Строение Земли. Происхождение и состав минеральной части почвы
Планета Земля, как и другие планеты Солнечной системы, имеет ярусно-оболочечное строение и состоит из нескольких неоднородных геосфер (рис. 1). Различают внешние геосферы (атмосфера, гидросфера) и внутренние (земная кора, мантия и ядро). Оболочки Земли находятся в сложном взаимодействии.
Атмосфера — газообразная оболочка Земли в приземных слоях,
состоит из азота — 78,08 %, кислорода — 20,95, аргона — 0,92, диоксида углерода — 0,04 и других газов —0,01 %. Основная масса воздуха атмосферы сосредоточена в тропосфере, в слое 0... 10—16 км. Отдельные ионы воздуха обнаружены на высоте около 2000 км от поверхности земной коры, а выше находится космическое пространство. На высоте 20—25 км расположен озоновый слой, который предохраняет все живые организмы на Земле от вредного коротковолнового излучения Солнца. Температура воздуха в тропосфере до высоты примерно 12 км понижается на 5— 6 "С на каждый километр. Уровень 12 км называют тропопаузой. Температура на этом уровне составляет около —50—60 °С, выше она повышается, а далее снова понижается. Из общего количества излучения, испускаемого Солнцем в сторону Земли, 69 % расходуется на нагревание атмосферы, поверхности материков и океанов, всего 1—2 % используется растениями в фотосинтезе, а остальная энергия отражается в космическое пространство. В атмосфере всегда присутствуют пыль различного происхождения, водяной пар, промышленные дымы, вулканические выделения и другие компоненты, которые мигрируют в составе перемещающихся воздушных масс.
Газовый состав атмосферы примерно 3—3,5 млрд лет тому назад был совсем иным. Основными компонентами приземного воздуха были NH3, СН4 и Н2- Постепенное его изменение и современный состав стали возможными только с появлением жизни на Земле, в основном под влиянием живых организмов.
Гидросфера включает океаны, моря, озера, реки, ледяные пространства (подземные воды сюда не входят) и покрывает прерывистой оболочкой около 71 % поверхности Земли. Средняя плотность гидросферы 1,03 г/см3. Концентрация солей в Мировом океане примерно 3,5 %. В разных морях концентрация солей неодинакова, например, в Средиземном море — около 3,9 %, в Балтийском — 0,7, в Черном море — 1,8 %. В воде океанов, морей и соляных озер растворено около 22 млн км3 солей. Таким количеством соли можно покрыть поверхность земного шара слоем толщиной более 50 м. В морской и океанической воде содержится в среднем (в %): NaCl - 78, MgCl2 - 10, MgS04 - 4,7, CaS04 - 3,6, K2S04 — 2,5, CaC03 и MgC03 — 0,3 и др. Из газов в Мировом океане преобладают азот и кислород. Средняя минерализация воды рек составляет всего 90 мг/л (по ионному составу), в основном гидрокарбонатная в противоположность суль-фатно-хлоридному составу вод морей и океанов.
Земная кора состоит из трех слоев, в которых по происхождению преобладают те или иные горные породы: слой осадочных пород мощностью до 15км, ниже — гранитный слой до 40 км и еще ниже — базальтовый слой до 80 км. Границы между ними условные. Для каждого слоя характерны определенные скорости прохождения сейсмических волн. Нижние зоны земной коры в связи с высокими температурами характеризуются присутствием очагов расплавленных минеральных масс (магмы). Под влиянием высокого давления происходят процессы метаморфизма, т. е. переуплотнения минеральных образований с созданием иных кристаллических структур с новыми физическими свойствами.
Мантия — это мощная оболочка Земли, залегающая ниже земной коры. Граница между ними проходит по линии Мохоровичича, по которой скорость сейсмических волн скачкообразно возрастает с 6—6,5 до 8,2 км/с. По скорости прохождения сейсмических волн собственно мантию подразделяют на 3 зоны: верхнюю, среднюю и нижнюю. Верхняя мантия, называемая часто субстратом, вместе с земной корой образует литосферу — самую жесткую оболочку Земли, ниже которой находится близкий к расплавлению слой пониженной прочности — астеносфера. В нижней мантии температура достигает 3000 °С, а давление — 1 млн атм, под влиянием которого происходят активные метаморфические процессы. До сих пор нет достоверных материалов о составе пород мантии. Предположительно это рудная оболочка с включением сильно метаморфизованных минералов и пород, имеющих особенно плотную кристаллическую упаковку.
Ядро по своему составу, вероятно, является близким к железным метеоритам и представлено железоникелевым сплавом (железа примерно 89 %, никеля — 7, FeS — 4 %). Ядро иногда называют тяжелой сферой или «нифе» (Ni, Fe). В зависимости от скорости распространения сейсмических волн выделяют внешнее и внутреннее ядро.
Биосфера, или зона жизни, — это особая оболочка Земли, охватывающая тропосферу (до 12—16 км), всю гидросферу и верхние слои (3—4км) осадочных пород земной коры. В.И.Вернадский считал, что важнейшими свойствами биосферы являются: существование живых организмов (микроорганизмов, насекомых, растений, животных и др.); тесная связь живых существ с окружающей средой; постоянный материально-энергетический обмен ее с космосом; подвижное динамическое равновесие.
Под влиянием живых организмов образуются биогенные минералы и породы (фосфориты, селитры, известняки, торф, сапропель, горючие газы и сланцы, уголь и нефть), в которых аккумулировано большое количество солнечной энергии и химических элементов. В результате жизненных процессов накапливаются кислород и диоксид углерода, устанавливается их определенное содержание и соотношение в атмосфере, под влиянием растительности регулируется круговорот воды в природе, увеличивается
содержание минеральных элементов питания растений в верхних горизонтах осадочных пород в результате малого биологического круговорота веществ в природе и т. д.
Возникновение биосферы и ее развитие связаны с возникновением и развитием жизни на Земле. Наиболее древние следы жизни в виде бактерий и синезеленых водорослей обнаружены в осадочных и метаморфизованных горных породах, образовавшихся в архейскую эру. В протерозой живые организмы стали более разнообразными. Кроме бактерий и водорослей встречались сто-матолиты и бесскелетные .животные — кишечнополостные. В палеозойскую эру, в силурийский геологический период, появились споровые растения, в период девона — голосеменные, а в пермский период — покрытосеменные растения. Постепенно шло эволюционное развитие животных организмов, в том числе позвоночных: от рыб к человеку.
Современный растительный и животный мир окончательно сформировался в последний — четвертичный — геологический период кайнозойской эры. В этот период образовались современные ландшафтные зоны, появился человек. В геологические периоды развития жизни происходили также большие изменения в географических очертаниях материков и характере их поверхности. В поверхностном слое осадочных пород сформировались совершенно уникальные природные образования — почвы, без которых невозможно существование жизни на Земле.
Планета Земля состоит из минералов и горных пород. Они являются основой почв и определяют многие их свойства. Поэтому для почвоведения чрезвычайно важны знания о распространении, образовании минералов и горных пород, их свойствах и изменениях во времени.
Минерал — это природное химическое соединение, реже —самородный элемент. Минералы могут быть твердыми, жидкими и газообразными, например кварц (Si02), оливин [(Mg, Fe)2(Si04)], микролин [(К, Na)(AlSi308)], доломит [Са, Mg(C03)2J, гематит (Fe203), гипс (CaS04 • 2Н20), галит (NaCl), сера (S), вода (Н20), диоксид углерода (С02) и др.
Горная порода состоит из нескольких или одного минерала, занимающего значительное пространство. Например, гранит состоит в основном из кварца, полевого шпата и слюды; рыхлые горные породы — суглинки — представлены обломками < 1 мм большого количества минералов; пласты минерала галита многометровой мощности.
Минералы и горные породы изучаются геологическими науками — минералогией и петрографией. Они вместе с геохимией рассматривают материальный состав Земли.
Минералогия изучает состав, химические и физические свойства минералов, их происхождение, процессы изменений и превращений в другие минералы, а также взаимоотношения одних минералов с другими в минеральных месторождениях или горных породах. Задачей петрографии (от греческого слова «петра» — камень) является изучение минерального состава пород, их строения, сложения, условий залегания, распространения, происхождения и образования различных полезных ископаемых.
В настоящее время известно около 2800 минералов, но распространены они неодинаково. Минералы, наиболее часто встречающиеся и образующие основу многих горных пород, называют породообразующими.
Содержание самых распространённых породообразующих минералов в земной коре | |
Минерал | Содержание об. % |
Плагиоклаз | |
Калиевый полевой шпат | |
Кварц | |
Амфиболы | |
Пироксены | |
Биотит | |
Магнетит, Ильменит | |
Оливин | 1,5 |
Апатит | 0,5 |
Выделяют три группы процессов образования минералов и горных пород.
Эндогенные. Они связаны с магматическими очагами, в основном приуроченными к базальтовому слою земной коры. Здесь господствуют высокие температуры и давление.
Экзогенные, или гипергенные. Совершаются в гидросфере и в зоне осадочных пород, особенно активно в слоях, выходящих на поверхность и близко к ней залегающих. Для зоны экзогенных процессов характерны низкие температуры и низкое давление.
Метаморфические. Происходят главным образом в гранитном слое земной коры и ниже — в твердой массе глубинных пород под влиянием высокого давления и высоких температур, но недостаточных для перевода минеральной массы в расплавленное состояние.
С эндогенной зоной земной коры связано течение магматических, пегматитовых, пневматолитовых, гидротермальных и вулканических процессов образования минералов. Все эти процессы протекают при остывании магмы (ультракислых, кислых, средних, основных и ультраосновных по содержанию Si02 расплавов); в них участвуют практически все известные элементы, но в разных количествах. Это прежде всего Si02, А1203, Fe203, FeO, CaO, MgO, Na20, K20. В составе магматических очагов находятся раскаленные газы, пары воды и горячие водные растворы. В раскаленных газах магматических очагов содержатся многие элементы, такие, как В, F, S, Н, О, CI, Р, С, N, As, Sb и др. Часть из них находится в свободном состоянии, а часть — в соединениях, например в виде HF, НС1, СО, С02. В горячих водных растворах, или гидротермальных растворах магматических очагов, находящихся в условиях высокого давления, содержатся кремний, фтор, железо, магний, сера, цинк, медь и др.
Под магматическими процессами минерало-образования понимают образование минералов при остывании основного минерального расплава магмы. В зависимости от температуры и давления выкристаллизовываются разные минералы. К минералам магматического происхождения относятся полевые шпаты (Лабрадор, микроклин, ортоклаз), слюда биотит, оливин, магнетит, апатит и др.
Пегматитовые процессы — сложные процессы кристаллизации минерального расплава в последние моменты его остывания. Образующиеся при этом минералы носят название пегматиты. Для них часто характерна определенная направленность кристаллов; иногда сочетание минералов создает своеобразный рисунок, например письменный гранит. Среди пегматитов могут быть кварц, микроклин, слюда мусковит, флюорит, ряд редкоземельных минералов, а также содержащих уран и радий.
Пневматолитовые процессы (от греческого «пневма-тос» — пар, дыхание, газ) — это процессы образования минералов при остывании раскаленных газов магматических очагов. При этом совершается ряд химических реакций, которые приводят к образованию минералов. Процессы пневматолиза оказывают значительное влияние на образование слюд. Часто в процессах пневматолиза важную роль играет вода, которая вступает в реакцию с летучими соединениями. При этом может образоваться, например, кварц:
В результате гидротермальных процессов происходит выпадение минералов из горячих водных растворов магматических очагов при их остывании: непосредственно из раствора без побочных реакций, в результате реакций между соединениями раствора и за счет реакций растворенных соединений с минералами боковых пород земной коры (эндогенный метасоматоз).
Вулканический процесс минералообразования происходит при выбросе магмы на поверхность земной коры при ее прорыве из магматического очага. Место прорыва магмы — вулкан — может быть на суше и на дне моря. При вулканизме минералы образуются из всех трех компонентов магматических очагов: из минерального расплава, из газов и паров и гидротермальных растворов. Эти компоненты остывают на поверхности земной коры очень быстро, поэтому образуются минералы и породы пористой, стекловатой и скрытокристаллической структур. Вулканическое стекло — обсидиан, пемза, базальт и др. У минералов и горных пород вулканического происхождения имеются аналоги полнокристаллической структуры, образовавшиеся при медленном остывании глубоких магматических очагов.
Минералы, образовавшиеся из компонентов магмы, называют первичными. В результате тектонических движений земной коры отдельные ее области в течение геологического времени поднимаются и происходит горообразование. Первичные минералы, оказавшись на дневной поверхности, подвергаются воздействию воды, кислорода, диоксида углерода, живых организмов. Совершающиеся сложные химические процессы приводят к образованию новых минералов, называемых вторичными. Образование вторичных минералов происходит также в рыхлых приповерхностных слоях земной коры, в гидросфере и атмосфере.
В этой зоне различают следующие группы процессов образования минералов: экзогидатогенные, в результате выветривания, минералообразование в водных бассейнах, биогенные и метасома-тические процессы.
Экзогидатогенные процессы образования минералов — это процессы выделения минералов из холодных нисходящих водных растворов поверхностного происхождения. Талые и дождевые воды, фильтруясь через почвы и рыхлые породы, растворяют те или иные минеральные соединения. Растворяющая способность воды значительно возрастает при повышении в ней концентрации С02, H2S, органических и минеральных кислот. При определенных высоких концентрациях ионов происходит образование и выпадение минералов. Так образуются кристаллы гипса CaS04 • 2Н20, галита NaCl, кальцита СаСОз, кварца Si02, вивианита Fe3(P04) • 8Н20 и др.
Процессы минералообразования в результате выветривания. Прежде всего необходимо дать определение выветриванию. Под выветриванием понимают процессы изменения физического состояния и химического состава минералов и горных пород под влиянием Н20, 02, С02, температурных колебаний, живых организмов (растительных и животных), делювиальных потоков (талых и дождевых вод), разрушительной деятельности моря, рек, ветра, ледников и ледниковых вод. Различают виды выветривания: химическое, биологическое и физическое (механическое), которые часто совершаются одновременно. В разных природных зонах и в разных экологических условиях те или иные виды выветривания преобладают.
Процессы минералообразования в водных бассейнах. Это процессы осаждения минералов в морских и океанических заливах, а также в бессточных соляных озерах в условиях жаркого климата, при интенсивном испарении воды и возрастающей в воде концентрации солей. Действительно, при среднем содержании солей в Мировом океане 3,5 % осаждение солей из такого ненасыщенного раствора не осуществляется, но оно может происходить, если раствор морской воды станет перенасыщенным. Необходимые для этого условия имеются, например, в мелководном заливе Кара-Богаз-Гол, расположенном на восточном берегу Каспийского моря в зоне пустыни и соединенном с морем узким мелким проливом. Благодаря интенсивному испарению воды в заливе наблюдается одностороннее ее течение из Каспия; содержание солей в заливе повышается в 18—20 раз по сравнению с первоначальным их количеством в воде Каспийского моря. При этом происходят образование и осаждение минерала тенардита
Зная условия образования солевых минералов из морской воды, можно предположить, что, например, район г. Соликамска Пермской области, где находятся богатейшие мировые месторождения калийных солей, был в древнее пермское геологическое время (285 ± 10 млн лет назад) заливом моря, подобным Кара-Богаз-Голу. Соликамские месторождения солей представлены многометровыми пластами галита NaCl, сильвина КС1, сильвинита КС1 • NaCl, карналлита КС1 • MgCl2
Метаморфические
В результате тектонических движений земной коры минералы (и горные породы), образовавшиеся в экзогенной и эндогенной зонах, могут оказаться в зоне метаморфизма и находиться под воздействием новых физических условий давления, температуры, а также новых химических условий, при которых они становятся неустойчивыми и превращаются в другие минералы. В зоне метаморфизма совершаются реакции образования минералов, обратные тем, которые происходят в верхних частях земной коры. Это дегидратация, деоксидация, декарбонатизация. Например, Лимонит Fe203 • Н20, потеряв воду, переходит в гематит Fe203, а последний, лишаясь некоторого количества кислорода, превращается в магнетит FeO ■ Fe203. Под влиянием высокого давления графит переходит в алмаз и т. д.
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
Контроль качества при продольной надвижке ПС | | | Уравнение первого закона термодинамики для потока |
Дата добавления: 2018-05-10; просмотров: 1046;