ст. по геохимии редких элементов. – М. – Л.: ГОНТИ НКТП СССР, 1930. – С. 215–242.

6. Добровольский В.В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние. – М.: Мысль, 1983. – 269 с.

7. ПерельманА.И. Геохимия. – М.: Высш. шк., 1989. – 528 с.

8. Ронов А.Б., Ярошевский А.А. Новая модель химического состава земной коры // Геохимия. – 1976. – №12. – С. 1763–1795.

Общая геология

1. Химический состав земной коры и Земли. Кларки

Верхняя каменная оболочка Земли — земная кора — сложена различными по составу и происхождению горными породами. Любая горная порода представляет собой определенное сочетание минералов, являющихся, в свою очередь, химическими элементами или их природными соединениями.

Таким образом, вещество земной коры в порядке усложнения степени его организации образует иерархический ряд: химический элемент — минерал — горная порода. Именно в такой последовательности и рассматривается ниже вещественный состав земной коры.

Распределены химические элементы в земной коре крайне неравномерно.

Весовые кларки наиболее распространенных химических элементов земной коры.

Химический	Кларк, вес. %
Химический	По Ф. Кларку (1924)	По А. П. Виноградову (1962)	В. Мейсону(1971)	По А. А. Ярошевскому(1988)
Кислород

Алюминий

Следует отметить, что наши представления о распространенности химических элементов не всегда согласуются с истинными значениями их кларков. Например, такие обычные элементы, как медь, цинк, свинец, имеют кларки во много раз меньшие, чем считающиеся редкими цирконий, ванадий. Причиной такого несоответствия является различная способность химических элементов к образованию значительных концентраций в земной коре — месторождений. Эта способность определяется их химическими свойствами, зависящими от структуры внешних электронных оболочек атомов, а также термодинамическими условиями земной коры.

Процессы радиоактивного распада, приводящие к самопроизвольному

Поступление метеорного вещества в виде метеоритов и космической пыли (16 тыс. т. ежегодно);

Атомы химических элементов в земной коре образуют разнообразные сочетания друг с другом, главным образом химические соединения. Формы их нахождения достаточно многообразны, однако основной формой существования химических элементов в земной коре является минеральная. При этом в одних случаях они образуют самостоятельные минеральные виды, в других — входят в кристаллические решетки других минералов в виде примесей.

2. Формы залегания магматических горных пород

Формы залегания магматических пород зависят от условий их образования. Наиболее разнообразные условия могут возникать при формировании интрузивных горных пород, образование которых происходит на разных глубинах при различных сочетаниях условий давления, температуры, количества магмы, ее состава, а также тектонических условий, при которых затвердевает расплав. Разнообразие условий приводит к образованию специфичных и разнообразных форм залегания интрузивных горных пород, называемых интрузивными массивами, или интрузивами, или плутонами. Обычно на дневную поверхность выступает только часть интрузивного тела.

По размерам (по площади на карте) различают интрузивы крупные - более 100 км 2 , средние - 100-10 км 2 и мелкие - менее 10 км 2 .Интрузивныетела делятся на секущие (интрузивы прорывают вмещающие породы) рис.1 , согласные (интрузивы залегают согласно с вмещающими породами) рис.2 и частично согласные (интрузивы располагаются между складчатой и полого залегающей толщами). К наиболее широко распространенным секущим интрузивам относятся батолиты, штоки, дайки, магматические диапиры рис.1 . Основными согласными интрузивными телами являются лополиты, лакколиты, факолиты, силлы рис.2 , а частично согласные - гарполиты, магматические диапиры рис.1 (II в, г ).

Глубинные интрузивные породы в земной коре образуют обычно батолиты, гарполиты, лополиты и крупные штоки, а полуглубинные - более мелкие тела: штоки, дайки, лакколиты, факолиты, силлы, магматические диапиры.

Условия образования вулканических горных пород, формирующихся на земной поверхности, менее разнообразны. Эффузивные горные породы в зависимости от химического состава лавы и особенностей излияния образуют покровы и потоки и связанные с ними некки-жерла вулканов рис .3 . Наиболее вязкие (кислые) лавы образуют вулканические купола. Пирокластические породы имеют такие же формы залегания, как и осадочные: слой, линза.

3. Геологическая деятельность озер и болот

кларк горный порода магматический

Озера

Озерами называются впадины на поверхности суши, заполненные водой и не имеющие непосредственной связи с Мировым океаном. Их суммарная площадь составляет около 2,7 млн. км 2 , или 1,8 % поверхности суши.

Озера очень разнообразны по своим размерам, происхождению озерных впадин, гидрогеологическому режиму, химическому составу воды. Самыми крупными по занимаемой площади являются Каспийское море-озеро (395 тыс. км2), озеро Верхнее в Северной Америке (82,4 тыс. км 2) и озеро Виктория в Африке (69,4 км 2).

Работа озер очень близка к деятельности морских водоемов и отличается в основном масштабами своего проявления. Она складывается из разрушения берегов и прибрежных частей дна, переноса и сортировки материала внутри водоема, накопления осадков. Разрушительная работа (озерная абразия) происходит в основном в прибрежной зоне и связана с воздействием ветровых волн. Под ударами волн берег разрушается и постепенно отступает. Интенсивность разрушения находится в прямой зависимости от величины водоема. У относительно небольших озер с установившимся уровнем абразия минимальна. Детальное изучение разрушительных процессов проводилось на берегах искусственных водоемов. Так, в Цимлянском водохранилище на р.Дон за пять лет берега были срезаны волнами в среднем на - 50 м. В целом в геологической работе озер разрушительная деятельность играет второстепенную роль. Весь материал, поступающий в озера в результате их разрушительной деятельности, а также принесенный реками, ручьями, ветром, разносится волнами и течениями по всему водоему и в конечном итоге отлагается на его дне. Перенос происходит как в механической форме - перекатыванием по дну и в виде взвесей, так и в химической - в виде истинных и коллоидных растворов.

Осадконакопление, или аккумулятивная деятельность, играет наиболее важную роль в геологической работе озер. В озерах образуются все генетические типы осадков: терригенные, органогенные и хемогенные. Преобладание тех или иных типов осадков зависит от климатических условий, рельефа, проточности озер и их солености. Озерные отложения часто обладают тонкой горизонтальной слоистостью, что обусловлено сравнительно спокойным гидродинамическим режимом среды осадконакопления.

Терригенные (обломочные) осадки наиболее характерны для пресноводных проточных озер, расположенных в районах влажного климата, с которыми связан интенсивный поверхностный сток. Благоприятствует их образованию расчлененный гористый рельеф окружающей суши. Представлены обломочные отложения терригенными илами, песками, иногда гравием и галечниками.

Сравнительно небольшая глубина озер, спокойные гидродинамические условия благоприятствуют развитию богатого органического мира, а следовательно, и формированию органогенных отложений. Наиболее широко органогенные осадки развиваются в пресных и солоноватых озерах гумидных областей. К ним относятся сапропели, диатомиты и известняки-ракушечники.

Хемогенные осадки достаточно разнообразны и встречаются в различных типах озер. Преимущественным развитием они пользуются в озерах областей аридного климата, чаще всего бессточных. Усиленное испарение, свойственное этим водоемам, приводит к перенасыщению растворов и химическому осаждению (садке) солей. Главными видами химических осадков являются поваренная соль, калийная соль, глауберова соль, или мирабилит, гипс, сода, реже бура.

Болота

Болотами называются участки земной поверхности с избыточным увлажнением верхних горизонтов горных пород и развитием влаголюбивой болотной растительности. На земном шаре они занимают площадь около 2 млн. км 2 .

Геологическая деятельность болот преимущественно сводится к процессам осадконакопления. Здесь накапливаются органогенные и в значительно меньшей степени хемогенные осадки. Терригенные осадки практически отсутствуют.

Среди органогенных отложений наиболее важным является торф. Исходным материалом для его образования являются остатки различной болотной растительности, мхов, трав, кустарников и деревьев, при этом важнейшую роль играет клетчатка растений, состоящая из углерода, водорода, кислорода и азота.

В болотах вследствие накопления значительных толщ органических остатков доступ воздуха ограничен. Поэтому дальнейшие преобразования органической массы происходят при ограниченном доступе или без доступа кислорода. В верхних частях бассейнов, где имеется ограниченный доступ воздуха, происходит частичное преобразование растительного материала в перегной, или гумус (от лат. «хумус» — земля).

В нижних частях в условиях полного отсутствия кислорода и в среде деятельности анаэробных бактерий перегнивающая растительная масса преобразуется в торф. Этот медленный процесс гниения, происходящий без доступа воздуха и ведущий к образованию торфа, называют гумификацией, или начальной стадией углефикации. В ходе него происходит постепенное возрастание в породе содержания углерода (до 57-59 %).

Хемогенные осадки образуются в болотах в очень небольшом количестве и связаны с привносом соответствующих компонентов подземными водами. Так, в низинных болотах, питающихся жесткими грунтовыми водами с большим количеством карбонатов кальция, образуются линзы известняков (болотная известь).

Из растворенных железистых соединений в восстановительной среде формируются болотные железные руды сидеритового состава, а в окислительной - бурые железняки.

4. Магматические породы

Магматические горные породы образуются в результате затвердевания магмы на глубине или на земной поверхности при вулканических извержениях. Магматические породы также называют изверженными.

По условиям образования магматические горные породы подразделяются на следующие виды.

1. Интрузивные (внедрившиеся):

Глубинные (абиссальные),

Полуглубинные (гипабиссальные).

2. Вулканические:

Эффузивные (излившиеся),

Пирокластические.

Интрузивные, или внедрившиеся (от лат. «интрузио» - внедрение), горные породы образуются при застывании магмы под земной поверхностью и по глубине застывания делятся на глубинные и полуглубинные.

Глубинные, или абиссальные (от греч. «абиссос» - бездонный), или плутонические, породы формируются на больших глубинах, в условиях длительно сохраняющихся высоких температур и давлений и характеризуются полной раскристаллизацией магматического расплава.

Полуглубинные (гипабиссальные) горные породы, затвердевшие на средних и небольших глубинах, по условиям образования являются промежуточными между глубинными интрузивными и эффузивными. Температура и давление магмы на разных глубинах меняются по-разному, и могут возникать как полно-, так и неполнокристаллические породы.

Излившиеся, или эффузивные, породы (от лат. «эффузио» — излияние) образуются при излиянии лавы на дневную поверхность, где резко понижаются температура и давление. Эффузивные породы характеризуются неполной кристаллизацией или быстрым затвердеванием расплава в виде вулканического стекла.

Различия в условиях образования магматических пород четко отражаются на их внешнем облике и легко распознаются макроскопически по характеру структуры и текстуры.

По степени кристаллизации магматического расплава выделяют следующие структуры.

1. Полнокристаллические, когда все вещество раскристаллизовано в агрегат минералов.

2. Неполнокристаллические, когда часть расплава раскристаллизовалась и образовались минеральные зерна, а другая часть затвердела в виде вулканического стекла.

3. Стекловатые, когда вся порода представлена вулканическим стеклом.

В основу классификации магматических горных пород положены химический и минералогический состав и структурные особенности.

Химический анализ магматических горных пород показывает, что они состоят в основном из восьми окислов: SiО 2 , Al 2 O 2 Fe 2 O 3 FeO, MgO, CaO, Na 2 О, K 2 О. В значительно меньших количествах присутствуют ТiO 2 , МgО, Р 2 О 5 Н 2 О и некоторые другие. Из главных окислов только SiО 2 присутствует во всех магматических породах в значительных количествах. Окисел SiО 2 и принят за основу химической классификации изверженных горных пород. По содержанию кремнезема (окисла SiО 2) магматические породы подразделяются на четыре группы:

Кислые, SiО 2 = 64-78 %,

Средние, SiО 2 = 53-64 %,

Основные, SiО 2 = 44 - 53 %,

Ультраосновные, SiО 2 = 30-44 %.

5. Разрывные движения

Разрывы в горных породах весьма разнообразны. Различают трещины, представляющие собой расколы, вдоль которых не происходит заметных перемещений, и разрывы, где отделившиеся блоки горных пород смещаются относительно друг друга. В разрывных нарушениях выделяют следующие главные элементы: поверхность разрыва, или сместитель, сместившиеся блоки, или крылья, и величину смещения - амплитуду.

Среди разрывов со смещениями различают несколько типов, разных по своему строению. Наиболее обычны среди них сбросы, взбросы, сдвиги, надвиги.

К сбросам относятся нарушения, у которых поверхность разрыва (сместитель) наклонена в сторону опущенного блока. На рис.4 приведена схема строения сброса в разрезе и плане. У сбросов различают следующие элементы: поднятое крыло А , опущенное крыло Б , сместитель ГГ , угол падения сместителя а , вертикальную амплитуду вб , горизонтальную амплитуду ав и амплитуду по сместителю (истинное смещение) аб рис4 .

Иногда определяется так называемая стратиграфическая амплитуда, то есть величина смещения по нормали к поверхности наслоения пород. По углу наклона сместителя различают: пологие сбросы (с углом падения сместителя до 45°), крутые (с углом падения сместителя от 45 до 80°) и вертикальные (с углом падения сместителя от 80 до 90°).

Взбросами называются нарушения, в которых поверхность разрыва (сместитель) наклонена в сторону приподнятого блока. Во взбросах различаются те же элементы, что и в сбросах, и их так же делят по углу падения сместителя, как и сбросы рис.4 (II ), (II" ).

Широко распространены групповые сбросы и взбросы, нередко образующие закономерные сочетания. Структуры, образованные сбросами или взбросами, центральные части которых опущены и сложены наземной поверхности более молодыми породами, чем породы, обнажающиеся в их краевых приподнятых частях, называются грабенами рис.5 (I ), (I" ). В противоположность грабенам горсты представляют собой структуры, образованные сбросами и взбросами; центральные части их относительно приподняты и на поверхности сложены более древними породами, чем породы, обнаженные в краевых опущенных частях рис.5 (II ), (I I" ).

Следующую группу разрывов образуют сдвиги. К ним относятся все разрывы, смещения блоков в которых происходят в горизонтальном направлении. В сдвигах различаются крылья, сместитель, угол падения сместителя и амплитуда смещения.

По углу падения сместителя сдвиги делятся на горизонтальные, пологие, крутые и вертикальные; по относительному перемещению крыльев различаются правые и левые сдвиги рис.6 (I ).

Особую группу разрывов составляют надвиги. К ним относятся разрывы взбросового строения, обычно тесно связанные со складками.

По углу падения сместителя надвиги делятся на три вида рис.6 (II ):

Крутые — с углом падения сместителя более 45°;

Пологие — с углом падения сместителя менее 45°;

Горизонтальные — с приблизительно горизонтальным расположением сместителя.

Помимо описанных выше разрывов, имеющих обычно местное, локальное распространение, в земной коре развиваются и крупные, региональные разрывные структуры, протягивающиеся на десятки и многие сотни километров. К ним относятся тектонические покровы и глубинные разломы. Тектоническими покровами (или шаръяжами) называются крупные надвиги, по которым вдоль пологих или горизонтальных поверхностей перемещаются не отдельные складки, а целые складчатые комплексы. В покровах выделяются перемещенные массы верхнего, надвинутого крыла, называемые аллохтоном, и оставшиеся на месте массы нижнего, перекрытого крыла — автохтоны.

Глубинные разломы представляют собой линейные зоны, в которых сосредоточены разрывы, интенсивная складчатость и трещиноватость. Их ширина может составлять километры или первые десятки километров. Глубинные разломы характеризуются большой протяженностью, глубиной проникновения, нередко ниже подошвы земной коры, и длительным развитием, растягивающимся на несколько периодов или даже целые эры. Зоны глубинных разломов имеют повышенную проницаемость, и к ним часто приурочены эффузивные и интрузивные породы и жильные образования. Глубинные разломы могут быть выражены различно: в складчатых областях они обычно имеют взбросовое и сдвиговое строение, а на платформах чаще сбросовое; вдоль последних нередко возникают опускания с образованием крупных региональных грабенов, называемых рифтами. Примером последних может служить Байкальский рифт.