Минеральный и петрографический состав земной коры

Происхождение и форма Земли

Солнечная система – сложный и многообразный мир, далеко еще не изученный. В нее входят: Солнце, девять больших планет и множество малых космических тел: в настоящее время известно более 60 спутников, около 100 000 астероидов или малых планет, примерно 10¹¹ комет и огромное количество метеоритов. Солнечная система сформировалась в результате сжатия и вращения газопылевого облака, в центре возникла новая звезда – Солнце, а по радиусу от него сформировались планеты. В Солнце сосредоточено 99,866 % всей массы Солнечной системы, на все девять планет и их спутники приходится лишь около 0,134 % вещества Солнечной системы.

Земля является частью Солнечной системы и, наряду с Меркурием, Венерой и Марсом, относится к внутренним планетам или планетам земной группы. Она удалена от Солнца в среднем на 149,5 млн. км и обращается вокруг него за период 365,25 средних солнечных суток. Считается, что первоначально Земля была холодной. Разогрев ее недр начался, когда она достигла больших размеров. Это произошло за счет выделения теплоты в результате распада имеющихся в ней радиоактивных веществ. Недра Земли приобрели пластическое состояние, более плотные вещества сосредоточились ближе к центру планеты, более легкие – у ее поверхности. Произошло расслоение Земли на отдельные оболочки. Расслоение продолжается до настоящего времени, что является основной причиной движения в земной коре, т.е. причиной тектонических процессов.

Земля имеет форму геоида, т.е. фигуры, ограниченной поверхностью океана, мысленно продолженной через материки таким образом, что она всюду остается перпендикулярной к направлению силы тяжести. От этой поверхности отсчитывается «высота над уровнем моря».

Установлено, что масса Земли равна 5,976∙10²⁴кг, объем – 1,083∙10¹² км³.Земной эллипсоид вращения имеет максимальный радиус, равный 6378,25 км (радиус экватора), и минимальный радиус, равный 6356,86 км (полярный радиус), площадь поверхности – 510,2 ∙10⁶ км². Длина земного меридиана составляет 40008,548 км, длина экватора – 40075,704 км. Полярное сжатие обусловлено вращением Земли вокруг полярной оси, и величина этого сжатия связана со скоростью вращения Земли. Поверхность земного шара на 70,8 %
(361,1 млн. км²) занята поверхностными водами (океанами, морями, озерами, водохранилищами, реками и т.д.). Суша составляет 29,2 % (148,9 млн. км²).

Строение Земли

Земля состоит из различных веществ – от легчайших газов до самых тяжелых металлов, распределены они как по площади, так и в ее недрах неравномерно. Химический состав Земли почти не изучен. Исследована лишь часть земной коры, т.е. примерно 5 % ее объема. По современным представлениям, с поверхности земная кора в основном состоит из кислорода (50 %) и кремния (25 %). Вся же ее толща состоит из кислорода (46,8 %), кремния (27,3 %), алюминия (8,7 %), железа (5,1 %), кальция (3,6 %), натрия (2,6 %), калия (2,6 %), магния (2,1 %) и лишь 1,2% приходится на долю остальных, известных химических элементов.

Средняя плотность Земли – 5,52 г/см³, что значительно выше плотности веществ на ее поверхности. Так, плотность воздуха – 0,00129 г/см³, плотность воды – 1 г/см³, а средняя плотность пород, богатых железом, составляет
2,9–3 г/см³.

Установить внутреннее строение Земли удалось сейсмическим методом исследования. Суть этого метода состоит в том, что при взрыве колебания в Земле идут с разной скоростью в зависимости от состава и плотности горных пород. Детальное изучение внутреннего строения Земли сейсмическим методом показало, что высокая средняя плотность ее может быть объяснена наличием внутри нее тяжелого металлического ядра радиусом около 3000 км и средней плотностью 9–11 г/см³.

В общем виде Земля сложена несколькими концентрическими оболочками: внешними – атмосфера, гидросфера, биосфера (область распространения живого вещества, по В.И. Вернадскому), и внутренними,которые называют геосферами: земной коры, мантии и ядра. Границы между ними достаточно условны, вследствие взаимопроникновения как по площади, так и по глубине (рис. 1).

Верхняя

Рис. 1. Внутренние геосферы Земли

F

Земная кора

Нижняя

Внешнее

Внутреннее

Поверхность Мохоровичича

0 – 80 км

400 км

900 км

2900 км

5000 км

5100 км (переходная зона)

6311 км (твердое субъядро)

C

D

E

G

B

A

Земная кора –это верхняя твердая оболочка Земли, скорость распространения продольных сейсмических волн в нижней части земной коры в среднем составляет 6,5–7,4 км/с, а поперечных – 3,7–3,8 км/с. Нижняя граница земной коры проходит по слою Мохоровичича (сокращенно Мохо или М), где отмечено увеличение скоростей распространения продольных сейсмических волн до 8,2 км/с, поперечных – до 4,5–4,7 км/с.

Поверхность земной коры формируется под воздействием противоположно направленных друг к другу процессов:

§ эндогенных, включающих в себя тектонические и магматические процессы, которые ведут к вертикальным перемещениям в земной коре – поднятиям и опусканиям, т. е. создают «неровности» рельефа;

§ экзогенных, вызывающих денудацию (выполаживание, выравнивание) рельефа за счет выветривания, эрозии различных видов и гравитационных сил;

§ седиментационных (осадконакопление), заполняющих осадками все созданные при эндогенезе неровности.

Выделяют два типа земной коры: океаническую (базальтовую) и континентальную (гранитную), рис. 2.

Земная кора

Верхняя мантия

МАГМА

Осадочный слой

Базальтовый слой

Гранитный слой

Океан

Рис. 2. Строение литосферы Земли

Океаническая кора.Длительное время океаническая кора рассматривалась как двухслойная модель, состоящая из верхнего осадочного слоя и нижнего – «базальтового». В результате проведенных детальных сейсмических исследований, бурения многочисленных скважин и неоднократных драгирований (взятие образцов пород со дна океана драгами) было уточнено строение океанической коры. По современным данным, она имеет трехслойное строение при мощности от 5 до 9 (15) км, чаще 6–7 км. Средняя плотность океанической коры (без осадков) равна 2,9 г/см³, ее масса – 6,4 · 10²⁴ г, объем осадков –
323 млн. км³.

Океаническая корасостоит из следующих слоев:

1) осадочного слоя – верхний слой, мощность которого колеблется от нескольких сот метров до 1–1,5 км;

2) базальтового слоя– сложен подушечными лавами базальтов океанического типа, общая мощность этого слоя составляет от 1,0–1,5 до 2,5–3 км;

3) габбро–третий слой, общая мощность этого слоя изменяется в пределах 3,5–5 км.

Континентальная кораотличается от океанической по мощности, строению и составу. Ее мощность меняется от 20–25 км под островными дугами и участками с переходным типом коры до 80 км под молодыми складчатыми поясами Земли (под Андами или Альпийско-Гималайским поясом). Мощность континентальной коры под древними платформами составляет в среднем 40 км.

Континентальная кора сложена тремя слоями:

1) осадочный слой сложен глинистыми осадками и карбонатами мелководных морских бассейнов и имеет различную мощность от 0 до 15 км.

2) гранитный слой–мощность слоя составляет от 15 до 50 км.

3) базальтовый слой– мощность – 15–20 км.

Земная кора имеет алюмосиликатный состав. Из химических элементов преобладающими являются кислород, кремний и алюминий в форме силикатов и оксидов (табл. 1).

Таблица 1

Средний химический состав земной коры

Важным обстоятельством, отличающим земную кору от других внутренних геосфер, является наличие в ней повышенного содержания долгоживущих радиоактивных изотопов урана ²³²U, тория ²³⁷Th, калия ⁴⁰К, причем их наибольшая концентрация отмечена для «гранитного» слоя континентальной коры, в океанической коре содержание радиоактивных элементов незначительно.

Мантия Землипредставляет собой силикатную оболочку между ядром и подошвой литосферы. Масса мантии составляет 67,8 % от общей массы Земли (О.Г. Сорохтин, 1994). Геофизическими исследованиями установлено, что мантия может быть подразделена на верхнюю (слой В– слой Гуттенберга, до глубины 400 км), переходный слой Голицына (слой С на глубине 400–900 км) и нижнюю (слой D с подошвой на глубине примерно 2900 км).

Сейсмическими методами в слое В верхней мантии установлен слой менее плотных, как бы «размягченных» пластичных горных пород, называемый астеносферой. В астеносферном слое наблюдается понижение скорости сейсмических волн, особенно поперечных, а также повышенная электрическая проводимость, что свидетельствует о своеобразном состоянии вещества астеносферы – оно более вязкое и пластичное по отношению к горным породам вышележащей земной коры и нижележащей мантии, вследствие этого астеносфера не обладает прочностью и может пластично деформироваться, вплоть до способности течь даже под действием очень малых избыточных давлений.

Этот слой располагается на различных глубинах – под континентами он находится на глубине от 80–120 до 200–250 км, а под океанами – на глубине от 50–60 до 300–400 км.

Литосфера– это каменная оболочка Земли, объединяющая земную кору и подкоровую часть верхней мантии, подстилаемая астеносферой.

Ниже астеносферы скорость продольных сейсмических волн нарастает, что свидетельствует о твердом состоянии вещества. На глубине 2700–2900 км наблюдается скачкообразное падение скорости продольных волн от 13,6 км/с в основании мантии до 8,1 км/с в ядре.

Земное ядросостоит из внешнего (жидкого) ядра – слой Е и внутреннего (твердого) ядра – слой G, который также называется субъядром. Радиус субъядра примерно равен 1200–1250 км, переходный жидкий слой F между внутренним и внешним ядром имеет мощность около 300–400 км, а радиус внешнего ядра составляет 3450–3500 км (соответственно глубина – 2870–2920 км). Плотность вещества во внешнем ядре с глубиной возрастает с 9,5 до 12,3 г/см³. В центральной части внутреннего ядра плотность вещества достигает почти 14 г/см³. Все это показывает, что масса земного ядра составляет до 32 % всей массы Земли, в то время как объем всего примерно 16 % от объема Земли. Современные специалисты считают, что земное ядро почти на 90 % представляет собой железо с примесью кислорода, серы, углерода и водорода, причем внутреннее ядро имеет железоникелевый состав, что полностью отвечает составу ряда метеоритов.

Минеральный и петрографический состав земной коры

Земная кора сложена горными породами. Минералы входят в состав горных пород, а также могут создавать свои отдельные скопления. Минералы изучает наука минералогия,а горные породы – петрография.

Различают два вида минералов:

· природного происхождения;

· искусственного происхождения.

Природные минералы – это природные тела, более или менее однородные по составу и строению, являющиеся составной частью горных пород и возникающие в земной коре в результате физико-химических процессов.

Различают три основных процесса минералообразования.

1. Эндогенный(магматический) – связан с внутренними силами Земли и проявляется в ее недрах. Минералы, формирующиеся непосредственно из магматического расплава (кварц, оливин, пироксены, плакиоглазы, слюды), обладают большой твердостью, плотные, стойки к воздействию воды, кислот и щелочей.

2. Экзогенный(осадочный) – свойственен для поверхности земной коры. Минералы формируются на суше и в море.

В первом случае их создание связано с процессом выветривания под воздействием воды, кислорода и колебаний температуры (глинистые минералы – каолинит; железистые соединения – сульфиды, оксиды и т.д.).

Во втором – минералы формируются в процессе выпадения химических осадков из водных растворов (галит, сильвин).

Ряд минералов образуется в результате жизнедеятельности различных организмов – опал (образуется из геля кремнезема – продукта распада скелетных остатков кремниевых организмов), сера, пирит.

Свойства экзогенных минералов разнообразны, но большинство из них имеют низкую твердость, активно взаимодействуют с водой или растворяются в ней.

3. Метаморфический– минералы формируются в результате сложных процессов, происходящих в структуре твердых пород и минералов при различных температурах и давлениях: они изменяют свое первоначальное состояние, перекристаллизовываются, приобретают плотность и прочность (тальк, магнетит, актинолит, роговая обманка и др.).

В настоящее время известно более 5000 минералов и их разновидностей. Большинство из них встречается редко и лишь около 400 минералов имеют практическое значение: одни – из-за широкого распространения, другие – благодаря особым, ценным для человека свойствам. Иногда минералы встречается в виде самостоятельных скоплений, образуя месторождения полезных ископаемых, но чаще они входят в состав тех или иных горных пород.

Наиболее часто встречающиеся минералы, определяющие физико-механи­чес­кие свойства горных пород, называются породообразующими.

Искусственные минералы– результат производственной деятельности человека. В настоящее время создано более 150 минералов.

Различают два вида искусственных минералов:

1) аналоги – повторение природных минералов (алмаз, корунд, изумруд);

2) техногенные – вновь созданные минералы с заранее заданными свойствами (алит 3CaO·SiO₂ – вяжущие свойства, муллит 3Al₂O₃·2SiO₂ – огнеупорность). Такие минералы входят в состав строительных материалов.

Свойства минералов