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: 447; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2019 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.011 сек.